часть также прикреплена четыремя болтами к улиткообразному кожуху. Подвижная
система находиться на вращающем колесе и стержне (оси). Энергия вращения
электродвигателя через ось передается крыльчатке. Эта часть устроена так, что
крыльчатки можно заменить с легкостью. В основном насосы системы охлаждения
транспортных средств имеют улиткообразный корпус.
Рис.3. Вид экспериментируемого насоса в поперечном срезе.1) Улиткообразный кожух.
2) Крыльчатка. 3) Всасывающая трубка. 4) Подвижная часть. 5) Опорная часть насоса.
Улиткообразный кожух создан так, сто снижает гидравлические потери до
минимума, а общую эффективность насоса увеличивает до ортимума. Улиткообразный
кожух, используемый в опыте и показанный на Рис.4, был изготовлен из стального
диска путем механической обработки.
103
Рис.4. Вид улиткообразного кожуха.
3. Экспериментируемые крыльчатки
Крыльчатки, используемые в опытах, были спроектированы как открытая
прямая лопасть, открытая коническая лопасть и закрытая прямая лопасть.
Спроектированные лопастные колеса (крыльчатки) были изготовлены путем литья из
алюминия (Рис.5). Алюминий предпочли из-за его экономичности, легкости литья и
обработки. Диаметр колес, количество стержней, плотность стержней и размеры
рубцов стержня показаны в таблице 1.
Таблица 1.
Тип
крыльчатки
Угол
лопасти
Диаметр крыльчатки
Высота лопасти
Количество
лопастей
b
1
/ b
2
β
1
β
2
d
1
d
2
d
1
/ d
2
b
1
b
2
С открытой
прямой
лопастью
90
90
34,4
68,8
0,5
10,5
10,5
11
1
С открытой
конической
лопастью
90
90
34,4
68,8
0,5
10,5
6,9
11
0,60
С закрытой
прямой
лопастью
90
90
34,4
68,8
0,5
10,5
10,5
11
1
4. Результаты экспериментов
На изготовленном для экспериментов насосе охлаждающей воды были
протестированы три различные крыльчатки. Во время опыта экспериментируемый
насос работал в режиме с частотами: 1500 об/мин, 2000 об/мин, 2500 об/мин и 3000
об/мин. Во время испытания для каждого оборота и крыльчатки ширина зазора насоса
была 0,5 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм, 3 мм и 5 мм. Были вычислены сила на ось
электродвигателя и разница давления у входа и выхода насоса при различном давлении
потока воды и при работе каждой крыльчатки на определенном обороте и промежутке
времени, как было показано выше. Данные эксплуатационных качеств крыльчаток,
которые были испытаны, показаны на Рис. 6, 7, 8. На этих рисунках: Q – скорость
истечения (расход) воды (м
3
/час); Х – ширина зазора между крыльчаткой и
104
улиткообразным кожухом (мм); М – механический момент на оси (Н•м); h – напор
воды (м); Δр – разность давления (бар). Данные на рисунках соответствуют частоте
3000 об/мин.
Рис 5. Вид лопастей крыльчатки
5. Выводы
В данной работе были экспериментально исследованы производительности
центробежных наосов двигателей от ширины зазора и от вида крыльчатки. Анализируя
полученные результаты (Рис.6,7,8) можно сделать следующие заключения:
Чем больше ширина зазора между крыльчаткой и улиткообразным кожухом тем
больше потери;.
Ширина зазора в закрытой прямой лопасти не влияет на выбранный критерий;
Крыльчатки открытой конической лопастью недостаточно эффективны в
рассмотренных величинах зазора и значениях числа оборотов насоса;
Наиболее производительна крыльчатка с открытой прямой лопастью. А при
значениях скорости оборота 3000 об/мин она может быть более эффективной.
а) открытая прямая; б) открытая коническая; в) закрытая прямая
105
Рис.6. Данные открытой прямой лопасти
Δ
р
(
бар
)
η (%)
M (Н•м)
h (м)
106
Рис.7. Данные открытой конической лопасти
Δ
р
(
бар
)
M (Н•м
)
η (%)
h (м)
107
Рис.8. Данные закрытой прямой лопасти.
1. Y.Seneoo, M.Ishida. "Deterioration of Compressor Performance due to tip clearance of
centrifugal impeller", Trans of the ASME, J of Turbo machinery Vol 109, 1987
2. J.Lauer. "Tip clearance Sensitivity of centrifugal pumps with semi-open impellers",
ASME Fluids Engn. Div. Summer Meeting FEDSM'97,1997
3. Yigit Suleyman."T~lt MotorIannda KuIlamlan Aylk kanath Pompalann Arahk
Kaytplanmn Teorik ve Deneysel incelenmesi", Kocaeli Universitesi (1994)
4. S.Canbazoglu, M. Polat. "Optimum Pompa Sistemi Seyimi ve Yeni Calışma şartlarına
Uydurulması‖, Erciyes Universitesi.Kayseri.(1998).
5. Çalli İsmail. "Santrifuj Pompa Hesabı ve Çizimi", Sayfa 35, Kocaeli Universitesi.(1991)
6. H.Peterman. "Aklm Makinalan", Çevirenler; EDİS, Kaan,TEKİN, Yavuz. (1978).
Δ
р
(
бар
)
M (Н•м)
η (%)
h (м)
108
УДК 539.21:536.77:666.71
М.К. Кулбеков, В.Н. Косов, Б. Ерженбек
ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ОБЖИГА МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ
ИЗ ЗОЛЫ, ГЛИНЫ И ИХ СМЕСЕЙ
(г.Алматы, КазНПУ имени Абая)
Ғылыми мақалада күл, лай және олардың қоспаларынан жасалған моделдік
үлгілердің күйдіру барысындағы термографиялық және термодинамикалық
сипаттамалары келтіріліп талданған. Әуелі тәжірибелік әдістердің негізі болып
табылатын теориялық мәселе қысқаша қарастырылған. Үлгілердің термографиялық
сипаттамаларын тәжірибе жүзінде анықтаудың тәсілі мен техникасы келтірілген.
Үлгілердің термографиялық қисықтары сызықтық заңдылықпен қыздыру барысында
алынған. Шикі үлгілер мен эталондардың бірдей жағдайда алынған термографиялық
сипаттамаларын салыстыру арқылы олардағы күрделі жылуэффектілері анықталып
талданған. Күлден жасалған үлгілерде негізінен экзотермиялық, ал лай шикізатынан
жасалған үлгілерде эндотермиялық эффектілердің орын алатындығы анықталды.
Экзотермиялық эффектілер күл құрамындағы қалдық отынның (кӛміртегі бӛлшектері)
жануымен, ал лай минералындағы эндотермиялық эффектілер физика-химиялық және
химиялық (кристалдық) байланыстағы судың ыдырап шығуымен түсіндіріледі.
Алынған тәжірибелік мәліметтерді пайдалана отырып (1) және (2) ӛрнектер
бойыншы үлгілердің термодинамикалық сипаттамалары (
с
а
с
а
эф
эф
,
,
,
) анықталды.
Оларды салыстырып талдағанда бұл шамалардың шикі үлгілер үшін айтарлықтай
үлкен аралықтарда, ал эталондар үшін аз аралықтарда ӛзгеретіндігі белгілі болды. Бұл
шикі үлгілердегі физика-химиялық түрленілердің жылуэффектілерімен байланысты
жүретіндігімен, ал эталондарда бұл үдерістердің орын алмайтындығымен, яғни
қайтымсыздығымен түсіндіріледі.
В научной статье приведены и проанализированы термографические и
термодинамические характеристики в процессе обжига модельных образцов из золы,
глины и их смесей. В начале в вкратце изложены теоретические положения, которые
служили основой экспериментальных работ. Приведены методы и техника получения
термографических характеристик исследуемых образцов. Термографические кривые
образцов получены при нагревании по линейному закону. Определение и анализ
сложных тепловых эффектов проводились путем сравнения термографических
характеристик образца-сырца и эталона, полученных при одинаковых тепловых
режимах.
При этом установлены, что в образцах из золы наблюдаются экзотермические, а в
глиняных образцах, в основном эндотермические эффекты. Экзотермические эффекты
объясняются горением остаточного топлива (углерод) золы, а эндотермические –
удалением физико-химической и химической (кристаллической) воды из глинистых
минералов.
На основе полученных экспериментальных данных с помощью формула (1) и (2)
определены термодинамические характеристики (
с
а
с
а
эф
эф
,
,
,
) образцов. Сравнение
этих результатов показывает, что их значения для образца – сырца изменяются в
широких, а для эталона в малых пределах. Это объясняется тем, что в образце –сырце
физико-химические превращения сопровождаются тепловыми эффектами, а в эталоне
эти необратимые процессы отсутствуют.
In the scientific article are resulted a technique of statement of experiments and reception
of thermographic curves modeling cindery, clay and зологлиняных samples from whom
their effective thermodynamic (thermal) characteristics are defined. At first bases of
experimental methods as a theoretical problem are considered. For studying of the thermal
109
and thermodynamic processes proceeding at roasting of ashes, clay and their mixes, the
special technique of record of thermographic curves of heating of the modeling sample-raw
and the standard is used. Value of thermodynamic characteristics of standards changes in
small limits that shows absence in them of the thermal effects observed in the sample - raw.
On thermographic curves of the sample from ashes it is observed basically экзотермический
effect, and on thermogram of the sample from clay are observed эндотермический effect.
The Ekzotermichesky effect has a talk with ignition and burning of residual carbon, and
эндотермический the effect is connected with removal from the sample of the physicist -
chemically connected and chemical (crystal) water.
By means of formulas (1) and (2) it is possible to define thermodynamic characteristics of
modeling samples (
с
а
с
а
эф
эф
,
,
,
). Effective thermodynamic characteristics of the sample-
raw from ashes, clay and their mixes change largely and reflect character of the thermal
effects observed in them in the course of roasting. Value of thermodynamic characteristics of
standards changes in small limits that shows absence in them of the thermal effects observed
in the sample - raw.
Большинство физико-химических превращений, протекающих при обжиге
глиняных, зологлиняных и других керамических материалов, сопровождается
тепловыми эффектами различной природы и массообменом. Характер этих процессов в
золокерамических материалах, прежде всего, определяется свойствами составляющих
их компонентов, т. е. золы и глины, и имеет важное значение при разработке научно-
обоснованной технологии, в частности, рациональных режимов обжига изделий на их
основе.
Современные методы термодинамики необратимых процессов и теплофизики
позволяет не ограничивать фиксацией наличия эндотермических или экзотермических
эффектов,
а
производить
определение
термических
(термодинамических)
характеристик путем обработки экспериментальных термографических данных при
помощи решений систем дифференциальных уравнений тепло- и массообмена. Для
изучения термических и термодинамических процессов, протекающих при обжиге
золы, глины и их смесей, использована специальная методика записи
термографических кривых нагрева модельного образца-сырца и эталона. Объектами
термографических и термодинамических исследований процессов обжига служили
модельные образцы-цилиндры (d=50, h=105мм) из золы с добавкой 2% СДБ (зола от
сжигания угля Карагандинского бассейна с содержанием остаточного углерода 7-9%),
глины полиминерального состава с преобладанием монтмориллонита (30% и более) и
их смесей, полученные методом пластического формования на специальной
металлической пресс-форме. Модельные образцы формовались из следующих смесей
(% по массе): зола –98 и СДБ-2; зола предварительно прокаленная при 1100 С
0
–98 и
СДБ –2; глина –100; зола предварительно прокаленная при 1100 С
0
до полного
сжигания остаточного топлива –85 и глина –15.
Свежесформованные образцы-цилиндры после их сушки до равновесного
состояния подвергались экспериментальному исследованию на специальной установке
по нижеизложенной методике. Для сравнительного анализа экспериментальные
исследования дублировались на образцах-эталонах при тех же температурно-газовых
режимах. При этом эталоном для глиняных образцов служили те же образцы, но
предварительно обожженные, а для зольных образцов - образцы, полученные из
предварительно прокаленной (до полного выжигания остаточного топлива) золы с
добавкой 2% СДБ. Для зологлинянных образцов эталоном служили аналогичные
образцы, только с использованием предварительно прокаленной золы.
Методика постановки эксперимента и получения термографических кривых
(дифференциальные кривые нагрева) модельных зольных, глиняных и зологлиняных
110
образцов, из которых определяются их эффективные термодинамические (термические)
характеристики, учитывающие тепловые эффекты физико-химических превращений в
сырье, построена на основе решений уравнения теплопроводности, разработанных А.
В. Лыковым для квазистационарного режима [1-3]:
)
)(
1
(
2
2
ц
п
эф
t
t
Г
R
b
а
;
(1)
0
эфф
эф
а
с
(2)
где
эф
а
— эффективный коэффициент потенциалопроводности для теплопереноса, т.е.
эффективный коэффициент температуропроводности;
эф
с
— эффективная удельная
теплоемкость; b — скорость нагрева среды в печи: R —определяющий размер образца,
для пластины половина толщины, а для цилиндра и шара – радиус; Г — постоянное
число (для неограниченной пластины Г=0, для цилиндра Г=1, а для шара Г=2);
ц
п
t
t ,
—
температура, соответственно поверхности и центра образца.
Таким образом, решив обратную задачу, т. е. фактически получив решение
уравнения теплопроводности Фурье путем записи термографических кривых
(температурные поля) модельных образцов в процессе обжига и повторного нагрева, с
помощью формул (1) и (2) можно определить термодинамические характеристики
сырьевых (
эф
эф
с
а
,
) и обожженных (а, с) материалов при разных температурах.
Преимущества использованной нами специальной методики перед традиционными в
том, что полученные кривые раскрывают истинную картину протекания термических
процессов в исследуемых плотных образцах и позволяют с помощью методов теории
подобия перенести их результаты в реальные изделия, обжигаемые в условиях
промышленных печей.
Экспериментальные
работы
по
изучению
термографических
и
термодинамических характеристик процессов обжига модельных образцов из золы,
глины и их смесей были проведены на специальной установке, включавшей
электрическую муфельную печь типа СНОЛ с платино-платинородиевой термопарой и
электронным терморегулятором, позволяющим автоматически регулировать режимами
обжига в печи.
Техника эксперимента состояла в следующем: для записи термографических
(дифференциальных) кривых при обжиге исследуемых объектов в образец формой
неограниченного цилиндра (
d
l
2
) помещались спаи двух платино-платинородиевых
термопар (диаметр электродов 0,5мм). Термопарой (1) измерялась температура
поверхности образца, а термопарой (2) — температура центра образца. Измерения
температуры среды в печи производились с помощью термопары (3). Нагрев,
подготовленного таким образом, цилиндрического образца с вмонтированными в него
термопарами производился в электрической печи экспериментальной установки по
строго квазистационарному тепловому режиму, т. е. подъем температуры среды
осуществлялся по линейному закону. Экспериментальные исследования в аналогичных
условиях проводились и на образцах–эталонах.
При обжиге зологлиняных образцов возникают сложные тепловые эффекты,
обусловленные наложением процессов, характерных как для глиняной, так и для
зольной части материала. Для выявления их природы наряду с зологлиняными
смесями, как было отмечено выше, были изучены и составляющие компоненты (зола,
глина).
На
основе
полученных
экспериментальных
результатов
построены
111
термографические кривые процессов обжига модельных образцов (рис. 1-3), которые
собой представляют – разность температур поверхностей образца-сырца и эталона
(кривая 1), разность температур центров образца –сырца и эталона (кривая 2),
температура среды в печи (кривая 3). По приведенным термографическим кривым
нагрева модельных образцов можно проследить механизм прохождения тепловых
эффектов, связанных с физико-химическими превращениями и диссипативной работой
в материале. Отклонение термографических кривых вверх характеризует
экзотермический эффект, вниз — эндотермический.
На термографических кривых образца из золы (рис. 1) в интервале температур
400-700
С
0
наблюдается глубокий экзотермический эффект, который объясняется с
воспламенением и горением остаточного углерода. В дальнейшем в интервале
температур 700-1100
С
0
заметны два пика аналогичных эффектов, связанных с
относительным повышением интенсивности горения остаточного топлива в образце.
При температурах 1100
С
0
и выше процессы горения углеродных частиц в образце
заметно замедляются, а затем при дальнейшим повышении температуры вовсе
прекращается. Это связанно с появлением в образце жидких фаз и изменением
пористой структуры материала.
На термограмме образца из глины (рис. 2) в характерных интервалах температур
100-400
С
0
, 750-850
С
0
и 900-1000
С
0
наблюдаются три эндотермических эффекта.
Первый из них связан с удалением из образца физико -химически связанной
(межслоевой -межплоскостной ) , а менее интенсивные второй и третий эндоэффекты –
кристаллической (химической) воды
.
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
10
40
70
100
130
160
190
220
250
280
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
C
t
0
,
C
t
ср
0
,
мин
,
1
2
3
Рис.1.Термографические кривые образцов из золы
1. – разность температур поверхностей образца–
сырца и эталона
эт
n
c
n
n
t
t
t
,
,
.
2. – разность температур центров образца-сырца и
эталона
эт
ц
c
ц
ц
t
t
t
,
,
.
3. – температура среды в печи
)
(
f
t
ср
.
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
10
40
70
100
130
160
190
220
250
280
310
C
t
0
,
С
t
ср
0
,
мин
,
3
2
1
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
Рис.2. Термографические кривые образцов из
глины
1. – разность температур поверхностей образца–
сырца и эталона
эт
n
c
n
n
t
t
t
,
,
.
2. – разность температур центров образца-сырца и
эталона
эт
ц
c
ц
ц
t
t
t
,
,
.
3. – температура среды в печи
)
(
f
t
ср
.
На термографических кривых образца из зологлиняной смеси (рис. 3)
наблюдается наложение эффектов, характерных для золы и глины, но они менее
интенсивны.
112
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
10
40
70
100
130
160
190
220
250
280
1
2
3
мин
,
C
t
0
,
C
t
ср
0
,
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Рис.3. Термографические кривые образцов из зологлиняной смеси
1. – разность температур поверхностей образца–сырца и эталона
эт
n
c
n
n
t
t
t
,
,
.,
2. – разность температур центров образца-сырца и эталона
эт
ц
c
ц
ц
t
t
t
,
,
.
3. – температура среды в печи
)
(
f
t
ср
.
Термодинамические характеристики (
с
а
с
а
эф
эф
,
,
,
) исследуемых образцов
представлены в таблицах 1-3. Из приведенных данных видно, что эффективные
термодинамические характеристики образца-сырца (
эф
эф
с
а ,
) из золы, глины и их
смесей изменяются в широких пределах и отражают характер тепловых эффектов,
наблюдаемых в них в процессе обжига.
Табл. 1. Термодинамические характеристики образцов из золы
С
t
ср
0
,
,
температура
среды в печи
Зольный образец –сырец
Эталон (образец-сырец
из прокаленной золы)
с
м
а
эф
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
эф
,
с
м
а
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
,
150
6,94
1,36
8,27
1,05
200
6,38
1,48
5,03
1,73
250
5,90
1,60
4,14
2,10
300
4,37
2,16
3,46
2,52
350
1,59
5,92
1,55
5,60
400
-3,19
-2,96
17,81
0,49
450
-3,75
-2,52
5,26
1,65
500
-7,87
-1,20
4,82
1,80
550
-15,74
-0,60
3,56
2,44
600
6,56
1,44
2,69
3,23
650
4,57
2,07
2,60
3,34
700
4,22
2,24
2,52
3,46
750
3,81
2,48
2,52
3,46
800
3,75
2,52
2,41
3,61
850
3,37
2,80
2,46
3,53
900
3,19
2,96
2,60
3,34
950
3,81
2,48
2,57
3,38
1000
3,58
2,64
2,23
3,91
1050
3,11
3,04
2,14
4,06
1100
2,77
3,40
2,09
4,17
1150
2,46
3,84
2,07
4,21
113
Табл. 2.Термодинамические характеристики образцов из глины
С
t
ср
0
,
,
температура
среды в
печи
Глиняный образец –сырец
Эталон (обожженный
образец)
с
м
а
эф
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
эф
,
с
м
а
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
,
150
10,17
0,99
6,97
0,57
200
8,30
0,49
6,32
0,63
250
5,09
0,78
5,34
0,74
300
2,97
1,34
3,31
1,20
350
2,54
1,56
3,96
1,00
400
2,37
1,67
3,86
1,03
450
2,97
1,34
3,86
1,03
500
3,10
1,28
4,22
0,94
550
3,56
1,11
4,63
0,86
600
2,97
1,34
4,34
0,91
650
2,34
1,70
4,62
0,86
700
2,09
1,89
4,96
0,80
750
2,59
1,53
5,34
0,74
800
2,97
1,34
4,22
0,94
850
3,65
1,08
4,22
0,94
900
3,31
1,20
5,34
0,74
950
9,47
0,42
5,34
0,74
1000
11,39
0,35
5,34
0,74
1050
8,05
0,49
5,34
0,74
1100
8,47
0,47
4,63
0,86
1150
7,00
0,57
4,21
0,94
Табл. 3. Термодинамические характеристики образцов из зологлиняной смеси
С
t
ср
0
,
температур
а среды в
печи
Зологлиняный образец-
сырец
Зологлиняный образец на
основе прокаленной золы
(эталон)
с
м
а
эф
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
эф
,
с
м
а
/
10
,
2
7
К
кг
кДж
с
,
150
7,30
1,14
7,77
0,92
200
5,48
1,52
6,09
1,20
250
4,98
1,67
5,49
1,34
300
4,38
1,89
5,36
1,40
350
5,61
1,48
5,63
1,30
400
9,96
0,83
6,63
1,11
450
10,44
0,80
4,49
1,61
500
8,43
0,98
6,63
1,11
550
6,45
1,29
5,93
1,24
600
5,34
1,56
5,12
1,44
650
5,20
1,59
5,12
1,44
700
5,20
1,59
5,78
1,27
114
750
5,62
1,48
5,78
1,27
800
5,92
1,40
4,60
1,60
850
6,26
1,33
4,60
1,60
900
8,12
1,03
4,42
1,62
950
7,30
1,14
4,17
1,70
1000
9,13
0,91
4,02
1,80
1050
4,57
1,82
4,33
1,69
1100
4,57
1,82
4,33
1,69
Термодинамические характеристики образцов из золы в интервале температур
400-550
С
0
имеют отрицательные значения. Это показывает изменение направления
теплового потока в образце за счет экзотермического эффекта, связанного с горением
остаточного топлива золы (рис.1).
Значение термодинамических характеристик эталонов изменяется в малых
пределах, что показывает отсутствия в них тепловых эффектов, наблюдаемых в
образце- сырце.
Полученные физико-технологические результаты могут быть использованы для
разработки научно-обоснованных режимов обжига керамических материалов из
исследуемых смесей.
1.
Лыков А.В. Тепломассобмен. –М.:Энергия, 1978.–480с., ил.
2.
Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофизики.–Минск: АН БССР,
1961.–520с., ил.
3.
Кулбеков
М.К.,
Оспанбеков
Е..
К
теории
теплопроводности
при
квазистационарных режимах нагрева твердых тел. // Поиск (Ізденіс). – 2009. №3,
с. 213-215.
Достарыңызбен бөлісу: |