Сдвиговые течения бумажной массы переменной концентрации

УДК

DOI:

Аннотация

Сдвиговые течения бумажной массы имеют место в различных аппаратах бумажной промышленности (между ротором и ситом гидроразбивателей, сортировок, в вихревых потоках центриклинеров, в конфузорных каналах напорных ящиков, на сенсорных элементах измерителей концентрации и др.). При этом в широком технологическом диапазоне концентрации массы 0,5 ... 5,0 % важна степень дисперсности массы (уровень флоккуляции), которая должна быть сравнима с отверстиями или щелями сит (0,1 ... 10,0 мм) или требуемым размером флоккул на сетке бумагоделательной машины. Реологии и дефлоккуляции бумажной массы посвящено большое количество работ, из которых сложно проследить закономерности изменения реологических параметров и степени дисперсности массы в зависимости от ее концентрации. Побочные течения в известных вискозиметрах, использующихся для определения реологических характеристик многокомпонентных неньютоновских сред, какой является бумажная масса, затрудняет выявление этих закономерностей. В данной работе в экспериментальном вискозиметре создавалось однородное сдвиговое течение бумажной массы переменной концентрации в зазоре между вращающимся с регулируемой скоростью и неподвижным, регистрирующим образующийся на нем момент, кольцами, что позволило определить экспериментальные зависимости напряжений от среднего градиента скорости в ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения, построить графические зависимости вязкости массы переменной концентрации от градиента скорости и получить их аналитическое описание. На основании описания и двухслойной модели турбулентности получены безразмерное распределение скорости, а также толщина пограничного слоя в различных режимах сдвигового течения, являющегося важной характеристикой потока между ситом и ротором сортирующего оборудования. Приведены зависимости напряжений от концентрации при переменной скорости вращения стенки. Сравнение последних с характеристиками известных измерителей концентрации показало их хорошую качественную сходимость. Представлена схема распада флоккулы в сдвиговом течении. Приложение известных формул гидромеханики к этой схеме с учетом представленных экспериментальных характеристик позволило установить аналитические и графические зависимости повышения степени дисперсности массы (уменьшение размера флоккул) различной концентрации при увеличении градиента скорости, что согласуется с известными данными.

Сведения об авторах

@ Ю.А. Тихонов, д-р техн. наук, проф.

В.С. Куров, д-р техн. наук, проф.

Д.Р. Оруджов, асп.

С.-Петербургский государственный технологический университет растительных

полимеров, ул. Ивана Черных, 4, г. С.-Петербург, Россия, 198095;

e-mail: tamara_tpt@mail.ru

Ключевые слова

Литература

1. Аббасов А.А. Гидродинамические исследования вопросов движения вязкопластичных жидкостей. Баку: Азербайдж. ССР, Изд-во АН, 1967. 241 с.

2. А.с. 1449868 СССР, МПК G 01 N 11/14. Дисковый вискозиметр / Васильева С.Г., Тихонов Ю.А., Тотухов Ю.А., Терентьев О.А., Синегубов С.С., Каменев А.А. №4229822; заявл. 13.04.87; опубл.07.01.89, Бюл. № 1. 3 с.

3. А.с. 1541493 СССР, МПК G 01 N 11/14. Вискозиметр / Васильева С.Г., Тихонов Ю.А., Тотухов Ю.А., Терентьев О.А., Синегубов С.С. №4414351; заявл. 25.04.88; опубл. 07.02.90, Бюл. № 5. 3 с.

4. Кугушев И.Д., Терентьев О.А. Бумагоделательные и картоно-делательные машины. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. 598 с.

5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 257 с.

6. Терентьев О.А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 248 с.

7. Тихонов Ю.А. Основы теории диспергирования бумажной массы при сортировании и напуске на бумагоделательную машину: дисс.…д-ра техн. наук. СПб., 2012. 338 с.

8. Bennigton C., Kerekes R. Power Requirements for Pulp Suspension Fluidization // TAPPI. 1996. Vol.79, N 2. P. 253–258.

9. Olander R., Agneus L. Consistenery Measurement: the Foundation for Accurate Dilution Control // TAPPI. 1997. March. Р. 97–107.

Поступила 21.07.14

Ссылка на английскую версию:

UDC 676.024

Shear Flows of Paper-Pulp of Varying Concentrations

Yu. A. Tikhonov, Doctor of Engineering, Professor

V. S. Kurov, Doctor of Engineering, Professor

D.R. Orudzhov, Postgraduate Student

Saint Petersburg State Technological University of Plant Polymers, Ivana Chernyh street, 4, Saint Petersbuгg, 198095, Russia; e-mail: tamara_tpt@mail.ru

Shear flows of paper-pulp occur in various devices in paper industry machines, for example, between the rotor and sieve pulpers, grading machines, in eddy flows of centricleaners, in converging ducts of flow boxes, in sensing elements of concentration meter. Thus, in a wider technological mass concentration range of 0.5 ÷ 5 %, the degree of mass dispersion (the level of flocculation) is of importance, which should be comparable to the sieve holes of
10 ÷ 0.1 mm or to a required size of flocculation of the papermachine.

Rheology and paper - pulp deflocculation is covered in many studies, in which, however, it is difficult to trace the patterns of change of the rheological parameters and degree of mass dispersion depending on its concentration. Adverse flows in the known viscometers used to measure the rheological properties of multicomponent non-Newtonian ambient, such as paper - pulp, makes it difficult to identify these patterns. In this paper, in an experimental viscometer a homogeneous shear flow of paper – pulp of variable consistency was created in the gap between the rings. One ring was rotating at a variable speed, and the other was fixed, which allowed defining the experimental dependence of the stresses of the average velocity gradient in laminar, transient and turbulent flow cycles, to construct a characteristic curve of viscosity of variable mass concentration on the velocity gradient and get their analytical description. On its based and two-layer turbulence model, a dimensionless velocity distribution was defined, as well as the boundary layer thickness in different modes of shear flow, which is an important characteristic of the flow between the rotor and the sieve of the sorting equipment. Representation of characteristic curve of stresses to velocity gradient at a variable concentration as characteristic curves of stresses to concentration at variable rotational speed of the wall is reported. Comparison of the latter with the characteristics of the known concentration meters demonstrates their good quality convergence. A scheme of the floccules collapse in a shear flow is also represented. Application of the known formulas of fluid mechanics to this scheme, taking into consideration the experimental characteristics, shows analytical and graphical dependencies of increase of the degree of mass dispersion (floc size reduction) of various concentrations with increasing velocity gradient that corresponds to the known data.

Keywords: shear, velocity gradient, viscosity, concentration of mass, size of flocculation, the boundary layer thickness.

REFERENCES

1. Abbasov A.A. Gidrodinamicheskie issledovaniya voprosov dvizheniya vyazkoplastichnykh zhidkostey [Hydrodynamic Research on the Motion of Viscoplastic Fluids]. Baku, 1967. 241 p.

2. Vasil'eva S.G., Tikhonov Yu.A., Totukhov Yu.A., Terent'ev O.A., Sinegubov S.S., Kamenev A.A. Diskovyy viskozimetr [Disc Viscometer]. Inventor's certificate USSR, no. 4229822, 1989.

3. Vasil'eva S.G., Tikhonov Yu.A., Totukhov Yu.A., Terent'ev O.A., Sinegubov S.S. Viskozimetr [Viscometer]. Inventor's certificate USSR, no. 4414351, 1990.

4. Kugushev I.D., Terent'ev O.A. Bumagodelatel'nye i kartonno-delatel'nye mashiny [Paper and Cardboard-Making Machines]. St. Petersburg, 2011. 598 p.

5. Loytsyansky L.G. Лойцянский Л.Г. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid Mechanics]. Moscow, 1973. 257 p.

6. Terent'ev O.A. Gidrodinamika voloknistykh suspenziy v tsellyulozno-bumazhnom proizvodstve [Hydrodynamics of Fiber Suspensions in the Pulp and Paper Industry]. Moscow, 1980. 248 p.

7. Tikhonov Yu.A. Osnovy teorii dispergirovaniya bumazhnoy massy pri sortirovanii i napuske na bumagodelatel'nuyu mashinu: dis. ... dok. tehn. nauk [Fundamentals of the Theory of Dispersion of Pulp for Separation and Puffing on a Paper Machine: Dr. Tech. Sci. Diss]. St. Petersburg, 2012. 338 p.

8. Bennigton C., Kerekes R. Power Requirements for Pulp Suspension Fluidization. TAPPI, 1996, vol.79, no. 2, pp. 253–258.

9. Olander R., Agneus L. Consistenery Measurement: the Foundation for Accurate Dilution Control. TAPPI, 1997, pp. 97–107.