PROCES CIĄGŁEJ SEDYMENTACJI WIELOSTRUMIENIOWEJ W ZASTOSOWANIU DO URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 15/5 Archives of Foundry, Year 22, Volume 2, 5 Archiwum O dlewnictwa, Rok 22, Rocznik 2, Nr 5 PAN Katowice PL ISSN PROCES CIĄGŁEJ SEDYMENTACJI WIELOSTRUMIENIOWEJ W ZASTOSOWANIU DO URZĄDZEŃ ODLEWNICZYCH Z. NIEDŹWIEDZKI 1 Politechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa ul. Stefanowskiego 1, Łódź STRESZCZENIE Przedstawiono proces ciągłej sedymentacji wielostrumieniowej, oraz wyniki optymalizacji wypełnień osadników wielostrumieniowych przydatnych w urządzeniach odlewniczych. Key words: foundry, multijet mud boes, sedimentation. 1. WSTĘP Zwiększenie skuteczności procesu sedymentacji cząstek zawiesiny umożliwi podzielenie jej przepływu na wiele strug. Dokonuje się to w osadnikach wielowarstwowych bądź wielostrugowych, nazywanych osadnikami wielostrumieniowymi lub z wypełnieniem [1, 3, 4]. Przemysł odlewniczy stosuje szereg urządzeń, które wymagają efektywnego rozwiązania problemu oczyszczania wody obiegowej w zamkniętych układach. Dotyczy to: mokrych odpylaczy gazów żeliwiakowych, urządzeń do mokrej regeneracji mas formierskich, oczyszczarek wodnych wraz z układami do regeneracji mas formierskich umożliwiającymi odzyskiwanie piasku kwarcowego, urządzeń do odpylania stanowisk oczyszczania odlewów, urządzeń do odpylania innych stanowisk realizujących procesy produkcyjne wytwarzania odlewów. Zagadnienia przedstawione w niniejszej publikacji umożliwiają zastosowanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych wypełnień, które uwzględniają dotychczas pomijane 1 dr inż. Zenon Niedźwiedzki, ajopkiewicz@ ck-sg.p.lodz.p

2 113 wielkości procesu sedymentacji wielostrumieniowej. Pozwala to na pełne wykorzystania właściwości procesu sedymentacji z uwzględnieniem rozwoju ruchu laminarnego zawiesiny w przewodzie wypełnienia osadnika. 2. CECHY PRZEWODÓW OSADNIKÓW WIELOSTRUMIENIOWYCH Przewody wypełnienia wielostrumieniowego posiadają mały promień hydrauliczny i pracują z określoną laminarnością charakteryzowaną przez odpowiednią wartość liczby Reynoldsa Re 5 i stabilnością charakteryzowaną przez odpowiednią wartość liczby Froude a Fr 1-5. Typowe elementy płaskie (5 o ) oraz strome, często o konstrukcji krzyżowej, są wykonywane jako prefabrykaty z tworzyw sztucznych (PCV, ABS). Elementy strome posiadają najczęściej przewody o wymiarach: długość ok. 1 m, szerokość,76 m i głębokości,51 m lub długość,61 m i przekrój,51,51 m [2]. Typowe dotychczas stosowane wypełnienia nie uwzględniają w swojej konstrukcji zakresów największej skuteczności procesu sedymentacji. 3. BEZWYMIAROWE KRYTERIUM ZAKRESU STOSOWANIA MODELI SEDYMENTACJI ZAWIESIN ZIARNISTYCH W PRZEWODZIE WYPEŁNIENIA WIELOSTRUMIENIOWEGO Efektywna sedymentacja wielostrumieniowa wymaga między innymi utrzymania w przewodzie wypełnienia laminarnego przepływu zawiesiny o dużej stabilności..1 V p m/s.1 Re Rh Fr R h, m Rys. 1. Zależności V p (R h ) dla różnych wartości Re Rh i Fr Fig. 1. Function V p ( R h ) for different values of Re Rh and Fr

3 114 Na rys. 1 przedstawiono zależności średniej prędkości przepływu zawiesiny V p od promienia hydraulicznego R h ( o zo R h gdzie: - jest głębokością przewodu, a z o z o o - jego szerokością) określone dla różnych wartości liczb Re Rh i Fr 2 Vp Rh V ( Re Rh Fr p ; ). Pozwalają one wyznaczyć pole dopuszczalnych R g h rozwiązań ze względu na prędkość przepływu zawiesiny i promień hydrauliczny V R oraz przewodu. Posługując się przedstawionymi zależnościami V R p h Fr const p h Re Rh const, można łatwo zapewnić w przewodzie warunki przepływu laminarnego o dużej stabilności. Bezwymiarowe kryterium powinno łączyć parametry przepływu z parametrami opływu wokół cząstek zawiesiny ziarnistej. Uwzględniając powyższe oraz fakt, że równania parametryczne w przepływie uśrednionym drogi cząstki w przewodzie mają postać: y W cos t (1) U b/2 W sin t (2) otrzymano zależność na prędkość względną W W y U(b/2) (3) cos sin gdzie: U(z o /2) jest średnią prędkością przepływu zawiesiny wzdłuż przewodu w płaszczyźnie y (z=z o /2, y o - długością przewodu, a - kątem jego nachylenia. Wielkość tą korzystniej będzie wyrazić poprzez średnią prędkość przepływu zawiesiny V p, korzystając ze związku U(z o / 2) Vp s, gdzie s 1 1 jest współczynnikiem ujmującym charakter profilu prędkości w przekroju środkowym przewodu, tj. w płaszczyźnie z=z o /2. Przekształcając zależność (3) do bezwymiarowej postaci, otrzymano y 1 ReRh Redg Rhd cos sin (4) s1 W dg gdzie: Redg, R hd = R h /d g. Zależność (4) ujmuje w postaci bezwymiarowej wielkości [Re Rh, Re dg, R hd, y ( cos + sin ), 1/s 1 ] procesu sedymentacji cząstek zawiesiny uwzględniając

4 115 charakter przepływu w przewodzie oraz charakter opływu wokół cząstki w sposób spójny (całościowy ) i łatwy do analizy. 4. WPŁYW WIELKOŚCI GEOMETRYCZNYCH I EKSPLOATACYJNYCH NA STĘŻENIE ZAWIESINY W ODPŁYWIE, SKUTECZNOŚĆ PRZEWODU ORAZ SKUTECZNOŚĆ OSADNIKA Model z rozwojem ruchu laminarnego jest bardziej zbliżony do rzeczywistości, w szczególności do procesów zachodzących w krótkich przewodach przy znacznych prędkościach przepływu zawiesiny. Wartość minimalna stężenia zawiesiny określona jest ekstremalnymi współrzędnymi (y o / o ), (rys. 2). Przemieszcza się ono od najmniejszych wartości i największych (y o / o ) w kierunku wyznaczonym poprzez zmniejszające się wartości (y o / o ) i zwiększające się wartości kąta. Minimalne stężenie dla przewodów o względnej długości (y o / o )=,82 1,24 zostało osiągnięte dla nachyleń z przedziału 4 o 5 o. Najmniejszą skuteczność przewodu, posiadają przewody o małej względnej długości nachylone pod dużym kątem. Zwiększenie kąta nachylenia przewodu w zakresie o 8 o intensywniej zmniejsza skuteczność przewodu niż zmniejszenie względnej długości w zakresie 4,95,82. Dla przewodów długich (y o / o ) >>1 zmniejszenie kąta nachylenia poniżej 4 o nieznacznie zwiększa skuteczność osadnika, natomiast dla przewodów krótkich powoduje ono jej zmniejszenie.,5,4,3,2,1,82 9,7 17,32 y o /o 25,57 33,81 3 Z oce, kg / m yoob5,2, o 2 C:\D3\D3DANE\yoob5.tt Rys. 2. Zależność Z oce [ (y o / o ), ] Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, V p = 31-3 m/s, 1 = 13, Pa s Fig. 2. Function Z oce [ (y o / o ), ] Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, V p = 31-3 m/s, 1 = 13, Pa s,4,3,5 Zależność stężenia w odpływie Z oce od średniej prędkości przepływu V p oraz kąta nachylenia przedstawiono na rys. 3. Jest to zależność dla przewodów o względnej długości około 33. Obszar najmniejszych stężeń w odpływie związany jest z małymi prędkościami i nachyleniami. Ponadto widać, że powiększanie nachylenia powyżej 6 o powoduje intensywniejsze zwiększanie się wartości stężenia w odpływie. Skuteczność

5 116 przewodu osiąga największe wartości dla małych nachyleń i prędkości, największą intensywność zmniejszania się skuteczności występuje dla nachyleń większych niż 6 o oraz dużych prędkości. Skuteczność osadnika podlega największym zmianom dla dużych nachyleń i prędkości. Największą skuteczność osadnika uzyskuje się dla małych nachyleń przewody. Z oce, kg / m3 c:\d3\d3dane\ betvp1.tt,6,5,4,3,2,1 betvp1,6,5,4,3,2, V. 3 p 1, m/s Rys. 3. Zależność Z oce (V p,) Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, y o =,8 m, [(y o / o )=32,99], 1 = 13, Pa s Fig. 3. Function Z oce (V p,) Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, y o =,8 m, [(y o / o )=32,99], 1 = 13, Pa s Zależność stężenia zawiesiny w odpływie Z oce od względnej długości przewodu (y o / o ) i średniej prędkości V p (rys. 4) dla procesu sedymentacji z rozwojem ruchu laminarnego ma podobny charakter, jak tego samego typu zależność dla procesu sedy mentacji z rozwiniętym ruchem laminarnym. Z oce, kg / m 3 c:\d3\d3dane\ syovp11.tt 1,2 1,,8,6,4,2,,82 9,717,32 y o/o 25,57 33, syovp11,8,6,4 1,,2, V p 1, m/s Rys. 4. Zależność Z oce [(y o / o ),V p ] Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, = 55 o, 1 = 13, Pa s Fig. 4. Function Z oce [(y o / o ),V p ] Z d = 5, kg/m 3, o =,243 m, = 55 o, 1 = 13, Pa s 1,2

6 117 Analiza zależności skuteczności, zarówno przewodu jak i osadnika, pozwala określić wpływ bariery, jaką stwarzają warunki panujące w przekroju wlotowym przewodu na wartość strumienia masy cząstek wpływających do przewodu. W podsumowaniu należy podkreślić, że nawet to skrótowe omówienie zależności i ich analiza pozwala na wybór wielkości charakteryzujących się największą efektywnością i stabilnością procesu sedymentacji w wypełnieniu wielostrumieniowym. 5. ZAKOŃCZENIE Celem prezentacji było przedstawienie wyników badań teoretycznych procesu sedymentacji z rozwojem ruchu laminarnego zawiesiny w przewodzie wypełnienia wielostrumieniowego osadnika, jak również wskazanie możliwości konstruowania przesłanek efektywnego rozwiązania problemu. Do zagadnień zarówno poznawczych, jak też praktycznych można zaliczyć: 1) Ujawnienie cech procesu sedymentacji cząstek z rozwojem ruchu laminarnego zawiesiny, które wynikają z modelu matematycznym ujmującym wielkość strumienia masy cząstek przepływających przez elementarną powierzchnię przekroju przewodu w zależność od jej położenia. 2) Przedstawienie zależności stężenia zawiesiny w odpływie od podstawowych wielkości geometrycznych przewodu i prędkości przepływu zawiesiny. LITERATURA [1] Kowalski W. P.: Zastosowanie przemysłowe osadników wielostrumieniowych. Zesz. Nauk. Politechniki Łódzkiej, z. 28, (2) [2] Laro Thickeners, prospekt firmy LAROX, Finlandia, 199. [3] Niedźwiedzki Z.: Badania teoretyczne i eksperymentalne wypełnień osadników wielostrumieniowych. Zesz. Nauk. Politechniki Łódzkiej, z. nr 863, (2). [4] Niedźwiedzki Z.: Badanie właściwości procesu ciągłej sedymentacji wielostrumieniowej. Archiwum Odlewnictwa PAN. Rocznik 1. Nr 1 (1/2), (21) APPLICATION OF CONTINUOUS MULTIJET SEDIMENTATION PROCESS IN FOUNDRY SUMMARY A process of continuous multijet sedimentation, as well as its application in founding industry, is presented. Results of an optimization of multijet mud boes fillings are shown as well. Recenzował Prof. Stanisław Jura