Лукасік Кшиштоф. Науково-технічні основи підвищення ефективності роботи та довговічності клапанних гомогенізаторів

brief description

Лукасік Кшиштоф. Науково-технічні основи підвищення ефективності роботи та довговічності клапанних гомогенізаторів: дис... д-ра техн. наук: 05.18.12 / Національний ун-т харчових технологій. - К., 2004

Лукасiк К. Науково-технічні основи пiдвищення ефективностi роботи та довговічності клапанних гомогенізаторів. - рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій, Київ, 2003.
Дисертація узагальнює результати теоретичних і експериментальних досліджень з метою підвищення ефективності та довговічності обладнання для здійснення процесу гомогенізації - клапанних гомогенізаторів тиску (ГТ).
Розроблені теоретичні передумови побудови загальної концепції оптимізації конструкції ГТ з метою підвищення довговічності їх деталей і ефективності процесу гомогенізації. Досліджено вплив конструкційно-технологічних чинників на інтенсивність і характер зношування їх деталей. Методами комп’ютерного моделювання вивчено вплив геометричних параметрів і конструкційних форм клапанів на динаміку руху дисперсних часток. Дано кількісну оцінку величини навантаження поверхневих шарів клапанів. Запропоновані методи зниження енергетичних витрат в системі клапана. Визначена зносостійкість нових конструкційних матеріалів та покриттів, які забезпечують суттєве підвищення довговічності ГТ.

Виконані експериментальні та теоретичні дослідження показали, що існують значні резерви підвищення ефективності роботи і довговічності клапанних гомогенізаторів.
Використаний в роботі системній підхід забезпечує комплексне вирішення технологічних, конструкційних, енергетичних, трібологічних та інших аспектів завдань, націлених на створення високопродуктивного і надійного конкурентоспроможного обладнання для оброблення харчових продуктів.
Одержані в роботі з використанням сучасних методів і засобів дослідження результати дають підстави відмітити наступне:
1. Встановлено, що ефективність та енергоємність процесу гомогенізації на ГТ, а також інтенсивність і характер зношування деталей клапанів (особливо на найбільш важливому початковому етапі їх експлуатації), які визначаються гідромеханічними характеристиками руху РНС, у вирішальній мірі залежать від геометричних параметрів та конфігурації клапанів.
Результати натурних спостережень, мікротопографічних досліджень та комп’ютерного моделювання показали, що характер та інтенсивність спрацювання деталей клапанів визначається інтенсивністю процесів гідроерозії, кавітації, щілинної ерозії та абразивного зношування з урахуванням корозійної активності робочих середовищ. Їх кінетика та співвідношення залежать від геометричних параметрів елементів клапанів, що обумовлює можливість керування рухом дисперсної фази, а, як наслідок, і процесами зношування.
2. Застосування комп’ютерного моделювання гідромеханічних процесів в області робочої щілини дало можливість знайти конструкторські рішення, які сприяють розділенню зон концентрації інтенсивних процесів зношування та які забезпечують суттєве (в 215 разів) зменшення інтенсивності спрацювання.
3. Встановлено, що найбільш ефективним для вирішення проблеми підвищення зносостійкості клапанів є виключення можливості розвитку кавітації у взаємозв’язку з урахуванням характеру руху дисперсної фази, i за допомогою термоактивацiйного методу виявленi зони кавiтацiйного руйнувания. При цьому вирішальне значення має дія відцентрових сил на частки дисперсної фази при їх русі в підобласті входу до щілини.
4. На підставі аналізу результатів експериментальних досліджень і спостережень, а також комп’ютерного моделювання процесу гомогенізації встановлено, що ефективність роботи ГТ визначається в основному градієнтами швидкості потоку рідини в робочій зоні клапана, які залежать від величини тиску гомогенізації та гідравлічних втрат. Показано, що ефективність використання енергії потоку для здійснення процесу гомогенізації залежить також від ступеня перемішування потоку, що може бути реалізовано розміщенням препон по ходу потоку, наявністю зон кавітації та стрибкоподібною зміною тиску в місці входу до щілини.
5. Встановлено, що підвищення ефективності роботи ГТ забезпечується підвищенням максимальної швидкості потоку в щілині, реалізація якого можлива при коротких довжинах щілин і оптимізованій висоті, а також при різкій зміні напрямку течії в області виходу із щілини.
Використовувані на практиці гомогенізаційні головки з довгими щілинами у вигляді дифузору спричинюють зростання втрат енергії і зниження ефективності процесу.
6. Показано, що енергоємність процесу гомогенізації визначається потрібною ефективністю та ступенем диспергування, котра знижується із зростанням енергетичних втрат. Величина та розподіл цих втрат залежать від характеру течії РНС та геометричних параметрів елементів клапана.
В роботі всебічно вивчено вплив форми і параметрів робочих ділянок клапана та запропоновані рекомендації з їх раціонального вибору, що забезпечує підвищення ефективності процесу гомогенізації на 311 %.
7. Запропонована залежнiсть для визначения критичноi густини потоку потужностi деформациiї, який дае можливiсть кiлькiсно оцiнити iнтенсивнiсть поверхневнего навантажения деталей клапана i порiвнювати конструктивнi рiшення системи клапана.
8. Виконаний комплекс трібологічних досліджень дав можливість визначити зносостійкість ряду матеріалів при різних видах зношування у взаємозв’язку з конструкційними факторами стосовно до клапанів ГТ.
З металевих матеріалів найвищу зносостійкість показали стеллiтові сплави, зносостійкість яких до 80 раз перевищує зносостійкість серійних деталей з сталі 20Х17Н2.
Дослідження деталей з металокерамічних матеріалів та спечених карбідів показали, що їх зносостійкість визначається матеріалом матриці з урахуванням електрохімічних характеристик робочих середовищ. Перспективними є сплави типу інконель, ніхром; сплави на основі кобальту можуть використовуватись в основному в нейтральних середовищах.
Найбільш перспективними та зносостійкими матеріалами для деталей клапанів є керамічні матеріали на основі оксидів алюмінію та цирконію. Однак, їх використання потребує вдосконалення конструкції клапана, яка виключає появу ударних навантажень (така конструкція запропонована в роботі).
9. На підставі виконаних досліджень зносостійкості різних матеріалів та покриттів розроблені рекомендації по вибору методів поверхневого зміцнення, які забезпечують суттєве підвищення довговічності плунжерів гомогенізаторів.
Застосування тонкошарових покриттів TiN, CrN, TiC, одержаних методами PA PVD, CVD з попереднім азотуванням забезпечує підвищення зносостійкості плунжерів до 6 разів порівняно із серійними.
10. Впровадження одержаних в ході виконання роботи рекомендацій з удосконалення конструкції клапана та використання зносостійких матеріалів і покриттів на ряді переробних підприємств Польщі забезпечило одержання значного економічного ефекту до 1300 дол. США (5450 PLN) на гомогенiзатор i пiдвищення якостi продукцiї.