авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Выбор оптимальных условий процесса электрофлокирования с учетом параметров ворса

-- [ Страница 2 ] --

Так как емкость С системы, включая емкость конденсатора 8, емкость измерительного электрода 5 и подводящих проводов, известна, то, измеряя напряжение Uе на ячейке с помощью вольтметра 7, определяют суммарный заряд ворса Q0 = C Uе. Ячейку с электролитом взвешивают на аналитических весах с ворсом и без, определяя массу ворсинок М. Зная массу одной ворсинки m вычисляют ее средний заряд q:

. (7)

Рассчитав средний заряд ворса и, зная напряженность электрического поля, легко определить значение коэффициента зарядки: k = q/E.

Так как максимальная скорость подачи ворса ограничивается величиной объемной плотности заряда в зоне флокирования и зависит только от свойств используемого ворса, её значение независимо от установленных режимов флокирования определяется соотношением:

(8)

где 0 – диэлектрическая постоянная, Ф/м; – коэффициент пропорциональности для силы аэродинамического сопротивления движению ворсинки ; – длина ворсинки, м; d – диаметр, м; m – масса ворсинки, кг.

Данное выражение связывает максимальную скорость подачи ворса и его свойства, что позволяет использовать представленную зависимость для оптимизации процесса электрофлокирования по производительности, при которой в качестве управляемых переменных выбраны свойства используемого ворса.

В таблице 1 представлены результаты измерений максимальной скорости подачи Рmax, проводимых при различных размерах ячеек сетки, предельной плотности nmax, а также значения среднего заряда q, коэффициента зарядки k и рассчитанной, исходя из его значения, максимальной скорости подачи. Также в таблице приведено значение скорости подачи P0, измеренное без напряжения, для каждого размера ячеек сетки.

Таблица 1

Ворс Прямые измерения Измерение заряда
Р0, г/(м2с) Рmax, г/(м2с) nmax, г/м2 q, Кл k, Кл м/В Рmax, г/(м2с)
1 ПА(красный), l = 0,5 мм, Т = 0,33 текс 29,4 14,8±0,6 98,1±3,8 (11,2±1,7) 10-13 1,87 10-18 28,1±4,3
53,1 23,3±2,0 105,6±0,9
150 28,8±3,6 90,7±6,0
2 ПА(серый), l = 0,5 мм, Т = 0,33 текс 26,5 15,1±2,7 93,3±2,1 (8,1±0,5) 10-13 1,34 10-18 39,1±2,4
88 34,9±1,8 93,6±6,4
122 33,7±5,6 91,5±3,2
3 ПА(желтый), l = 0,5 мм, Т = 0,33 текс 22,1 10,7±1,3 108,7±10,9 (16,3±3,1) 10-13 2,71 10-18 19,4±3,7
45,4 21,3±1,9 124,9±2,7
199 31,2±1,4 102,9±4,4
4 ПА(коричн.), l = 0,5 мм, Т = 0,33 текс 11,2 10,80,6 101,22,9 (10,6±1,0) 10-13 1,77 10-18 29,7±2,6
29,0 28,6±1,8 115,8±6,3
66,0 39,62,0 98,3

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о правильности утверждения того, что скорость подачи ворса ограничена величиной, связанной со значением коэффициента зарядки формулой (8). Многократное превышение скорости подачи ворса без напряжения по сравнению с величиной скорости подачи, полученной при наличии напряжения, также косвенно подтверждает выдвинутое предположение.

С целью оценки влияния коэффициента зарядки на предельную плотность ворсового покрова были проведены измерения предельной плотности для различного ворса с одинаковыми геометрическими размерами, но различными электрофизическими свойствами. Измерения проводились для ПА ворса длиной 0,5 мм и линейной плотности 0,33 текс при двух значениях напряженности: E = 4 кВ/см и E = 6 кВ/см.

Для описания экспериментальных зависимостей предложена функциональная зависимость вида (9) и (10), коэффициенты которой определены методом наименьших квадратов для каждой серии измерений отдельно. Полученные эмпирические зависимости связывают предельную плотность с величиной заряда ворса и выглядят следующим образом:

(9)

(10)

Экспериментальные данные и полученные эмпирические зависимости nmax от q приведены на рисунках 3 и 4 соответственно.

Вид полученной эмпирической зависимости можно объяснит следующим образом. Сначала с ростом заряда возрастает дипольный момент ворсинки и, как следствие, ориентация ворса на поверхности материала. Если заряд выше определенного значения, то при приближении ворсинки к основе, уже покрытой некоторым количеством ворса, возникает коронный разряд ворсинки, при котором она перезаряжается, не приблизившись к клеевой поверхности, и возвращается к верхнему электроду.

Возникновение коронного разряда определяется величиной заряда ворсинки подлетающей к основе, «пороговое» значение которого можно рассчитать на основе модели, предложенной академиком Попковым:

, (11)

где Ек.р. – напряженность начала коронного разряда, В/м.

Пороговые значения напряженности для отрицательной и положительной короны равны: E- = 265 кВ/см, E+ = 300 кВ/см. Рассчитав по формуле (11) предельное значение заряда при отрицательной короне для ворса длиной 0,5 мм и диаметром 20 мкм (геометрические характеристики соответствуют ворсам, для которых проводились измерения), было получено значение 18,4·10-13 Кл. Данное значение вполне соответствует значению заряда, при котором возникает коронный разряд согласно полученным экспериментальным данным, представленным на графиках, что подтверждает предложенную модель процесса.

Для получения обобщенной эмпирической модели, учитывающей коэффициент зарядки и напряженность электрического поля, были использованы экспериментальные результаты и связь заряда с коэффициентом зарядки и напряженностью поля. Коэффициенты зависимости определены с помощью метода наименьших квадратов:

(12)

Для оценки адекватности предложенной модели результатам измерений, обе зависимости построены на графике, изображенном на рисунке 5.

  Зависимость nmax от k для E = 4-35

Рисунок 5 – Зависимость n

max от k для E = 4 кВ/см и E = 6 кВ/см

Полученная зависимость предельной плотности ворсового покрова от коэффициента зарядки и напряженности электрического поля вместе с зависимостью (8) и моделью (12) позволяет выбирать ворс с оптимальными электрофизическими свойствами, прогнозировать результаты процесса, а также дает возможность определить какие свойства ворса и режимы работы оборудования обеспечат максимальную производительность.

В третьей главе изложен способ расчета минимума времени, необходимого для достижения заданной плотности ворсового покрова, базирующийся на зависимости технологических параметров процесса от электрофизических свойств ворса и режимов работы оборудования. Постановка задачи оптимизации в этом случае включает целевую функцию (3), для которой на основании соотношения (8) и полученной эмпирической зависимости (12) вычисляют технологические параметры процесса Pmax и nmax.

Для достижения максимальной производительности необходимо установить наибольшую для используемого оборудования напряженность электрического поля, при которой не возникнут электрические пробои, и максимальную скорость подачи ворса, путем выбора соответствующих частоты вращения щеточного вала (или вибрации) и размеров ячеек сетки.

Для определения оптимальных свойств ворса, необходимо на базе соотношения (8) и модели (12) построить зависимость времени достижения требуемой плотности ворсового покрова n0 от коэффициента зарядки ворса, используя для этого соотношение (3) или более упрощенную версию:

(13)

На основании приведенных уравнений, была построена зависимость времени от коэффициента зарядки для ПА ворса l = 0,5 мм и Т = 0,33 текс, полученной при Е = 4 кВ/см. Величина требуемой плотности n0 = 65 г/м2.

Данная зависимость представлена в виде графика на рисунке 6.

Решение данной оптимизационной задачи должно быть дополнено учетом необходимой глубины внедрения ворса, которая обеспечивает достижение достаточную прочность закрепления. Это требование введено в виде ограничения: кинетическая энергия ворса W в момент внедрения в клеевой слой должна быть больше определенного значения W0.

. (14)

где W0 - кинетическая энергией ворса, заведомо обеспечивающей требуемую глубину проникновения, Дж; h - расстояние между электродами флокатора, м.

Для определения оптимального значения коэффициента зарядки для ПА ворса l = 0,5 мм и Т = 0,33 текс был произведен расчет кинетической энергии для Е = 4 кВ/см и h = 12 см. Значение W0 соответствует: k = 1,5·10-18 Кл м/В, Е = 5 кВ/см и h = 10 см, и равно W0 = 3,75 ·10-8 Дж.

Таким образом, для ПА ворса l = 0,5 мм и Т = 0,33 текс, коэффициентом зарядки, обеспечивающим минимальное время достижения требуемой плотности ворсового покрова n0 = 65 г/м2 для установленных режимов и с учетом ограничения по минимально допустимой глубине внедрения ворса в клеевой слой, является k = 1,9 10-18 Кл м/В. Этому соответствует время флокирования t0 = 3,6 с.

Далее в главе рассмотрен вариант оптимизации для критерия прочности закрепления ворса, то есть стойкости конечного материала к истиранию. В этом случае в качестве целевой функции выступает соотношение для кинетической энергии ворса в зависимости от координаты в зоне флокирования, которая определяется скоростью движения ворсинок:

(15)

Соответственно, выражение для кинетической энергии ворсинки выглядит:

(16)

Максимум данной функции соответствует межэлектродному расстоянию:

(17)

Зависимость кинетической энергии от межэлектродного расстояния, для ПА ворса с различными коэффициентами зарядки представлена на рисунке 8.

1 – k = 1,0 10-18 Кл м/В, 2 – k = 1,5 10-18 Кл м/В, 3 – k = 2,0 10-18 Кл м/В.

Рисунок 8 - Зависимость W от h, полученная при E =4 кВ/см.

Наличие оптимального расстояния объясняется тем, что при увеличении межэлектродного расстояния уменьшается величина плотности тока, что приводит к снижению объемного заряда, которое, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости ворса.

Как показали расчеты оптимального межэлектродного расстояния для различных условий флокирования, на практике обеспечить максимальную глубину внедрения путем выбора соответствующего межэлектродного расстояния весьма затруднительно. Например, для ворса l = 0,5 мм, T = 0,33 текс, коэффициента k = 1,5 10-18 Кл м/В при Е = 5 кВ/см оптимальное межэлектродное расстояние составляет более 80 см. Это означает, что напряжение на электродах должно быть равно более 400 кВ, что слишком много для существующих источников высокого напряжения.

Таким образом, для обеспечения наибольшей глубины внедрения ворса, необходимо установить максимальное межэлектродное расстояние соответствующее максимальному рабочему значению напряженности электрического поля.

На основании полученных результатов были предложены рекомендации по усовершенствованию конструкции оборудования, на котором осуществляется процесс электрофлокирования. Так как для увеличения производительности и глубины внедрения ворса необходимо стремиться к увеличению рабочего значения напряженности, необходимо исключить наличие в межэлектродном пространстве острых кромок, которые повышают вероятность возникновения электрических пробоев. Основные элементы конструкции (исключая электроды), расположенные в зоне флокирования, рекомендуется изготавливать из диэлектрических материалов. Для достижения максимальной скорости подачи ворса размеры ячеек сетки должны быть максимальными, при которых ворс не будет просыпаться в зону флокирования при загрузке подающего бункера.

Другим способом достижения максимальной скорости подачи ворса, может быть использование оборудования, в котором флокирование осуществляется снизу – вверх, то есть ворс поступает к материалу снизу. Данная конструкция флок-машин значительно упрощает процесс подачи ворса в зону флокирования, так как ворс поступает в межэлектродное пространство на транспортере, и нет необходимости изготавливать накопительный бункер, систему его загрузки, а также при подаче ворса не используются щеточные валы, которые повреждают ворс при протирании его через сетку. Однако в настоящее время флокирование снизу вверх не используется на промышленных линиях, и данное оборудование требует радикальных изменений конструкции всей линии.

Четвертая глава, представляющая собой экономическую часть диссертации, обосновывает экономическую эффективность оптимизации процесса электрофлокирования. Произведены экономические расчеты для базового варианта соответствующего условиям, при которых осуществляется изготовление флокированного рулонного материала (искусственной замши) в настоящее время, и предлагаемого варианта, после оптимизации. Выбор ворса с оптимальными характеристиками позволит увеличить производительность линии на 20 %. Определение времени достижения требуемой плотности ворсового покрова позволит уменьшить перерасход дорогостоящего ворса. В результате внедрения на предприятии предложенной методики оптимизации процесса электрофлокирования, можно увеличить годовую прибыль в среднем на 5%, что в условиях массового производства является довольно существенным.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

  1. Проведен анализ степени влияния технологических параметров процесса электрофлокирования на его производительность. Максимальное влияние оказывает скорость подачи ворса, а наименьшее влияние – изменение скорости подачи при возрастании плотности ворсового покрова.
  2. Исследована динамика изменения структуры электрического поля и распределения объемного заряда в объеме флокатора по мере роста плотности ворсового покрова.
  3. Обоснован выбор оптимальных технологических режимов процесса флокирования для обеспечения минимального времени формирования ворсового покрова.
  4. Исследовано влияние свойств ворса на основные технологические параметры процесса флокирования: максимальную скорость подачи ворса и предельную плотность ворсового покрова.
  5. Предложена эмпирическая зависимость, описывающая взаимосвязь максимальной плотности ворсового покрова с зарядом и коэффициентом зарядки.
  6. С использованием эмпирической зависимости рассчитано оптимальное значение коэффициента зарядки ворса для обеспечения наибольшей скорости процесса, то есть минимального времени получения заданной плотности ворсового покрова.
  7. Предложена методика расчета и получено оптимальное значение коэффициента зарядки с учетом требования необходимой глубины внедрения ворса в клеевой слой.
  8. Получена обобщенная эмпирическая зависимость для максимальной плотности ворсового покрова от напряженности электрического поля и коэффициента зарядки.
  9. Предложена методика выбора оптимального межэлектродного расстояния в зависимости от напряженности электрического поля и коэффициента зарядки.
  10. Предложены рекомендации для конструкции электрофлокатора, с учетом результатов исследований, направленные на увеличение производительности процесса.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.