Устройство для измерения нормальных напряжений

(19) 01) Я 01 М 11/14 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ"3 и. ) 1.1 ф АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71 ) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности(56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 352197, кл. Я 01 К 11/14, 1969.2. Рарепйпх,)реп Ю.М.Р,М. Чап реп Тешре 1, Тйе 11 огша 1 ЯСгеББ.-НЬео 1, Аса, 1967, б, р.311 (прототип) . (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЧ ,НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, содержашее ,два концентрично расположенных цилиндра с возможностью ного из них и маномет ванные в цилиндры, о ц е е с я тем, что, рения класса измеряе за счет измерения вод суспензий, соотношени ми выбирают 1:1,08 пр врашения оды, вмонтирот л и ч а юцелью расшимых материалов но-волокнистых е между диаметра.условии, что Фн-вн 1-(Э-Эвгде 2 н - диаметрЭв- диаметрра;Ьн- ви);-16,3=2Р Он-) вн 1,фд(иго цилиндра) него цилинднару внут иИзобретение относится к гидродинамике, а точнее к реологии волокнистых суспензионных систем, и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для обоснования оптимальных параметров технологических процессов.Известно устройство, которое позволяет измерять нормальные напряжения, снабженное проходящим через днище внутреннего цилиндра игольча тым стержнем, соединенным с датчиком нормальных напряжений 111 .Однако данный прибор сложен по конструкции. Иглообразный стержень, проходя через днище внутреннего 15 цилиндра, упирается в коническое гнездо промежуточного цилиндра. Внутренний цилиндр заполняют испытуемой жидкостью, внешний - ньютоноас- кОЙ жидкОстью и приводят ВО Враще О ние в противоположном направлении. . Устройство отличается сложностью регистрации нормальных напряжений (их замер возможен при резкой остановке вращающихся цилиндров) и не позволяет замерять нормальные напряжения в волокнистых суспензиях.Наиболее близким к изобретению является устройство, состоящее из двух концентрично расположенных1 цилиндров, один иэ которых (внутренний) установлен с возможностью вращения, и манометров,вмонтированных в цилиндры, по которым судят о нормальных напряжениях исследуемых материалов столба жидкости в трубке 2,Недостатком известного устройства является невозможность измерения нормальных напряжений, возникающих .в вязкоупругих суспензиях целлюлозно-бумажного производства, так как 40 волокнистые суспензии целлюлознобумажного производства, представляющие собой крупнодисперсные системы, не могут быть свободно загружены в зазор между коаксиальными цилиндрами 45 ввиду соизмеримости величин исследуемых частиц дисперсной фазы с величиной зазора. Кроме того, снятие показаний давления с поверхности внутреннего цилиндра не представляется воз можным вследствие непрозрачности волокнистых суспензий.Целью изобретения является расширение класса измеряемых материалов 55 за счет измерения водно-волокнистых суспензий.Указанная цель достигается тем,что в устройстве для измерения нор Омальных напряжений, содержащем дваконцентрично расположенных цилиндрас возможностью вращения одного изних и манометры, вмонтированные/в цилиндры, соотношение между диаметрами выбирают 1:1,08 при условии,чтоФн-вн 1- (н- ьнМ 3 н-Зен 1 фд ь-),где Ын - диаметр наружного цилиндра, (Эн 04 16 ф2;и = 1,2,3,4,5;Эн - диаметр внутреннего цилиндра.Указанное соотношение диаметров обеспечивает величину зазора между коаксиальными цилиндрами 10 мм при величине диаметра внутреннего цилиндра 240 мм), Выбор данного соотношения объясняется особенностями внутреннего строения волокнистых суспен- зий, Волокнистые суспенэии целлюлозно-бумажного производства представляют собой дисперсные системы, содержащие крупные частицы дисперсной фазы - волокна и маловяэкую дисперсионную среду, например воду. Гибкие и тонкие волокна длиной 2-3 мм, толщиной 0,035 мм) образуют в суспензии путем контактов между собой трехмерную структурную сетку зацеплений, достаточно неоднородную,. состоящую из крупных структурных образований " флокул величиной 6- 8 мм в диаметре. Исследование подобных систем можно производить в устройстве, в котором зазор между коаксиальными цилиндрами в несколько раэ больше геометрических размеров частиц дисперсной фазы - волокой ифлокул. Это необходимо для обеспечения условия равномерного нестесненного расположения волокнистой суспенэии между измерительными поверхностями коаксиальных цилиндров. Исходя из этого условия, оптимальный боковой зазор между поверхностями коаксиальных цилиндров 10 мм. При наложении сдвиговых течений трехмерная сетка деформируется и в ней появляются неодинаковые по величине нормальные напряжения Ри, действуйщие в направлении сдвигового тече-. ния, и Р дейстВующие в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига, т.е. возникает первая разность нормальных напряжений 6 =Р, РЯ 2"При небольших скоростях течения в волокнистой суспенэии сохраняется трехмерная структурная сетка в виде стержневого течения. По мере увеличения скоростей сдвига (при определенной величине зазора между коаксиальными цилиндрами, равной 10 мм) трехмерная структурная сетка начинает постепенно разрушаться в направлении от стенки внутреннего цилиндра к наружному. В результате в зазоре между коаксиальными цилиндрами при вполне определенном значении скорости сдвига трехмерная структурная сетка целиком разрушается и устанавливается сдвиговое(слоистое) течение с почти линейным профилем скоростей. Вследствие структурных изменений в трехмерной волокнистой сетке нормальные напряжения, характеризующие внутренние прочностные свойства сетки, также претерпевают соответствующие изменения.Упомянутый режим сдвигового тече- О ния устанавливается только в том случае, когда в зазоре существует однородное поле скоростей сдвига и напряжений, т.е. когда соотношение диаметров внутреннегоЭщ и наружного 2 цилиндров составляет 1:1,08 при где(П,-Ээц),=16, д =2, Ь =1,2,3,4,5.Неэначйтельное отступление от укаэанного соотношения диаметров цилиндров в сторону уменьшения зазора приблизительно на 1,5-2 мм) способствует образованию значительныхзон, неоднородных .по концентрации. Изменение соотношения диаметров цилиндров в сторону увеличения зазора (на 2-3 мм) между цилиндрами приводит к образованию в зазоре неоднородного поля скоростей сдвига и напряжений, к нарушению линейного профиля скоростей, что способствует 35 сохранению в некоторой части зазора трехмерной волокнистой сетки, стержневого течения, которое искажает измеряемые величины нормальных напря-. жений, так как увеличивается соотно-. 40 шение2 .2н внЬнНарушение данного соотношения диаметров цилиндров не позволяет зафиксировать важный для производственных гидравлических машин параметр работы - наступление полного разрушения трехмерной волокнистой сетки и соответствующие им значения нормальных напряжений.Выполнение размеров цилиндров в указанном соотношении диаметров позволяет не только измерять нормальные напряжения в волокнистых суспен зиях, но и точно зафиксировать критические режимы, при которых происходят значительные изменения в структуре волокнистых сеток, соответствующие смене режимов течения. 60На чертеже приведена схема данного устройства.В наружном цилиндре 1 концентрично расположен внутренний цилиндр 2 с зазором 3, который опирается на 65 подшипники 4 и оси 5, Наружный цилиндр 1 опирается на подшипники 6и приводится во вращение электродвигателем 7 через коробку 8 скоростей и . коробку передач 9,Зазор 3, в который помещают исследуемый материал, в верхней частиоткрыт на воздух, Йзмерительные трубки-микроманометры 10 внутреннегоцилиндра - соединены с вакуумированным объемом 11, внешний манометр12 соединен с атмосферой. Линейка13 служит для измерения высоты столба волокнистой суснензии. Для проверки соосности расположения внутреннего цилиндра 2 относительно наружного цилиндра 1 и исключения влияния биений на результаты показанийв случае неправильной установки .цилиндров устройство снабжено тензометрическим датчиком 14, соединеннымповодком с внутренним цилиндром 2,и самопишущим электронным мостом 15.Устройство работает следующим образом.Приводят в движение наружный ци-,линдр 1. В случае неправильной установки внутреннего цилиндра,2 в наружном цилиндре 1 на ленте самопишущего электронного моста записывается кривая, на которой значения разности между максимальными и минимальными значениями показаний достигают10 мм, В случае правильной установкицилиндров разность показаний междумаксимальными и минимальными значениями показаний 2-3 мм.Далее заполняют зазор 3 исследуемым материалом таким образом, чтоего уровень находится на серединешкалы внешнего манометра 12. Внутренние микроманометры 10 соединяютсяс вакуумированным объемом 11 такимобразом, что уровень жидкости в нихтакже предварительно установлен насередине линейки 13, Наружный цилиндр 1 приводят во вращение со строго заданной скоростью. Показаниядавлений в манометрах снимают безостановки работы устройства.Величины давлений Р и Р , измеренные на поверхностях наружного 1и внутреннего 2 цилиндров соответственно, подставляются в формулу длявычисления первой разности нормальных напряжений;ср р Ю6 -е -е10 б 2565 аказ .1020843 Тираж 873 Подписное НИИП илиал ППП "Патент", г.ужгород ул.Проектная,4н внЬг - величина зазора 3 между коаксиальными цилиндрами 1 и 2. 5Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить круг исследуемых материалов при измерении нормальных напряжений, а именно измерять нормальные напряжения в во- о локцистых суспензиях,и контролировать состояние структуры потока движущей- ся суспензии. Полученные значения нормальных напряжений дают возможность .выбрать оптимальные режимы работы и параметры проточных частей гидравлических машин, применяемых в целлюлозно-бумажной промышленности, в частности напорных ящиков бумагоделательных машин, работа которых определяет качество готовой бумаги;Кроме того, при проектировании систем гидротранспорта волокнистых суспензий целлюлозно-бумажной промышленности знание величин нормальных напряжений позволяет найти оптимальные параметры транспортирующих систем и, тем самым, снизить расходы энергии.