SU1062565A1

SU1062565A1 - Normal stress measuring device

Info

Publication number: SU1062565A1
Application number: SU823416519A
Authority: SU
Inventors: Элеонора Александровна Смирнова; Отто Алексеевич Терентьев; Илья Дмитриевич Кугушев; Владимир Николаевич Гончаров
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1983-12-23

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ HBI EPEUHfl .НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержащее |два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращени одного из них и манометры, вмонтированные в цилиндры, отличающеес тем, что, с целью расширени класса измер емых материалов за счет измерени водно-волокнистых суспензий, соотношение между диаметра ми выбирают 1:1,08 при условии, что (н-ивнA device for HBI EPEUHfl. NORMAL VOLTAGES, containing two concentrically arranged cylinders for rotation of one of them and manometers mounted in cylinders, characterized in that in order to expand the class of materials to be measured by measuring water-fiber suspensions, the ratio between diameter mi choose 1: 1.08 provided that (n-ivn

Description

Изобретение относитс к гидродинамике , а точнее к реологии волокнистых суспензионных систем, и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности дл обосновани оптимальных параметров технологических процессов.The invention relates to hydrodynamics, and more specifically to the rheology of fibrous suspension systems, and can be used in the pulp and paper industry to substantiate the optimal parameters of technological processes.

Известно устройство, которое позвол ет измер ть нормальные напр жени , снабженное проход щим через нище внутреннего цилиндра игольчатым стержнем, соединенным- с датчиком нормальных напр жений Г .A device is known which permits the measurement of normal stresses, provided with a needle rod passing through a pit of an internal cylinder, connected to a sensor of normal stresses G.

Однако данный прибор сложен по конструкции. Иглообразный стержень, проход через днище внутреннего цилиндра, упираетс в коническое гнездо промежуточного цилиндра. Внутренний цилиндр заполн ют испытуемой жидкостью, внешний - ньютоноаской жидкостью и привод т во вращение в противоположном направлении.However, this device is complex in design. A needle-shaped rod, a passage through the bottom of the inner cylinder, abuts against the conical seat of the intermediate cylinder. The inner cylinder is filled with the test liquid, the outer cylinder is filled with Newtonian liquid and is rotated in the opposite direction.

. Устройство отличаетс сложностью регистрации нормальных напр жений (их замер возможен при резкой остановке вращающихс цилиндров и не позвол ет замер ть нормальные напр жени в волокнистых суспензи х.. The device is characterized by the difficulty of detecting normal stresses (they can be measured when the rotating cylinders are abruptly stopped and it is not possible to measure the normal stresses in the fiber suspensions.

Наиболее близким к изобретению вл етс устройство, состо щее из двух концентрично расположенных цилиндров, один из которых (внутренний ) установлен с возможностью вращени , и манометров, вмонтированных в цилиндры, по которым суд т о нормальных напр жени х исследуемых материалов столба жидкости в трубке зClosest to the invention is a device consisting of two concentrically arranged cylinders, one of which (internal) is rotatably mounted, and pressure gauges mounted into cylinders, which are used to judge the normal stresses of the studied materials of a liquid column in a tube.

Недостатком известного устройства вл етс невозможность измерени нормальных напр жений, возникающихA disadvantage of the known device is the impossibility of measuring the normal stresses arising

.в в зкоупругих суспензи х целлюлозно-бумажного производства, так как волокнистые суспензии целлюлознобумажного производства, представл ющие собой крупнодисперсные системы,.b in the viscoelastic pulp and paper industry suspensions, since the fibrous suspensions of the pulp and paper industry, which are coarse-dispersed systems,

не могут быть свободно загружены в зазор между коаксиальными цил.индрами ввиду соизмеримости- величин исследуемых частиц дисперсной фазы с величиной зазора. Кроме т.ого, сн тие показаний давлени с поверхности внутреннего цилиндра не представл етс возможным вследствие непрозрачности волокнистых суспензий.cannot be freely loaded into the gap between the coaxial cylinders. due to the commensurability of the values of the particles of the dispersed phase under study with the size of the gap. In addition, the reading of pressure readings from the surface of the inner cylinder is not possible due to the opacity of the fiber suspensions.

Целью изобретени вл етс расширение класса измер емых материалов за; счет измерени водно-волокнистых суспензий.The aim of the invention is to expand the class of measured materials by; water fiber measurement account.

Указанна цель достигаетс тем, что в устройстве дл измерени нормальных напр жений, содержащем два концентрично расположенных цилиндра с возможностью вращени одного из них и манометр, вмонтированные в цилиндры, Соотношение между лиаметThis goal is achieved by the fact that in a device for measuring normal stresses, containing two concentrically arranged cylinders with the possibility of rotation one of them and a manometer, mounted in cylinders, the relation between

рами выбирают 1:1,08 при условии, чтоRami choose 1: 1.08, provided that

Он-1)вн)АЦ1)н-Ввн)ЦВц-1)(пп},|He-1) int) ATS1) n-Vvn) CVTs-1) (nn}, |

где DH - диаметр наружного цилиндра;where DH is the diameter of the outer cylinder;

) 16; d 2; h 1,2,3,4,5 DQH диаметр внутреннего цилиндр) sixteen; d 2; h 1,2,3,4,5 DQH diameter of the inner cylinder

Указанное соотношение диаметров обеспечивает величину зазора между коаксиальными цилиндрами 10 мм (при величине диаметра внутреннего цилинра 240 мм). Выбор данного соотношени объ сн етс особенност ми внутреннего строени волокнистых суспензий . Волокнистые суспензии целлюлозно-бумажного производства представл ют собой дисперсные системы, содержащие крупные частицы дисперсной фазы - волокна и малов зкую 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, состо щую 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 дл обеспечени услови равномерного нестесненого расположени волокнистой суспензии между измерительными поверхност ми коаксиальных цилиндров. Исход из этого услови , оптимальный боковой зазор между поверхност ми коаксиальных цилиндров 10 мм. При наложении сдвиговых течений тремерна сетка деформируетс и в ней по вл ютс неодинаковые по величине нормальные напр жени Р, действуйщие в направлении сдвигового течени , и действующие в направлении , перпендикул рном плоскости сдвига, т.е. возникает перва разность нормальных напр жений 6 The specified ratio of diameters provides the gap between the coaxial cylinders of 10 mm (with the diameter of the inner cylinder 240 mm). The choice of this ratio is explained by the peculiarities of the internal structure of the fibrous suspensions. Fibrous suspensions of pulp and paper production are dispersed systems containing large particles of the dispersed phase — fibers and a low-viscosity dispersion medium, such as water. Flexible and thin fibers with a length of 2–3 mm and a thickness of 0.035 mm form, in contact with each other, a three-dimensional structural network of entanglements, inhomogeneous enough, consisting of large structural formations — flocs of 68 mm in diameter. Investigation of such systems can be performed in a device in which the gap between coaxial cylinders is several times larger than the geometrical dimensions of the particles of the dispersed phase — fibers and flocs. This is necessary to ensure that the fiber suspension is evenly spaced between the measuring surfaces of the coaxial cylinders. Based on this condition, the optimum lateral clearance between the surfaces of 10 mm coaxial cylinders. When shear currents are superimposed, the tremier mesh is deformed and unequal in magnitude normal stresses P acting in the shear flow direction and acting in the direction perpendicular to the shear plane, i.e. The first difference between normal stresses occurs. 6

-Ру2При небольших скорост х течени - Ru2With low speeds

в волокнистой суспензии сохран етс трехмерна структурна сетка в виде стержневого течени . По мере увеличени скоростей сдвига (при определенной величине зазора между коаксиальными цилиндрами, равной 10 мм) трехмерна структурна сетка начинает постепенно разрушатьс в направлении от стенки внутреннего цилиндра к наружному. В результате в зазоре между коаксиальными цилиндрами при вполне определенном значеНИИ скорости сдвига трехмерна структурна сетка целиком разрушает с и устанавливаетс сдвиговое (слоистое) течение с почти линейным профилем скоростей. Вследствие стру турных изменений в трехмерной волок нистой сетке нормальные напр жени , характеризующие внутренние прочност ные свойства сетки, также претерпевают соответствующие изменени . Упом нутый режим сдвигового тече ни устанавливаетс только в том случае, когда в зазоре существует однородное поле скоростей сдвига и напр жений, т.е. когда соотношение диаметров внутреннего Dgii и нару ного DH цилиндров составл ет 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 соотношени диаметров цилиндров в сторону уменьшени зазора приблизительно на 1,5-2 мм) способ ствует образованию значительныхзон неоднородных по концентрации. Изменение соотношени диаметров цилиндров в сторону увеличени зазора (на 2-3 мм) между цилиндрами приводит к образованию в зазоре неоднородного пол скоростей сдвига и напр жений , к нарушению линейного профил скоростей, что способствует сохранению в некоторой части зазора трехмерной волокнистой сетки, стерж невого течени , которое искажает измер емые величины нормальных напр жений, так как увеличиваетс соотно шение .д вн , Нарушение данного соотношени диа метров цилиндров не позвол ет зафиксировать важный дл производственных гидравлических машин параметр работы - наступление полного разрушени трехмерной волокнистой сетки и соответствующие им значени нормальных напр жений. Выполнение размеров цилиндров в указанном соотношении диаметров позвол ет не только измер ть нормаль ные напр жени в волокнистых суспен зи х, но и точно зафиксировать крити ческие режимы, при которых происход т значительные изменени в стру туре волокнистых сеток, соответствующие смене режимов течени . На чертеже приведена схема данного устройства. В наружном цилиндре 1 концентрично расположен внутренний цилиндр 2 с зазором 3, который опираетс на подшипники 4 и оси 5. Наружный цилиндр 1 опираетс -на подшипники 6 и приводитс 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 дл измерени высоты столба волокнистой суспензии. Дл проверки соосности расположени внутреннего цилиндра 2 относительно наружного цилиндра 1 и исключени вли ни 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 . Привод т в движение наружный ци- , линдр 1. В случае неправильной уст новки внутреннего цилиндра.2 в наружном цилиндре 1 на ленте самопишущего электронного моста записываетс крива , на которой значени разности между максимальными и минимальными значени ми показаний достигают 10 мм. В случае правильной установки цилиндров разность показаний между максимальными и минимальными значени ми показаний 2-3 . Далее заполн ют зазор 3 исследуемым материалом таким образом, что его уровень находитс на середине шкалы внешнего манометра 12. Внутренние микроманометры 10 соедин ютс с вакуумированным объемом 11 таким образом, что уровень жидкости в них также предварительно установлен на середине линейки 13. Наружный цилиндр 1 привод т во вращение со строго заданной скоростью. Показани давлений в манометрах снимают без остановки работы устройства. Величины давлений Р;| и Р , измеренные на поверхност х наружного 1 и внутреннего 2 цилиндров соответственно , подставл ютс в формулу дл вычислени первой разности нормальных напр жений: ЛР (Рл-Рг) 6.-о .p.-iL где Р., - величина нормального напр жени , действующа в направлении сдвигового течени } величина нормального напр же .. ни , действующего в направлении , перпендикул рном плоскости сдвигаa three-dimensional structural network in the form of a rod flow is preserved in the fiber suspension. As shear rates increase (at a certain size of the gap between the coaxial cylinders of 10 mm), the three-dimensional structural grid begins to gradually break down in the direction from the wall of the inner cylinder to the outer one. As a result, in the gap between the coaxial cylinders at a well-defined value of the shear rate, the three-dimensional structural mesh completely breaks down and a shear (layered) flow is established with an almost linear velocity profile. Due to structural changes in the three-dimensional fiber grid, the normal stresses characterizing the intrinsic strength properties of the grid also undergo corresponding changes. The mentioned shear flow regime is established only when there is a uniform field of shear rates and stresses in the gap, i.e. when the ratio of the diameters of the inner Dgii and the outer DH cylinders is 1: 1.08 with (B, -1)) n-Oyc 4Yuz-Byn11 + 1 -M. where (Bn-1) ns), 16, d 2-, and 1,2,3,4,5. A slight deviation from the indicated ratio of the diameters of the cylinders to a decrease in the gap of approximately 1.5–2 mm favors the formation of significant areas of non-uniform concentration. A change in the ratio of cylinder diameters towards an increase in the gap (by 2-3 mm) between the cylinders leads to the formation of a non-uniform field of shear velocity and stress in the gap, a violation of the linear velocity profile, which contributes to maintaining a three-dimensional fiber grid in some part of the gap. , which distorts the measured values of normal stresses, as the ratio of .d vn increases, Violation of this ratio of cylinder diameters does not allow fixing important for production hydraulic machines work parameter - the onset of the complete destruction of the three-dimensional fiber grid and the corresponding values of normal stresses. Performing cylinder sizes in the specified ratio of diameters allows not only measuring normal stresses in fiber suspensions, but also accurately fixing the critical modes at which significant changes occur in the structure of fiber grids corresponding to a change in flow regimes. The drawing shows a diagram of this device. In the outer cylinder 1 there is a concentric inner cylinder 2 with a gap 3, which rests on bearings 4 and axle 5. The outer cylinder 1 rests on the bearings 6 and is driven by an electric motor 7 through a box 8 of speeds and; gearbox 9. The gap 3, in which you place the material under investigation, is open to the air in the upper part. Measuring tubes-micromanometers 10 of the inner cylinder are connected to a evacuated volume of 11, the external pressure gauge 12 is connected to the atmosphere. Line 13 is used to measure the height of the fiber suspension column. In order to check the alignment of the position of the inner cylinder 2 relative to the outer cylinder 1 and eliminate the influence of beats on the results of indications in case of incorrect installation of the cylinders, the device is equipped with a strain gauge 14 connected to the inner cylinder 2 with a driver and self-recording electronic bridge 15. The device operates as follows. The outer cylinder 1 is set in motion. In the event of an incorrect installation of the inner cylinder 2. In the outer cylinder 1, a curve is recorded on the tape of an electronic recording bridge on which the difference between the maximum and minimum values reaches 10 mm. In the case of correct installation of cylinders, the difference in readings between maximum and minimum values of indications is 2-3. Next, the gap 3 is filled with the test material in such a way that its level is in the middle of the scale of the external pressure gauge 12. The internal micromanometers 10 are connected to the evacuated volume 11 so that the liquid level in them is also pre-installed in the middle of the ruler 13. The outer cylinder 1 is driven t in rotation with a strictly specified speed. The pressure readings in the gauges are removed without interrupting the operation of the device. Pressure values P; | and P, measured on the surfaces of outer 1 and inner 2 cylinders, respectively, are substituted into the formula for calculating the first difference of normal stresses: LR (RL-Prg) 6.-o .p.-iL where P. is the value of a normal ex. acting in the direction of the shear flow} is the magnitude of the normal stress .. nor acting in the direction perpendicular to the shear plane

H-IBHH-IBH

срwed

,м-.m

Аг - величина зазора 3 между коаксиальными цилиндрами 1 и 2. Ar is the size of the gap 3 between the coaxial cylinders 1 and 2.

Таким образом,предлагаемое устройство позвол ет расширить круг исследуемых материалов при измерении нормальных напр жений, а именно измер ть нормальные напр жени в волокнистых суспензи х,и контролироватсосто ние структуры потока движущейс суспензии. Полученные значени нормальных напр жений дают возможность выбрать оптимальные режимы работы и параметры проточных частей гидравлических машин, примен емых в целлюлозно-бумажной прс 1ышленност в частности напорных щиков бумагоделательных машин, работа которых определ ет качество готовой бумаги.Thus, the proposed device allows the range of materials under investigation to be expanded in measuring normal stresses, namely, to measure normal stresses in fiber suspensions, and to control the state of the flow structure of the moving suspension. The obtained values of normal stresses give the opportunity to choose the optimal operating modes and parameters of flow parts of hydraulic machines used in the pulp and paper industry, in particular, the headboxes of paper machines, whose operation determines the quality of the finished paper.

Кроме того, при проектировании систем гидротранспорта волокнистых суспензий целлюлозно-бумажной промьишенности знание величин нормальных напр жений позвол ет найти оптимальные параметры транспортирующих систем и, тем самым, снизить расходы энергии.In addition, when designing hydraulic transport systems for fibrous suspensions of the pulp and paper industry, knowledge of the magnitudes of normal stresses allows finding the optimal parameters of the transport systems and, thus, reducing energy consumption.

////

./J./J

ПP

//Г// y

QiQi

1Ъ1b

7f7f

ч,h,

ЮYU

ШSh

Claims

DEVICE FOR MEASURING .NORMAL STRESSES, comprising: two concentrically arranged cylinders with the possibility of rotation of one of them and pressure gauges mounted in cylinders, characterized in that, in order to expand the class of measured materials by measuring water-fiber suspensions, the ratio between with diameters of 1: 1.08, provided that the outer cylinder; inner cylinder where n is the diameter D _BH is the diameter. 'pa;

(T> N’1> vi), = 16, <J = 2;

. h = 1,2,3,4 and 5.