RU2393007C1

RU2393007C1 - Plant for investigation of kinetics of particle dispersion in fluid media at influence of motor disturbances

Info

Publication number: RU2393007C1
Application number: RU2009122171/28A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Вячеславович Семенов (RU); Геннадий Вячеславович Семенов; Марина Николаевна Орешина (RU); Марина Николаевна Орешина
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-06-27

Abstract

FIELD: measurement equipment. ^ SUBSTANCE: invention refers to qualitative and quantitative analysis of disperse systems, to raw material processing industry, to food, chemical and other productions by using dispersion processes. Plant for investigation of kinetics of particle dispersion on fluid media at influence of pressure disturbances includes the housing made in the form of U-shaped impact tube the one shoulder of which is longer than the other one by several times, and on the shorter shoulder there made is rectangular chamber with openings; drops introduction device; device of creation and introduction of impact pressure pulses to the tube, which includes a tight chamber in the centre of which there located are two electrodes located opposite each other with possibility of changing the distance between them and connected by means of high-voltage cable to generation system of electrical pulses, and flexible membrane installed between the tight chamber and the housing; pressure pulse recording device; dispersion kinetics recording device; lighting equipment and device for investigation of dispersity of emulsions and suspensions. ^ EFFECT: observation of the drop breaking process in real time mode, improving accuracy and sensitivity of pulse parametre recording, accumulation of data and calculation of the results characterising the dispersion kinetics. ^ 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области качественного и количественного анализа дисперсных систем, а также к области переработки сырья, к пищевым, химическим и другим производствам с использованием процессов диспергирования.The invention relates to the field of qualitative and quantitative analysis of disperse systems, as well as to the field of processing of raw materials, to food, chemical and other industries using dispersion processes.

Известны установки для анализа разрушения струй и отдельных капель в газовой среде [Дитякин Ю.Ф. Распыливание жидкостей. - М.: Машиностроение, 1977. - 207 с.]. В этих установках с помощью распылительных форсунок происходит формирование струй и капель, которые обдуваются газовым потоком определенной интенсивности. Процесс взаимодействия струй и капель с газовым потоком регистрируется с помощью скоростной кинокамеры, покадровый просмотр материалов съемки позволяет выявить закономерности кинетики их разрушения.Known installations for the analysis of the destruction of jets and individual drops in a gaseous medium [Dityakin Yu.F. Spraying liquids. - M.: Mechanical Engineering, 1977. - 207 p.]. In these installations, using spray nozzles, jets and droplets are formed, which are blown by a gas stream of a certain intensity. The process of interaction of jets and droplets with a gas stream is recorded using a high-speed movie camera; frame-by-frame viewing of the survey materials makes it possible to reveal the laws of the kinetics of their destruction.

При использовании этих установок невозможно исследовать дробления струй и капель в жидкой среде, достаточно трудно регулировать и регистрировать скорость потока среды и другие параметры процесса диспергирования (в частности, размер частиц дисперсных фаз в процессе их дробления), а поэтому невозможно корректно охарактеризовать кинетику процесса диспергирования того или иного вещества в газовом потоке.Using these facilities, it is impossible to study the crushing of jets and drops in a liquid medium, it is rather difficult to control and record the flow rate of the medium and other parameters of the dispersion process (in particular, the particle size of the dispersed phases during their crushing), and therefore it is impossible to correctly characterize the kinetics of the dispersion process or other substance in the gas stream.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой установке является установка для изучения дробления капель набегающим потоком жидкости при воздействии возмущений давлений, включает корпус, выполненный в виде длинной U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече имеется прямоугольная камера с окнами, расположенными напротив друг друга, устройство ввода капель, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления и устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования и осветительные приборы [Орешина М.Н. Разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока: дис. канд. техн. наук. - Орел, 2001. - 126 с.].The closest in technical essence to the claimed installation is the installation for studying droplet crushing by an oncoming liquid flow under the influence of pressure disturbances, includes a housing made in the form of a long U-shaped shock tube, one shoulder of which is several times longer than the other, on the smaller shoulder there is a rectangular chamber with windows located opposite each other, a device for introducing drops, a device for creating and introducing shock pressure pulses into the pipe and a device for recording pressure pulses, equipment for registration of dispersion kinetics and lighting devices [Oreshina M.N. Development of a pulsed homogenizer based on studies of crushing of fat globules of milk: dis. Cand. tech. sciences. - Eagle, 2001. - 126 p.].

Длинная U-образная ударная труба служит для прохода по ней ударных импульсов давления и для устранения из поля зрения отраженных волн давления. Отраженные волны давления появляются за счет отражения исходных волн от крышки противоположного конца трубы и возращения их в зону эксперимента. При длинной трубе за время эксперимента отраженные возмущения не успевают возвратиться в зону эксперимента. Прямоугольная камера с окнами, расположенная на одном из концов ударной трубы, служит для реализации в ней экспериментов и наблюдения за ними. В нижней части этой камеры устанавливается устройство ввода капель, через которое в нее поступает жидкость в виде отдельных капель, всплывающих в воде. Устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления представляет собой герметичную камеру, содержащую боек, которая отделена от ударной трубы разрывной мембраной. Герметичная камера наполняется воздухом до давления 0,3…2 МПа. После наполнения разделяющая мембрана прорывается нажатием бойка. В результате формируется импульс давления, распространяющийся по трубе.The long U-shaped shock tube serves to pass shock pressure pulses along it and to eliminate reflected pressure waves from the field of view. Reflected pressure waves appear due to the reflection of the initial waves from the cap of the opposite end of the pipe and their return to the experimental zone. With a long pipe, during the experiment, the reflected disturbances do not have time to return to the experimental zone. A rectangular chamber with windows located at one end of the shock tube serves to carry out experiments and monitor them. In the lower part of this chamber, a droplet-in device is installed, through which liquid enters into it in the form of separate droplets floating in water. The device for creating and introducing pressure shock pulses into the pipe is a sealed chamber containing a hammer, which is separated from the shock pipe by a bursting disc. The sealed chamber is filled with air to a pressure of 0.3 ... 2 MPa. After filling, the separating membrane breaks by pressing the striker. As a result, a pressure pulse propagates through the pipe.

Параметры импульса в трубе измеряются с помощью устройства регистрации импульсов давления, содержащего тензометрический датчик давления, тензометрический усилитель и шлейфовый осциллограф, используемый в качестве регистратора. Записи осциллографа расшифровываются с помощью тарировки используемых датчиков давления в статических условиях. Процесс взаимодействия импульса давления и капель фиксируется аппаратурой для регистрации кинетики диспергирования - скоростной кинокамерой. Осветительные приборы служат для улучшения качества съемки.The pulse parameters in the pipe are measured using a pressure pulse recording device containing a strain gauge pressure transducer, a strain gauge amplifier, and a loop oscilloscope used as a recorder. The records of the oscilloscope are decrypted using the calibration of the pressure sensors used in static conditions. The process of interaction of the pressure pulse and drops is fixed by the apparatus for recording the dispersion kinetics - a high-speed movie camera. Lighting devices are used to improve the quality of shooting.

Недостатком такой установки является невозможность анализа эксперимента и расчета результатов в режиме реального времени, это связано с тем, что требуется некоторое время для проявки материалов киносъемки. Другим недостатком является отсутствие гибкого регулирования и регистрации параметров импульсов, что приводит к ряду ограничений при использовании такой установки для исследования кинетики диспергирования. Так как мембрану после каждого эксперимента необходимо заменять, данная установка не является экономичной и эргономичной.The disadvantage of this setup is the inability to analyze the experiment and calculate the results in real time, this is due to the fact that it takes some time for the development of filming materials. Another disadvantage is the lack of flexible regulation and registration of pulse parameters, which leads to a number of limitations when using such a setup to study the dispersion kinetics. Since the membrane must be replaced after each experiment, this installation is not economical and ergonomic.

Изобретение позволяет наблюдать за процессом дробления капель в режиме реального времени. Изобретение решает задачу повышения точности и чувствительности регистрации параметров импульсов. Вместе с тем изобретение решает задачу накопления данных и расчета результатов, характеризующих кинетику диспергирования. Изобретение позволяет также проводить сравнительные анализы по дроблению частиц эмульсий и суспензий и капель модельной жидкости в жидкой среде. Изобретение позволяет сделать экспериментальное исследование более экономичным, так как в данной установке при передаче импульсов мембрана только деформируется, но не разрушается.The invention allows to observe the process of crushing drops in real time. The invention solves the problem of increasing the accuracy and sensitivity of the registration of pulse parameters. However, the invention solves the problem of accumulating data and calculating the results characterizing the kinetics of dispersion. The invention also allows for comparative analysis of the crushing of particles of emulsions and suspensions and drops of model fluid in a liquid medium. The invention allows to make an experimental study more economical, since in this installation, when transmitting pulses, the membrane only deforms, but does not collapse.

Поставленные задачи решаются в предлагаемой установке для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления, включающей корпус, выполненный в виде длинной U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече выполнена прямоугольная камера с окнами, расположенными напротив друг друга, устройство ввода капель, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования и осветительные приборы, согласно изобретению устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления представляет собой герметичную камеру, в которой по центру помещен разрядник, в виде двух электродов, расположенных напротив друг друга с возможностью изменения расстояния между ними и соединенных с помощью высоковольтного кабеля с системой генерирования электрических импульсов, и гибкую мембрану, установленную между герметичной камерой и корпусом, а также дополнительно оснащено устройством исследования дисперсности эмульсий и суспензий, включающим микроскоп, фотонасадку, цифровой фотоаппарат.The tasks are solved in the proposed installation for studying the kinetics of particle dispersion in liquid media under the influence of pressure disturbances, including a housing made in the form of a long U-shaped shock tube, one shoulder of which is several times longer than the other, a rectangular camera with windows is made on the smaller shoulder, located opposite each other, a device for introducing drops, a device for creating and introducing shock pressure pulses into the pipe, a device for recording pressure pulses, equipment for recording the throw dispersion kits and lighting devices, according to the invention, the device for creating and introducing shock pressure pulses into the pipe is a sealed chamber in which a spark gap is placed in the center, in the form of two electrodes located opposite each other with the possibility of changing the distance between them and connected using a high-voltage cable with a system for generating electrical impulses, and a flexible membrane installed between the sealed chamber and the housing, and is also equipped with a research device for fineness of emulsions and suspensions, including a microscope, a photographic nozzle, a digital camera.

Целесообразно, что устройство регистрации импульсов давления содержит первичный преобразователь сигналов, плату АЦП, ЭВМ.It is advisable that the device for recording pressure pulses contains a primary signal converter, an ADC board, a computer.

Целесообразно, что аппаратура для регистрации кинетики диспергирования содержит цифровую видеокамеру с USB - разъемом, соединенным с ЭВМ.It is advisable that the apparatus for recording the dispersion kinetics contains a digital video camera with a USB connector connected to a computer.

Целесообразно, что специальное программное обеспечение позволяет проводить мониторинг, обработку и архивацию полученных данных.It is advisable that special software allows monitoring, processing and archiving of received data.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена схема установки для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления; на фиг.2 показаны кадры видеосъемки; на фиг.3 представлена лицевая панель программы по исследованию дробления частиц.Figure 1 shows a diagram of an installation for studying the kinetics of dispersion of particles in liquid media under the influence of pressure perturbations; figure 2 shows the frames of the video; figure 3 presents the front panel of the program for the study of particle crushing.

Установка содержит корпус 1, выполненный в виде длинной U-образной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече имеется прямоугольная камера 2 с окнами 3, расположенными напротив друг друга, устройство 4 ввода капель 5, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, представляющее собой герметичную камеру 6, в которой по центру помещен разрядник 7, в виде двух электродов, расположенных напротив друг друга, соединенных с помощью высоковольтного кабеля 8 с системой генерирования электрических импульсов 9, между герметичной камерой и корпусом установлена гибкая мембрана 10, устройство регистрации импульсов давления: первичный преобразователь сигналов 11, плату АЦП 12, ЭВМ 13, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования - цифровую видеокамеру 14, осветительные приборы 15, устройство исследования дисперсности эмульсий и суспензий: микроскоп 16, фотонасадку 17, цифровой фотоаппарат 18.The installation comprises a housing 1 made in the form of a long U-shaped pipe, one shoulder of which is several times longer than the other, on the smaller shoulder there is a rectangular chamber 2 with windows 3 located opposite each other, a device 4 for inputting drops 5, a device for creating and introducing a tube of pressure shock pulses, which is a sealed chamber 6, in which a spark gap 7 is placed in the center, in the form of two electrodes located opposite each other, connected using a high-voltage cable 8 to an electric impu 9, between the sealed chamber and the housing there is a flexible membrane 10, a device for recording pressure pulses: a primary signal converter 11, an ADC board 12, a computer 13, equipment for recording the dispersion kinetics - a digital video camera 14, lighting devices 15, a device for studying the dispersion of emulsions and suspensions : microscope 16, photographic nozzle 17, digital camera 18.

Мониторинг, обработка и архивация полученных данных осуществляется с помощью ЭВМ, с использованием специального программного обеспечения (ПО), обеспечивающего контроль за параметрами процесса в режиме реального времени, удобство организации человеко-машинного интерфейса, оперативный доступ к текущим параметрам процесса, наглядное представление результатов, расчет параметров процесса и формирование отчетов данных.Monitoring, processing and archiving of the obtained data is carried out using a computer, using special software (software) that provides real-time control of process parameters, the convenience of organizing a human-machine interface, quick access to current process parameters, visual representation of results, calculation process parameters and data reporting.

Устройство работает следующим образом. Например, требуется провести анализ диспергирования капель минерального масла в воде и исследование частиц жира в составе молока при воздействии импульсных возмущений давления и выполнить сопоставление полученных результатов.The device operates as follows. For example, it is required to analyze the dispersion of drops of mineral oil in water and study the particles of fat in the composition of milk under the influence of pulsed pressure disturbances and compare the results.

Анализ диспергирования капель минерального масла в воде проводится с помощью описанной выше установки.Analysis of the dispersion of drops of mineral oil in water is carried out using the setup described above.

В корпус 1 заливают воду и присоединяют мембрану 10 и герметичную камеру 6 с помощью высоковольтного кабеля 8, соединяют разрядник 7 с системой генерирования электрических импульсов 9, в корпусе 1 установки помещают устройство 4 ввода капель 5, с помощью соединительного кабеля первичный преобразователь сигналов 11 соединяют с платой АЦП 12 и ЭВМ 13, USB - разъемами регистрирующую аппаратуру 14 соединяют с ЭВМ 13. Нажатием на шток устройства 4 ввода капель осуществляется подача капель 5 в корпус 1 установки. Далее включают систему генерирования электрических импульсов 9, которая создает последовательность электрических импульсов с фиксированной скважностью и регулируемой частотой. В узком зазоре между электродами разрядника 7 возникают искровые разряды, которые с большой скоростью из герметичной камеры 6 через гибкую мембрану 10 поступают в корпус 1. При распространении возмущений давлений по U-образной трубе происходит дробление введенных капель 5, которые через окна 3 камеры 2 фиксируются видеокамерой 14. Для улучшения качества съемки включают осветительные приборы 15.Water is poured into the housing 1 and the membrane 10 and the sealed chamber 6 are connected using a high-voltage cable 8, the arrester 7 is connected to the electric pulse generation system 9, the droplet input device 4 is placed in the installation housing 1, the primary signal converter 11 is connected with the connecting cable to the ADC board 12 and the computer 13, with USB connectors, the recording equipment 14 is connected to the computer 13. Pressing the rod of the droplet input device 4, droplets 5 are fed into the housing 1 of the installation. Next, an electric pulse generating system 9 is included, which creates a sequence of electric pulses with a fixed duty cycle and adjustable frequency. In the narrow gap between the electrodes of the spark gap 7, spark discharges arise, which enter the housing 1 at a high speed from the sealed chamber 6 through the flexible membrane 10. When pressure disturbances propagate through the U-shaped tube, the droplets 5 are crushed, which are fixed through the windows 3 of the chamber 2 video camera 14. To improve the quality of shooting include lighting devices 15.

Значения давления импульсов, распространяемых в жидкости, фиксируются устройством регистрации импульсов давления: от первичного преобразователя сигналов 11 (тензометрического датчика), установленного в боковой поверхности корпуса 1, сигнал поступает на плату АЦП 12, где преобразуется к цифровому виду, который необходим для ввода его в ЭВМ 13. Затем сигнал передается ПО, с целью мониторинга, математических преобразований и обработки его значений.The pressure values of the pulses propagating in the liquid are recorded by the pressure pulse recording device: from the primary signal transducer 11 (strain gauge sensor) installed on the side surface of the housing 1, the signal is fed to the ADC board 12, where it is converted to the digital form, which is necessary to input it into Computer 13. Then the signal is transmitted by software, for the purpose of monitoring, mathematical transformations and processing of its values.

Просмотр материалов видеосъемки осуществляется с помощью ЭВМ. ПО позволяет также оценить размеры раздробленных капель.Viewing video materials is carried out using a computer. The software also allows you to estimate the size of fragmented droplets.

Процесс диспергирования исследовался при разных значениях амплитуды и частоты импульсов. Изменение амплитуды созданных ударных импульсов обеспечивают путем изменения расстояния между электродами разрядника 7, а частоту изменяют с помощью переключателя системы генерирования импульсов 9.The dispersion process was studied at different values of the amplitude and frequency of the pulses. A change in the amplitude of the generated shock pulses is provided by changing the distance between the electrodes of the spark gap 7, and the frequency is changed using the switch of the pulse generating system 9.

Регулирование размера капель фазы достигают путем варьирования частотой и амплитудой импульсов. Чем выше значение частоты и амплитуды импульсов, тем меньше размеры раздробленных частиц.Phase droplet size control is achieved by varying the frequency and amplitude of the pulses. The higher the frequency and amplitude of the pulses, the smaller the size of the fragmented particles.

Эти характеристики и измеряют в ходе эксперимента. С системы генерирования электрических импульсов 9 значения частоты передаются ЭВМ 13, где с помощью ПО, содержащего виртуальный осциллограф для мониторинга данных и виртуальные устройства для записи в файл, производится генерация отчета об изменении этих параметров во времени.These characteristics are measured during the experiment. From the system of generating electrical pulses 9, the frequency values are transmitted to the computer 13, where using a software containing a virtual oscilloscope for monitoring data and virtual devices for writing to a file, a report is generated on the change in these parameters over time.

Исследование частиц жира в составе молока при воздействии импульсных возмущений давления проводят следующим образом.The study of fat particles in the composition of milk under the influence of pulsed pressure disturbances is carried out as follows.

В корпус 1 установки заливают молоко, далее собирают установку, затем данную жидкость обрабатывают импульсами давления. После обработки отбирают пробу продукта, разбавляют водой и помещают в микроскоп 16. Поле зрения микроскопа регистрируют фотокамерой 18, соединенной с микроскопом 16 с помощью фотонасадки 17. С фотокамеры 18 изображения передаются в ЭВМ 13, где проводится их обработка, измеряются размеры частиц и характер их распределения.Milk is poured into the unit body 1, then the unit is collected, then this liquid is treated with pressure pulses. After processing, a product sample is taken, diluted with water and placed in a microscope 16. The field of view of the microscope is recorded with a camera 18 connected to a microscope 16 using a photographic nozzle 17. Images are transmitted from a camera 18 to a computer 13, where they are processed, particle sizes and their nature are measured distribution.

Далее проводилось сравнение результатов исследования дробления капель и дробления жировых частиц в составе молока. Стадии дробления капель минерального масла под действием возмущений давлений представлены на фиг.2. Лицевая панель программы по исследованию жировых частиц молока, разработанная с использованием среды IMAQ Vision Builder, представлена на фиг.3.The following was a comparison of the results of the study of droplet crushing and crushing of fat particles in the composition of milk. Stage crushing droplets of mineral oil under the action of pressure disturbances are presented in figure 2. The front panel of the program for the study of fatty particles of milk, developed using IMAQ Vision Builder, is presented in figure 3.

Техническим результатом является обеспечение наблюдения за процессом дробления капель в режиме реального времени, повышение точности и чувствительности регистрации параметров импульсов, накопление данных и расчет результатов, характеризующих кинетику диспергирования, проведение сравнительных анализов по дроблению частиц эмульсий, суспензий и капель модельной жидкости в жидкой среде, повышение экономичности и эргономичности экспериментального исследования, путем увеличения срока службы мембраны и сокращения при этом времени на сборку-разборку установки.The technical result is to monitor the process of droplet crushing in real time, increase the accuracy and sensitivity of recording parameters of pulses, accumulate data and calculate the results characterizing the kinetics of dispersion, conduct comparative analyzes on the crushing of particles of emulsions, suspensions and drops of model fluid in a liquid medium, increase cost-effectiveness and ergonomics of the experimental study, by increasing the service life of the membrane and reducing the time at the same time orc-dismantling plant.

Claims

1. Installation for studying the kinetics of dispersion of particles in liquid media under the influence of pressure disturbances, including a housing made in the form of a U-shaped shock tube, one shoulder of which is several times longer than the other, on the smaller shoulder there is a rectangular chamber with windows located opposite each other , a device for introducing drops, a device for creating and introducing shock pressure pulses into a pipe, a device for recording pressure pulses, equipment for recording dispersion kinetics and lighting devices, excellent This is because the device for creating and introducing shock pressure pulses into the tube is a sealed chamber in which a spark gap is placed in the center, in the form of two electrodes located opposite each other with the possibility of changing the distance between them and connected using a high-voltage cable to an electric generating system pulses, and a flexible membrane installed between the sealed chamber and the housing, and is also equipped with a device for studying the dispersion of emulsions and suspensions, including micro cop fotonasadku, digital camera.

2. The installation according to claim 1, characterized in that the pressure pulse recording device comprises a primary signal converter, an ADC board, a computer.

3. Installation according to claim 2, characterized in that the apparatus for recording the dispersion kinetics comprises a digital video camera with a USB connector connected to a computer.

4. The installation according to claim 3, characterized in that the special software allows monitoring, processing and archiving of the received data.