Устройство для измерения нормальных напряжений Советский патент 1983 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к гидродинамике, а точнее к реологии волокнистых суспензионных систем, и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для обоснования оптимальных параметров технологических процессов.

Известно устройство, которое позволяет измерять нормальные напряжения, снабженное проходящим через нище внутреннего цилиндра игольчатым стержнем, соединенным- с датчиком нормальных напряжений Г .

Однако данный прибор сложен по конструкции. Иглообразный стержень, проходя через днище внутреннего цилиндра, упирается в коническое гнездо промежуточного цилиндра. Внутренний цилиндр заполняют испытуемой жидкостью, внешний - ньютоноаской жидкостью и приводят во вращение в противоположном направлении.

. Устройство отличается сложностью регистрации нормальных напряжений (их замер возможен при резкой остановке вращающихся цилиндров и не позволяет замерять нормальные напряжения в волокнистых суспензиях.

Наиболее близким к изобретению является устройство, состоящее из двух концентрично расположенных цилиндров, один из которых (внутренний) установлен с возможностью вращения, и манометров, вмонтированных в цилиндры, по которым судят о нормальных напряжениях исследуемых материалов столба жидкости в трубке з

Недостатком известного устройства является невозможность измерения нормальных напряжений, возникающих

.в вязкоупругих суспензиях целлюлозно-бумажного производства, так как волокнистые суспензии целлюлознобумажного производства, представляющие собой крупнодисперсные системы,

не могут быть свободно загружены в зазор между коаксиальными цил.индрами ввиду соизмеримости- величин исследуемых частиц дисперсной фазы с величиной зазора. Кроме т.ого, снятие показаний давления с поверхности внутреннего цилиндра не представляется возможным вследствие непрозрачности волокнистых суспензий.

Целью изобретения является расширение класса измеряемых материалов за; счет измерения водно-волокнистых суспензий.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения нормальных напряжений, содержащем два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращения одного из них и манометр, вмонтированные в цилиндры, Соотношение между лиамет

рами выбирают 1:1,08 при условии, что

Он-1)вн)АЦ1)н-Ввн)ЦВц-1)(пп},|

где DH - диаметр наружного цилиндра;

) 16; d 2; h 1,2,3,4,5 DQH диаметр внутреннего цилиндр

Указанное соотношение диаметров обеспечивает величину зазора между коаксиальными цилиндрами 10 мм (при величине диаметра внутреннего цилинра 240 мм). Выбор данного соотношения объясняется особенностями внутреннего строения волокнистых суспензий. Волокнистые суспензии целлюлозно-бумажного производства представляют собой дисперсные системы, содержащие крупные частицы дисперсной фазы - волокна и маловязкую дисперсионную среду, например воду. Гибкие и тонкие волокна fдлиной 2-3 мм толщиной 0,035 мм) образуют в суспензии путем контактов между собой трехмерную структурную сетку зацеплений, достаточно неоднородную, состоящую из крупных структурных образований - флокул величиной 68 мм в диаметре. Исследование подобных систем можно производить в устройстве, в котором зазор между коаксиальными цилиндрами в несколько ра больше геометрических ра.змеров частиц дисперсной фазы - волокон и флокул. Это необходимо для обеспечения условия равномерного нестесненого расположения волокнистой суспензии между измерительными поверхностями коаксиальных цилиндров. Исходя из этого условия, оптимальный боковой зазор между поверхностями коаксиальных цилиндров 10 мм. При наложении сдвиговых течений тремерная сетка деформируется и в ней появляются неодинаковые по величине нормальные напряжения Р, действуйщие в направлении сдвигового течения, и действующие в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига, т.е. возникает первая разность нормальных напряжений 6

-Ру2При небольших скоростях течения

в волокнистой суспензии сохраняется трехмерная структурная сетка в виде стержневого течения. По мере увеличения скоростей сдвига (при определенной величине зазора между коаксиальными цилиндрами, равной 10 мм) трехмерная структурная сетка начинает постепенно разрушаться в направлении от стенки внутреннего цилиндра к наружному. В результате в зазоре между коаксиальными цилиндрами при вполне определенном значеНИИ скорости сдвига трехмерная структурная сетка целиком разрушает ся и устанавливается сдвиговое (слоистое) течение с почти линейным профилем скоростей. Вследствие стру турных изменений в трехмерной волок нистой сетке нормальные напряжения, характеризующие внутренние прочност ные свойства сетки, также претерпевают соответствующие изменения. Упомянутый режим сдвигового тече ния устанавливается только в том случае, когда в зазоре существует однородное поле скоростей сдвига и напряжений, т.е. когда соотношение диаметров внутреннего Dgii и нару ного DH цилиндров составляет 1:1,08 при (В,-1))н-Оец 4Юц-Бйн11+ 1 -М. где(Бн-1)вн),16, d 2-, И 1,2,3,4,5. Незначительное отступление от ук занного соотношения диаметров цилиндров в сторону уменьшения зазора приблизительно на 1,5-2 мм) способ ствует образованию значительныхзон неоднородных по концентрации. Изменение соотношения диаметров цилиндров в сторону увеличения зазора (на 2-3 мм) между цилиндрами приводит к образованию в зазоре неоднородного поля скоростей сдвига и напряжений, к нарушению линейного профиля скоростей, что способствует сохранению в некоторой части зазора трехмерной волокнистой сетки, стерж невого течения, которое искажает измеряемые величины нормальных напр жений, так как увеличивается соотно шение .д вн , Нарушение данного соотношения диа метров цилиндров не позволяет зафиксировать важный для производственных гидравлических машин параметр работы - наступление полного разрушения трехмерной волокнистой сетки и соответствующие им значения нормальных напряжений. Выполнение размеров цилиндров в указанном соотношении диаметров позволяет не только измерять нормаль ные напряжения в волокнистых суспен зиях, но и точно зафиксировать крити ческие режимы, при которых происходят значительные изменения в стру туре волокнистых сеток, соответствующие смене режимов течения. На чертеже приведена схема данного устройства. В наружном цилиндре 1 концентрично расположен внутренний цилиндр 2 с зазором 3, который опирается на подшипники 4 и оси 5. Наружный цилиндр 1 опирается -на подшипники 6 и приводится во вращение электродвигателем 7 через коробку 8 скоростей и; коробку передач 9. Зазор 3, в который помещают исследуе.мый материал, в верхней части открыт на воздух. Измерительные трубки-микроманометры 10 внутреннего цилиндра - соединены с вакуумированным объемом 11, внешний манометр 12соединен с атмосферой. Линейка 13служит для измерения высоты столба волокнистой суспензии. Для проверки соосности расположения внутреннего цилиндра 2 относительно наружного цилиндра 1 и исключения влияния биений на результаты показаний в случае неправильной установки цилиндров устройство снабжено тензометрическим датчиком 14, соединенным поводком с внутренним цилиндром 2, и самопишущим электронным.мостом 15. Устройство работает следующим образом. Приводят в движение наружный ци- , линдр 1. В случае неправильной уст новки внутреннего цилиндра.2 в наружном цилиндре 1 на ленте самопишущего электронного моста записывается кривая, на которой значения разности между максимальными и минимальными значениями показаний достигают 10 мм. В случае правильной установки цилиндров разность показаний между максимальными и минимальными значениями показаний 2-3 . Далее заполняют зазор 3 исследуемым материалом таким образом, что его уровень находится на середине шкалы внешнего манометра 12. Внутренние микроманометры 10 соединяются с вакуумированным объемом 11 таким образом, что уровень жидкости в них также предварительно установлен на середине линейки 13. Наружный цилиндр 1 приводят во вращение со строго заданной скоростью. Показания давлений в манометрах снимают без остановки работы устройства. Величины давлений Р;| и Р , измеренные на поверхностях наружного 1 и внутреннего 2 цилиндров соответственно, подставляются в формулу для вычисления первой разности нормальных напряжений: ЛР (Рл-Рг) 6.-о .p.-iL где Р., - величина нормального напряжения, действующая в направлении сдвигового течения} величина нормального напряже.. ния, действующего в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига

H-IBH

ср

,м-.

Аг - величина зазора 3 между коаксиальными цилиндрами 1 и 2.

Таким образом,предлагаемое устройство позволяет расширить круг исследуемых материалов при измерении нормальных напряжений, а именно измерять нормальные напряжения в волокнистых суспензиях,и контролироватсостояние структуры потока движущейся суспензии. Полученные значения нормальных напряжений дают возможность выбрать оптимальные режимы работы и параметры проточных частей гидравлических машин, применяемых в целлюлозно-бумажной прс 1ышленност в частности напорных ящиков бумагоделательных машин, работа которых определяет качество готовой бумаги.

Кроме того, при проектировании систем гидротранспорта волокнистых суспензий целлюлозно-бумажной промьишенности знание величин нормальных напряжений позволяет найти оптимальные параметры транспортирующих систем и, тем самым, снизить расходы энергии.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ HBI EPEUHfl .НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее |два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращения одного из них и манометры, вмонтированные в цилиндры, отличающееся тем, что, с целью расширения класса измеряемых материалов за счет измерения водно-волокнистых суспензий, соотношение между диаметра ми выбирают 1:1,08 при условии, что (н-ивн

//

./J

П

//Г

Qi

1Ъ

7f

ч,

Ю

Ш