BADANIE WŁAŚCIWOŚCI PROCESU CIĄGŁEJ SEDYMENTACJI WIELOSTRUMIENIOWEJ

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rk 001, Rcznik 1, Nr 1 (1/) Archives f Fundry Year 001, Vlume 1, Bk 1 (1/) PAN - Katwice PL ISSN 164-5308 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI PROCESU CIĄGŁEJ SEDYMENTACJI WIELOSTRUMIENIOWEJ Z. NIEDŹWIEDZKI 1 Plitechnika Łódzka, Zakład Odlewnictwa, ul. Stefanwskieg 1, 90-94 Łódź STRESZCZENIE Przedstawin badania prcesu ciągłej sedymentacji wielstrumieniwej z rzwjem ruchu laminarneg zawiesiny raz cenę jakściwą i ilściwą zależnści wyników dświadczalnych d teretycznych. Key wrds: funding, settling tank, sedimentatin. 1. WSTĘP W prcesach naturalnych raz wytwórczych występują zawiesiny, w których fazę rzprszną stanwią cząstki fazy stałej, zaś fazą rzpraszającą jest najczęściej wda. W celu zwiększenia skutecznści prcesu sedymentacji cząstek zawiesznych w cieczy zastswan urządzenia umżliwiające pdzielenie przepływu na wiele strug. Urządzenia te kreśln jak sadniki wielwarstwwych bądź wielstrug wych przepływach, zwane też sadnikami wielstrumieniwymi lub z wypełnieniem. Z uszeregwania przemysłwych prcesów sedymentacji według strumienia bjętści zawiesiny i wymiarów sadników na pierwszym miejscu wysuwa się hutnictw, następnie gó r- nictw raz gspdarka kmunalna, dalsze miejsca zajmują przemysł chemiczny i spżywczy. W przemyśle dlewniczym stsuje się szereg urządzeń, w których występuje pilna ptrzeba efektywneg rzwiązania prblemu czyszczania wdy biegwej w zamkniętych układach. D urządzeń takich mżna zaliczyć: mkre dpylacze gazów żeliwiakwych, urządzenia d mkrej regeneracji mas frmierskich, czyszczarki wdne wraz z 1 dr inż., e-mail: ajpkiewicz@ ck-sg.p.ldz.pl 01

układami d regeneracji mas frmierskich umżliwiającymi dzyskiwanie piasku kwarcweg, urządzenia d dpylania stanwisk czyszczania dlewów, urządzenia d dpylania innych stanwisk realizujących prcesy prdukcyjne wytwarzania dlewów. Obecny rzwój nwych rzwiązań knstrukcyjnych wypełnień wymaga dalszych prac teretycznych, które uwzględniałyby dtychczas pmijane wielkści prcesu s e- dymentacji wielstrumieniwej i stwrzyłyby przesłanki d pełneg wykrzystania właściwści prcesu sedymentacji z rzwjem ruchu laminarneg zawiesiny w przewdzie wypełnienia sadnika.. CECHY OGÓLNE PRZEWODÓW OSADNIKÓW WIELOSTRUMIENIOWYCH Przewdy wypełnienia wielstrumieniweg psiadają mały prmień hydrauliczny i pracują z kreślną laminarnścią charakteryzwaną przez dpwiednią wartść liczby Reynldsa Re 500 i stabilnścią charakteryzwaną przez dpwiednią wartść liczby Frude a Fr 10-5. Typwe elementy płaskie (5 ) raz strme, częst knstrukcji krzyżwej, są wyknywane jak prefabrykaty z twrzyw sztucznych (PCV, ABS). Elementy strme psiadają najczęściej przewdy wymiarach: długść k. 1 m, szerkść 0,76 m i głębkści 0,051 m lub długść 0,61 m i przekrój 0,051 x 0,051 m. Zaleca się nachylenie przewdu pd kątem większym niż 45 (60 ) jak samczyszczające się i przewdy płaskie (5 ) lub pzime. Szereg danych z zakresu działania i knstruwania sadników wielstrumieniwych mówin w pracach [1,4,5]. Praktyczne zastswanie teg typu sadników mówin w pracach [,3]. Wykrzystanie mżliwści sadników wielstrumienwych jest becnie niewystarczające, w szczególnści brak jest tych urządzeń w zakładach dlewniczych. Wydaje się zatem za celwe rzwinięcie i uściślenie dalszych rzważań teretycznych nad m żliwściami zastswania prcesu sedymentacji w przewdzie raz zweryfikwanie wnisków uzyskanych z analizy wyników teretycznych i dświadczalnych. 3. STANOWISKO DOŚWIADCZALNE BADANIA WŁAŚCIWOŚCI WYPEŁNIENIA PŁYTOWEGO Ogólny wygląd stanwiska dświadczalneg d badania właściwści wypełnienia wielstrumieniweg przedstawin na rysunku 1. Przepływ bjętści zawiesiny przez segment wielstrumieniwy regulwan ręcznie d zadanej wartści według wskazań przepływmierza (6). Segment psiada przewód pdstawwy głębkści 50 mm i szerkści 150 mm nachylany d 0 0 d 75 0. Długść knstrukcyjna przewdu wynsi kł 830 mm. Segment wypełnienia (1), wypsażn w kmplet przegród wymiarach 800x150x1,5 mm wyknanych z blachy. 0

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 1. Stanwisk dświadczalne segmentu wielstrumieniweg 1- segment wypełnienia, - zbirnik główny, 3 - zbirnik przejściwy, 4, 5 - belka z wieszakiem, 6 - przepływmierz, 7 - przewód gumwy, 8 - przewód winylwy, 9 - wrek z plietylenu, 10 - ramka, 11 - budwa kraty ściekwej Fig. 1 Experimental mdel f multijet sectin. 1- segment f fulfillment, - tank main, 3 - transitinal tank, 4, 5 - beam with hanger, 6 - flwmeter, 7 - rubber hse, 8 - vinyl cnduit, 9 - plyethylene bag, 10 - frame, 11 - casing f effluent grid Całść segmentu wielstrumieniweg wyknan ze szkła rganiczneg, w celu łatwiejszej bserwacji przepływu zawiesiny. Zbirnik główny wymiarach 1500x600x1100 mm psiada dwie ściany w płwie szklne, c ułatwia bserwację prcesów zachdzących we wnętrzu segmentu. 4. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań był eksperymentalne kreślenia stężenia zawiesiny w dpływie z wypełnień płytwych różnych wielkściach gemetrycznych, przez które z różnymi prędkścim przepływały zawiesiny. Zakres badań bejmwał: 1. Badanie zależnści stężenia zawiesiny w dpływie d stężenia zawiesiny w dpływie dla dziewięciu różnych stężeń zawiesiny w dpływie (1; ; 3; 4; 5; 8; 9, 15 raz 19 kg/m 3 ), czterech różnych prędkści przepływu (110-3 ; 510-3 ; 1010-3 raz 1510-3 m/s), 03

trzech różnych głębkści przewdu (0,0114; 0,043 raz 0,050 m) raz dwóch różnych nachyleń przewdu (55 i 60).. Badanie zależnści stężenia zawiesiny w dpływie d średniej prędkści przepływu zawiesiny dla czterech różnych prędkści (110-3, 510-3, 1010-3 i 1510-3 m/s) dla przewdu głębkści 0,050 m nachylneg pd kątem 60, w którym przepływa zawiesina stężenia w dpływie 3 kg/m 3. 3. Badanie zależnści stężenia zawiesiny w dpływie d głębkści przewdu dla trzech różnych głębkści przewdu (0,0114; 0,043 i 0,050 m) nachylneg pd kątem 55 dla stężenia zawiesiny w dpływie 5 kg/m 3 i prędkścią przepływu 1010-3 m/s. 4. Badanie zależnści stężenia zawiesiny w dpływie d kąta nachylenia przewdu dla czterech różnych nachyleń (0, 40, 60 raz 75) przewdu głębkści 0,050 m, dla stężenia zawiesiny w dpływie 5 kg/m 3 i prędkścią przepływu 510-3 m/s. Badanie prcesu sedymentacji zawiesiny ziarnistej w segmencie (wypełnieniu płytwym) raz dpwiednie bliczenia przeprwadzn w zakresie: - kryterium Reynldsa Re = 30,1 40,8 - kryterium Frude a Fr = 0,8410-5 119,54810-5. D bliczeń liczb kryterialnych stswan następujące wzry: gdzie: x z V p R h x x z V p Rh Vp, Re Rh, Fr, z R g - głębkść przewdu, - szerkść przewdu, - średnia prędkść przepływu zawiesiny w przewdzie, - lepkść kinematyczna zawiesiny, g - przyspieszenie ziemskim. h 5. OCENA WYNIKÓW OBLICZEŃ TEORETYCZNYCH ORAZ WYNIKÓW DO- ŚWIADCZALNYCH BADAŃ PROCESU CIĄGŁEJ SEDYMENTACJI W SEGMENCIE WYPEŁNIENIA 5.1. Metdyka bliczania Skutecznść sadnika, przewdu jest wielkścią kreślaną pprzez wartści st ężenia zawiesiny na wejściu d sadnika, przewdu raz stężenia zawiesiny puszczającej przewód, sadnik wielstrumieniwy. Wartść stężenia zawiesiny puszczającej przewód, sadnik zawiera w sbie właściwści klasyfikujące cedzące przewdu, wypełnienia, z teg względu zdaniem autra należy tak dużą uwagę przywiązywać d jej analizy. Stężenie zawiesiny Z ze puszczającej przekrój wyltwy warstwy śrdkwej przewdu bliczan z uwzględnieniem zmiany lepkść zawiesiny wywłanej stężeniem cząstek raz wyniku analizy ziarnwej uzyskaneg za pmcą wagi sedymentacyjnej. Wa r- 04

ARCHIWUM ODLEWNICTWA tść pla prędkści wygenerwaneg w parciu zmdyfikwane równania pla prę d- kści z rzwju ruchu laminarneg, gdzie składwa prędkść wzdłużnej U y (x,y) dla głębkści x=x przyjmwan równą wartści prędkści zsuwania V zs w zależnści d kąta nachylenia przewdu. Stężenie zawiesiny Z ce [teretyczne (T)] puszczającej cały przekrój wyltwy przewdu bliczan z uwzględnieniem wartści funkcji współczynnika wyrównania stężenia zawiesiny s[(z /x ),V p ] [5]. Długść dcinka rzwju ruchu laminarneg bliczan z relacji y C V pk k dhk (1) gdzie: wartści C k uzyskan z interplacji wyników dświadczalnych zamieszcznych w pracy[5], d hk =(x z )/(x +z ). 5.. Omówienie i cena wyników badań zależnści stężenia zawiesiny d wybranych wielkści prcesu sedymentacji Wyrywkwą prezentację wyników teretycznych (T) i dświadczalnych(d) zależnści stężenia zawiesiny w dpływie: Z (Z d ), Z (V p ), Z (x ) raz Z () przedstawin na rys. d d 5, gdzie: Z d jest stężeniem zawiesiny w dpływie a kątem nachylenia przewdu. p 0.30 wis D T 0.60 wis D T 0.0 0.10 0.0 PV05X1N0 0.00 0 4 8 1 16 0 3 Z, kg/m PZOVPV0 0.00 0 4 8 1 16 V. 3 10, m/s Rys.. Zależnść Z (Z d ) Rys. 3. Zależnść Z (V p ) Fig.. Dependence Z (Z d ) Fig. 3. Dependence Z (V p ) 05

1.00 0.80 wis D T 0.60 wis D T 0.60 0.0 PZOXV30 0.0 1 3 4 5 6 x. 10, m Rys. 4. Zależnść Z (x ) Fig. 4. Dependence Z (x ) 0.00 PZOBEV0 0 0 40 60 80 Rys. 5. Zależnść Z () Fig. 5. Dependence Z () Nawet z wyrywkwej prezentacji ceny zależnści dświadczalnych (D) raz teretycznych (T) wynika, że jest zachwany identyczny charakter zależnści raz dbra ich wzajemna krelacja. 5.3. Weryfikacja zależnści stężenia zawiesiny kreślneg dświadczalnie d stężenia zawiesiny bliczneg teretycznie Pza ceną charakteru funkcji Z (Z d ), Z (V p ), Z (x ) raz Z () uzyskanych z dświadczeń i bliczeń teretycznych dknan również ceny ilściwej zgdnści wyników dświadczalnych z teretycznymi. Analiza zgdnści dtyczy wartści stężenia zawiesiny w dpływie, którą kreślan dświadczalnie Z ds raz bliczan teretycznie Z ce dla mdelu z rzwjem ruchu laminarneg. Dla ceny wzrkwej na rys. 6 przedstawin zbiór par danych (Z ce, Z ds ) raz ich aprksymantę. Ocenę ilściwą rzpczęt d testu współczynnika krelacji r (Z ce, Z ds ). Pdczas testu współczynnik krelacji dla dwuwymiarwej zmiennej lswej (Z ce, Z ds ), która w ppulacji generalnej ma rzkład nrmalny lub zbliżny d nrmalneg, ze zbirwści tej wylswan próbkę n = 130 elementach, na, której zweryfikwan hiptezę braku krelacji między zmiennymi Z ce, Z ds tzn. H : = 0 wbec hiptezy alternatywnej H 1 : 0. Wartść statystyki t wyznaczn ze wzru t r 1 r n () Następnie dbran z tabeli rzkładu t- Studenta dla ustalneg pzimu isttnści P t t. i dla n- stpni swbdy wartść krytyczną t tak, że 06

t ARCHIWUM ODLEWNICTWA ; w przeciwnym przypadku, tzn. gdy t Hiptezę H braku krelacji między zmiennymi drzucamy na rzecz H 1, jeśli t t, nie mamy pdstawy d drzucenia hiptezy H. 1.0 Z ds 0.80 kg/m 3 WOBPET31 0.00 0.00 0.80 1.0 Z, kg/m3 ce Rys. 6. Zależnść Z ds (Z ce ) Fig. 6. Dependence Z ds (Z ce ) Wartść statystyki t = 63,635, natmiast wartści krytyczne wynszą dpwiedni: dla =0,05 t =0,05 = 1,9788 raz dla =0,01 t =0,01 =,615. Pnieważ t t na pzimie isttnści =0,01, zatem drzucamy hiptezę H braku krelacji między zmiennymi na rzecz H 1. Siła zależnści liniwej par danych (Z ce, Z ds ) kreśla wartść: 100r (Z ce, Z ds )=100 0,969359, która wynsi 96,94 %. Zatem 96,94 % zmiennści Z ds mżna przypisać różnicm wielkści Z ce, tzn. zależnści d Z ce. Predykcja parta na równaniach wyprwadznych metdą najmniejszych kwadratów nie pwinna być uważana za dsknałą, żeby takie predykcje stały się znaczące, należy je interpretwać jak nadzieje, tzn. jak przeciętne. Należy zatem kreślić, jak dbre są uzyskane wartści a p i b p raz szacwanie prawdziwej średniej. Zakładając, że prawdziwa średnia Z ds dla danej wartści Z ce dana jest wyrażeniem pstaci BZ ce + A, t prawdziwe średnie spełniają równanie prstej Z B Z A, (3) ds czyli Z ds =BZ ce +A nazywamy (prawdziwą ) linią regresji, zaś Z ds =b p Z ce +a p szacwaną linią regresji. Dla załżeń regresji nrmalnej statystyki mają pstać ce 07

t A S ez a p A 1 n ( Zce ) n n ( Z ) ( Z ) ce ce (4) t B bp B S ez n ( Zce ) ( Zce ) n (5) których rzkłady z próby są rzkładami t A, B z n- stpniami swbdy, gdzie S ez jest szacwaniem wielkści wspólneg dchylenia standardweg rzkładów nrmalnych średniej BZ ce + A. Standardwy błąd szacwania S ez kreśln w spsób dkładny, tzn. jak wartść pierwiastka z sumy kwadratów dchyleń pinwych d linii wyprwadznej metdą najmniejszych kwadratów pdzielną przez n-. Dla mawianeg przypadku hipteza zerwa ma pstać H :A= 0 (dla rzędnej pczątkwej prstej regresji ) wbec hiptezy alternatywnej H 1 :A 0. Dla pzimu isttnści = 0,05 i n- = 18 stpni swbdy dczytana z tabeli t - Studenta wartść krytyczna t =0,05 = 1,978 nie spełnia równści Pt t A pnieważ t A =1,6676. Zatem nie ma pwdów d drzucenia hiptezy H : A = 0. Weryfikując wartść współczynnika B prstej regresji weryfikujemy hiptezę zerwą H : B = 1 wbec hiptezy alternatywnej H 1 : B 1. Dla pzimu isttnści = 0,05 i n - = 18 stpni swbdy nie ma pwdów d drzucenia hiptezy H, pnieważ dla t B = -1,1054 i wartści granicznej t =0,05 = 1,9788 zachdzi t t B. W związku z pwyższym mżemy twierdzić na pzimie isttnści = 0,05, że nie ma pdstaw d drzucenia prawdziwej prstej regresji pstaci 6. ZAKOŃCZENIE Z ds = Z ce (6) Celem prezentacji był przedstawienie wyników badań teretycznych i dświa d- czalnych prcesu sedymentacji z rzwjem ruchu laminarneg zawiesiny w przewdzie wypełnienia wielstrumieniweg sadnika, jak również wskazanie mżliwści knstruwania przesłanek efektywneg rzwiązania prblemu. D zagadnień zarówn pznawczych, jak też praktycznych zasygnalizwanych w prezentacji mżna zaliczyć: 1) Ujawnienie cech prcesu sedymentacji cząstek z rzwjem ruchu laminarneg zawiesiny w mdelu matematycznym ujmującym wielkść strumienia masy cząstek prze- 08

ARCHIWUM ODLEWNICTWA pływających przez elementarną pwierzchnię przekrju przewdu w zależnść d jej płżenia. ) Przedstawienie zależnści stężenia zawiesiny w dpływie d pdstawwych wielkści gemetrycznych przewdu i prędkści przepływu zawiesiny. 3) Przedstawienie ceny ilściwej wyników bliczeń teretycznych i uzyskanych z dświadczeń jak też uzyskanie znaczącej krelacji pmiędzy wynikami z bliczeń teretycznych a wynikami uzyskanymi z dświadczeń. LITERATURA [1] Kwalski W. P.: Pdstawy teretyczne prjektwania sadników z wkładami wiel - strumieniwymi. Zesz. Nauk. AGH, z. 7, nr 1500 (199). [] Kwalski W. P.: Zastswanie przemysłwe sadników wielstrumieniwych. Zesz. Nauk. Plitechniki Łódzkiej, z. 8, s. 113-118, (000). [3] Larx Thickeners, prspekt firmy LAROX, Finlandia, 1990. [4] Larssn H.F., Jönsn T.: Klarung und Eindickung im Lamellen-Eindicker. Aufbereitungs-Technik, 3, 136-139, (1975). [5] Niedźwiedzki Z.: Badania teretyczne i eksperymentalne wypełnień sadników wielstrumieniwych. Zesz. Nauk. Plitechniki Łódzkiej, z. nr 863, (000). SUMMARY STUDY OF THE CHARACTERISTICS OF THE PERMANENT MULTIJET SEDIMENTATION PROCESS The results f the research f the permanent multijet sedimentatin prcess are presented in the wrk. The estimatin f the qualitative and quantitative dependence between theretical and experimental values is given in the wrk as well. Recenzwał prf. dr hab. inż. Stanisław Jura 09