Экология/2 Экологические и метеорологические проблемы больших

городов и промышленных зон

К.т.н., проф. Сергеев С.В., ст. преп. Некрутов В.Г.,

соиск. Иршин А.В., студ. Мальцев П.С.

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Совершенствование технологии восстановления

и перемешивания смазочно-охлаждающих жидкостей

для создания экологически безопасных производств

В последние годы экологические проблемы промышленных предприятий привлекают к себе все большее внимание, которое объясняется возрастающими требованиями охраны труда на производстве и угрожающим загрязнением окружающей среды.

Как правило, СОЖ готовят непосредственно на предприятии. Организуют помещения, в которых готовят СОЖ для цеха, корпуса или всего предприятия. В последнем случае обычно строится отдельно стоящее здание, где размещают склад концентратов и эмульсола, оборудование для приготовления и утилизации COЖ.

На российском рынке преобладают традиционные хлорсодержащие дезсредства (хлорамин, гипохлорит и др.), а также фенольные препараты, которые имеют высокую токсичность и поэтому они представляют угрозу для здоровья людей и окружающей среды. А именно, такие рабочие растворы, коррозионно-активны, имеют выраженный запах, раздражают кожу и слизистые оболочки, повреждают обрабатываемые материалы.

В последние годы интенсивно разрабатывается новый класс полимерных алкилен- и оксиалкиленгуанидиновых антисептиков. Эти препараты представляют собой водорастворимые полимеры с широким спектром биоцидного действия, высокой стабильностью и низкой токсичностью. Соли ПГ не имеют запаха, малотоксичны для человека и животных, не вызывают аллергии, не обесцвечивают краситель и не вызывают коррозию оборудования.

Из препаратов ПГ следует в первую очередь упомянуть фосфопаг (полигексаметиленгуанидин фосфат) рекомендованный ВНИИ для  дезинфекции поверхностей в помещениях (пол, стены, двери, подоконники), жесткой мебели, сантехнического оборудования в ЛПУ, детских учреждениях, на коммунальных объектах, гостиницах, предприятиях общественного питания.

Наиболее трудоемким является приготовление СОЖ «Фосфопаг» на водной основе. Для приготовления СОЖ в воду добавляют установленное технологией количество концентрата, после чего выполняют перемешивание полученной смеси. Для приготовления СОЖ используются различный способы перемешивания: механическое и акустическое перемешивание, гомогенизация, барботаж паром или сжатым воздухом, циркуляционное перемешивание, перемешивание в дезинтеграторах и ударно-импульсное перемешивание. Перемешанные таким образом рабочие растворы малостабильны.

В результате анализа технологии приготовления СОЖ [1] выявлено, что при применении специальных вибрационных смесителей образуются стабильные, более дисперсные фазы. При этом особое значение приобретает уточнение физического механизма перемешивания и формирование на его основе рациональных принципов организации процесса, в том числе перемешивание компонентов СОЖ с наименьшими усилиями и затратами энергии. При этом основным направлением решения этой проблемы является повышение возможностей регулирования параметров колебаний рабочего органа, которую можно решить применением принципиально нового способа [2] возбуждения колебаний, реализованного в роторном инерционном виброприводе.

В основе способа лежит вскрытый нами факт отсутствия собственной устойчивости вращающегося диска 1 по неподвижному контртелу 2 (рис. 1). Суть этого явления такова. Сначала диск трения, прижатый осевой силой Р_ОС к неподвижному контртелу, находится в состоянии покоя. Т. е., в данном случае, эта открытая система не получает энергию извне. Если же диску сообщить энергию в виде вращения, то при этом практически мгновенно возникает его смещение r из-за действия неуравновешенной тангенциальной силы F, в результате диск начинает совершать радиальные автоколебания с частотой ω значительно превышающей частоту его вращения ω_ВР.

Рис. 1 Расчетная схема определения максимальной скорости (т. А) на периферии диска ротора мешалки (l – длина стержня ротора; R – радиус диска; R1 – радиус тарелки ротора; Vt, Vr Vz – амплитудные значения составляющих скорости; ρ1, ρ – амплитуды радиальных колебаний; a – амплитуда осевых колебаний).

Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений, описывающих движение ротора инерционного вибровозбудителя, показали, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, т. е. должно наблюдаться, так называемое, мягкое возбуждение автоколебаний. Это явление можно истолковать как проявление принципа минимальной диссипации (рассеяния энергии) в трактовке И.Р. Пригожина и Н.Н. Моисеева.

Получены кинематические характеристики вращающихся дисков 3 диаметром D_Д (см. рис. 1), размещенных на роторе, посредством которых создаются встречные внутренние затопленные струи жидкости, которым помимо осциллирующего движения сообщают вращение с пульсациями скорости и радиально осевые ускорения.

Для математического описания процесса перемешивания используется цилиндрическая система координат (r, j, z). Результирующая скорость V жидкости в любой точке аппарата условно делится на три составляющие – радиальную V_r, осевую V_z, и тангенциальную V_t. При этом определяются максимальные амплитудные значения составляющих скорости движения точек на периферии диска ротора вибромешалки:

Максимальную скорость движения жидкость будет иметь в периферийной зоне нижнего диска (т. А). В данный момент времени скорость в т. С. равна нулю (т. С. является мгновенным центром скоростей).

Моделирование процесса возбуждения колебаний ротора вибромешалки выполнялось в программе MathCAD [3].

В результате моделирования получены графики (рис. 2, а, б) соотношения амплитудных составляющих скорости движения т. А на периферии диска ротора вибромешалки. Численное моделирование процесса возбуждения колебаний ротора вибромешалки позволило визуализировать формирование траектории его движения (рис. 2, в).

Для интенсификации процесса перемешивания жидких гетерогенных сред, используя только данный роторный вибровозбудитель можно одновременно реализовать три физических эффекта: псевдоожижения рабочей жидкости (турбулентность), активного перемешивания жидкости (виброструйный эффект), эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины [4]. Характер изменения течений жидкости в каждый момент времени зависит от разных составляющих значений скорости движения ротора вибромешалки, которые оказывают влияние на число Рейнольдса.

а) б)	в)
Рис. 2. Результаты моделирования в MathCAD процесса возбуждения колебаний ротора вибромешалки

Наибольшее значение на число Рейнольдса оказывает окружная составляющая скорости (V_t), при этом:

где − коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с.

При турбулентном течении жидкость между каждой парой дисков вращается с угловой скоростью, равной половине угловой скорости вращения диска. Радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков закрепленных на роторе при своей максимальной амплитуде создают виброструйный эффект. А одновременная реализация виброструйного эффекта с турбулентным режимом позволяет затопленным струям получать вращения с пульсациями скорости и радиально-осевые ускорения.

Применение предлагаемого вибрационного смесителя позволяет производить приготовление СОЖ «Фосфопаг» с высокой стабильностью на водной основе, сократить расходы на материалы для обезвреживания стоков, сократить водопотребление свежей воды в оборотных системах, продлить срок службы технологического оборудования и насосных установок.

Все это, в конечном итоге, позволит интенсифицировать технологический процесс приготовления и регенерации СОЖ и одновременно повысить качественные показатели. А это, в свою очередь, приведет к улучшению общей экологии металлообрабатывающих производств.

Работа выполнялась при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2011–2013 годы (госконтракт №14.740.11.1123) и Российского фонда фундаментальных исследований – РФФИ (проект №10-08-96040-р_урал_а) на 2010–2012 гг.

Литература

1. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. – М: Машиностроение, 1975. – 89 с.

2. А.с. №1664412. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. – Опубл. в Б. И., 1991, Бюл. №27.

3. Некрутов, В.Г. Компьютерное моделирование процесса перемешивания технологических сред в пищевой промышленности / В.Г. Некрутов // Известия вузов. Пищевая технология. – 2011. – № 2–3 – С. 71–73.

4. Сергеев, С.В. Компьютерное моделирование процесса приготовления и регенерации смазочно-охлаждающих жидкостей для металлообрабатывающих станков / С.В. Сергеев, В.Г. Некрутов, Ю.С. Сергеев, А.В. Иршин // Materiąły VII Międzynarodowej naukowi – praktycznej konferencji «Perspektzwicyne opraсo-

wania są nauką I technikami – 2011». Volume 56 Techniczne nauki 6. – Przemyśl, Nauka i studia, 2011.