Установка для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления

Изобретение относится к области качественного и количественного анализа дисперсных систем, к области переработки сырья, к пищевым, химическим и другим производствам с использованием процессов диспергирования. Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение наблюдения за процессом дробления капель в режиме реального времени, повышение точности и чувствительности регистрации параметров импульсов, накопление данных и расчет результатов, характеризующих кинетику диспергирования. Установка для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления включает корпус, выполненный в виде U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече выполнена прямоугольная камера с окнами; устройство ввода капель; устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, содержащее герметичную камеру, в которой по центру размещены два электрода, расположенных напротив друг друга с возможностью изменения расстояния между ними и соединенных с помощью высоковольтного кабеля с системой генерирования электрических импульсов, и гибкую мембрану, установленную между герметичной камерой и корпусом, устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования; осветительные приборы и устройство исследования дисперсности эмульсий и суспензий. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области качественного и количественного анализа дисперсных систем, а также к области переработки сырья, к пищевым, химическим и другим производствам с использованием процессов диспергирования.

Известны установки для анализа разрушения струй и отдельных капель в газовой среде [Дитякин Ю.Ф. Распыливание жидкостей. - М.: Машиностроение, 1977. - 207 с.]. В этих установках с помощью распылительных форсунок происходит формирование струй и капель, которые обдуваются газовым потоком определенной интенсивности. Процесс взаимодействия струй и капель с газовым потоком регистрируется с помощью скоростной кинокамеры, покадровый просмотр материалов съемки позволяет выявить закономерности кинетики их разрушения.

При использовании этих установок невозможно исследовать дробления струй и капель в жидкой среде, достаточно трудно регулировать и регистрировать скорость потока среды и другие параметры процесса диспергирования (в частности, размер частиц дисперсных фаз в процессе их дробления), а поэтому невозможно корректно охарактеризовать кинетику процесса диспергирования того или иного вещества в газовом потоке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой установке является установка для изучения дробления капель набегающим потоком жидкости при воздействии возмущений давлений, включает корпус, выполненный в виде длинной U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече имеется прямоугольная камера с окнами, расположенными напротив друг друга, устройство ввода капель, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления и устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования и осветительные приборы [Орешина М.Н. Разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока: дис. канд. техн. наук. - Орел, 2001. - 126 с.].

Длинная U-образная ударная труба служит для прохода по ней ударных импульсов давления и для устранения из поля зрения отраженных волн давления. Отраженные волны давления появляются за счет отражения исходных волн от крышки противоположного конца трубы и возращения их в зону эксперимента. При длинной трубе за время эксперимента отраженные возмущения не успевают возвратиться в зону эксперимента. Прямоугольная камера с окнами, расположенная на одном из концов ударной трубы, служит для реализации в ней экспериментов и наблюдения за ними. В нижней части этой камеры устанавливается устройство ввода капель, через которое в нее поступает жидкость в виде отдельных капель, всплывающих в воде. Устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления представляет собой герметичную камеру, содержащую боек, которая отделена от ударной трубы разрывной мембраной. Герметичная камера наполняется воздухом до давления 0,3…2 МПа. После наполнения разделяющая мембрана прорывается нажатием бойка. В результате формируется импульс давления, распространяющийся по трубе.

Параметры импульса в трубе измеряются с помощью устройства регистрации импульсов давления, содержащего тензометрический датчик давления, тензометрический усилитель и шлейфовый осциллограф, используемый в качестве регистратора. Записи осциллографа расшифровываются с помощью тарировки используемых датчиков давления в статических условиях. Процесс взаимодействия импульса давления и капель фиксируется аппаратурой для регистрации кинетики диспергирования - скоростной кинокамерой. Осветительные приборы служат для улучшения качества съемки.

Недостатком такой установки является невозможность анализа эксперимента и расчета результатов в режиме реального времени, это связано с тем, что требуется некоторое время для проявки материалов киносъемки. Другим недостатком является отсутствие гибкого регулирования и регистрации параметров импульсов, что приводит к ряду ограничений при использовании такой установки для исследования кинетики диспергирования. Так как мембрану после каждого эксперимента необходимо заменять, данная установка не является экономичной и эргономичной.

Изобретение позволяет наблюдать за процессом дробления капель в режиме реального времени. Изобретение решает задачу повышения точности и чувствительности регистрации параметров импульсов. Вместе с тем изобретение решает задачу накопления данных и расчета результатов, характеризующих кинетику диспергирования. Изобретение позволяет также проводить сравнительные анализы по дроблению частиц эмульсий и суспензий и капель модельной жидкости в жидкой среде. Изобретение позволяет сделать экспериментальное исследование более экономичным, так как в данной установке при передаче импульсов мембрана только деформируется, но не разрушается.

Поставленные задачи решаются в предлагаемой установке для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления, включающей корпус, выполненный в виде длинной U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече выполнена прямоугольная камера с окнами, расположенными напротив друг друга, устройство ввода капель, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования и осветительные приборы, согласно изобретению устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления представляет собой герметичную камеру, в которой по центру помещен разрядник, в виде двух электродов, расположенных напротив друг друга с возможностью изменения расстояния между ними и соединенных с помощью высоковольтного кабеля с системой генерирования электрических импульсов, и гибкую мембрану, установленную между герметичной камерой и корпусом, а также дополнительно оснащено устройством исследования дисперсности эмульсий и суспензий, включающим микроскоп, фотонасадку, цифровой фотоаппарат.

Целесообразно, что устройство регистрации импульсов давления содержит первичный преобразователь сигналов, плату АЦП, ЭВМ.

Целесообразно, что аппаратура для регистрации кинетики диспергирования содержит цифровую видеокамеру с USB - разъемом, соединенным с ЭВМ.

Целесообразно, что специальное программное обеспечение позволяет проводить мониторинг, обработку и архивацию полученных данных.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена схема установки для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления; на фиг.2 показаны кадры видеосъемки; на фиг.3 представлена лицевая панель программы по исследованию дробления частиц.

Установка содержит корпус 1, выполненный в виде длинной U-образной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече имеется прямоугольная камера 2 с окнами 3, расположенными напротив друг друга, устройство 4 ввода капель 5, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, представляющее собой герметичную камеру 6, в которой по центру помещен разрядник 7, в виде двух электродов, расположенных напротив друг друга, соединенных с помощью высоковольтного кабеля 8 с системой генерирования электрических импульсов 9, между герметичной камерой и корпусом установлена гибкая мембрана 10, устройство регистрации импульсов давления: первичный преобразователь сигналов 11, плату АЦП 12, ЭВМ 13, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования - цифровую видеокамеру 14, осветительные приборы 15, устройство исследования дисперсности эмульсий и суспензий: микроскоп 16, фотонасадку 17, цифровой фотоаппарат 18.

Мониторинг, обработка и архивация полученных данных осуществляется с помощью ЭВМ, с использованием специального программного обеспечения (ПО), обеспечивающего контроль за параметрами процесса в режиме реального времени, удобство организации человеко-машинного интерфейса, оперативный доступ к текущим параметрам процесса, наглядное представление результатов, расчет параметров процесса и формирование отчетов данных.

Устройство работает следующим образом. Например, требуется провести анализ диспергирования капель минерального масла в воде и исследование частиц жира в составе молока при воздействии импульсных возмущений давления и выполнить сопоставление полученных результатов.

Анализ диспергирования капель минерального масла в воде проводится с помощью описанной выше установки.

В корпус 1 заливают воду и присоединяют мембрану 10 и герметичную камеру 6 с помощью высоковольтного кабеля 8, соединяют разрядник 7 с системой генерирования электрических импульсов 9, в корпусе 1 установки помещают устройство 4 ввода капель 5, с помощью соединительного кабеля первичный преобразователь сигналов 11 соединяют с платой АЦП 12 и ЭВМ 13, USB - разъемами регистрирующую аппаратуру 14 соединяют с ЭВМ 13. Нажатием на шток устройства 4 ввода капель осуществляется подача капель 5 в корпус 1 установки. Далее включают систему генерирования электрических импульсов 9, которая создает последовательность электрических импульсов с фиксированной скважностью и регулируемой частотой. В узком зазоре между электродами разрядника 7 возникают искровые разряды, которые с большой скоростью из герметичной камеры 6 через гибкую мембрану 10 поступают в корпус 1. При распространении возмущений давлений по U-образной трубе происходит дробление введенных капель 5, которые через окна 3 камеры 2 фиксируются видеокамерой 14. Для улучшения качества съемки включают осветительные приборы 15.

Значения давления импульсов, распространяемых в жидкости, фиксируются устройством регистрации импульсов давления: от первичного преобразователя сигналов 11 (тензометрического датчика), установленного в боковой поверхности корпуса 1, сигнал поступает на плату АЦП 12, где преобразуется к цифровому виду, который необходим для ввода его в ЭВМ 13. Затем сигнал передается ПО, с целью мониторинга, математических преобразований и обработки его значений.

Просмотр материалов видеосъемки осуществляется с помощью ЭВМ. ПО позволяет также оценить размеры раздробленных капель.

Процесс диспергирования исследовался при разных значениях амплитуды и частоты импульсов. Изменение амплитуды созданных ударных импульсов обеспечивают путем изменения расстояния между электродами разрядника 7, а частоту изменяют с помощью переключателя системы генерирования импульсов 9.

Регулирование размера капель фазы достигают путем варьирования частотой и амплитудой импульсов. Чем выше значение частоты и амплитуды импульсов, тем меньше размеры раздробленных частиц.

Эти характеристики и измеряют в ходе эксперимента. С системы генерирования электрических импульсов 9 значения частоты передаются ЭВМ 13, где с помощью ПО, содержащего виртуальный осциллограф для мониторинга данных и виртуальные устройства для записи в файл, производится генерация отчета об изменении этих параметров во времени.

Исследование частиц жира в составе молока при воздействии импульсных возмущений давления проводят следующим образом.

В корпус 1 установки заливают молоко, далее собирают установку, затем данную жидкость обрабатывают импульсами давления. После обработки отбирают пробу продукта, разбавляют водой и помещают в микроскоп 16. Поле зрения микроскопа регистрируют фотокамерой 18, соединенной с микроскопом 16 с помощью фотонасадки 17. С фотокамеры 18 изображения передаются в ЭВМ 13, где проводится их обработка, измеряются размеры частиц и характер их распределения.

Далее проводилось сравнение результатов исследования дробления капель и дробления жировых частиц в составе молока. Стадии дробления капель минерального масла под действием возмущений давлений представлены на фиг.2. Лицевая панель программы по исследованию жировых частиц молока, разработанная с использованием среды IMAQ Vision Builder, представлена на фиг.3.

Техническим результатом является обеспечение наблюдения за процессом дробления капель в режиме реального времени, повышение точности и чувствительности регистрации параметров импульсов, накопление данных и расчет результатов, характеризующих кинетику диспергирования, проведение сравнительных анализов по дроблению частиц эмульсий, суспензий и капель модельной жидкости в жидкой среде, повышение экономичности и эргономичности экспериментального исследования, путем увеличения срока службы мембраны и сокращения при этом времени на сборку-разборку установки.

1. Установка для исследования кинетики диспергирования частиц в жидких средах при воздействии возмущений давления, включающая корпус, выполненный в виде U-образной ударной трубы, одно плечо которой в несколько раз длиннее другого, на меньшем плече выполнена прямоугольная камера с окнами, расположенными напротив друг друга, устройство ввода капель, устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления, устройство регистрации импульсов давления, аппаратуру для регистрации кинетики диспергирования и осветительные приборы, отличающаяся тем, что устройство создания и ввода в трубу ударных импульсов давления представляет собой герметичную камеру, в которой по центру помещен разрядник, в виде двух электродов, расположенных напротив друг друга с возможностью изменения расстояния между ними и соединенных с помощью высоковольтного кабеля с системой генерирования электрических импульсов, и гибкую мембрану, установленную между герметичной камерой и корпусом, а также дополнительно оснащено устройством исследования дисперсности эмульсий и суспензий, включающим микроскоп, фотонасадку, цифровой фотоаппарат.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство регистрации импульсов давления содержит первичный преобразователь сигналов, плату АЦП, ЭВМ.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что аппаратура для регистрации кинетики диспергирования содержит цифровую видеокамеру с USB-разъемом, соединенным с ЭВМ.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что специальное программное обеспечение позволяет проводить мониторинг, обработку и архивацию полученных данных.