Классификация и основные параметры гидросмесей

Гидросмесью называется материал, получаемый перемешиванием достаточно мелких твердо-зернистых или высокопластичных частиц с жидкостью. В производственной практике для обозначения различных гидросмесей применяют специальные термины. Например, в строительном деле смесь песка, цемента и воды называют раствором; смесь воды и песка при транспортировании ее по трубам и лоткам называют пульпой; смесь торфа с водой — гидромассой и т. п.

Классификация частиц, входящих в состав гидросмеси, в зависимости от их величины, приведена в таблице 7.1.

 

Таблица 7.1

Характерные признаки частиц гидросмеси	Диаметр частиц, мкм
В покоящейся жидкости частицы не оседают на дно сосуда, находятся в броуновском движении	менее 0, 001
Образуют коллоидные растворы	0, 001–0, 1
Образуют тонко- и грубодисперсные суспензии	0, 1–10
Несвязные твердые частицы входят в состав гидросмеси, которая образуется только при движении. В покоящейся жидкости частицы оседают на дно	более 10

 

Гидросмеси, частицы которых при покое не выпадают в осадок, называются структурными. Структурные гидросмеси представляют собой коллоидные растворы, в которых твердые частицы связаны друг с другом молекулярными (структурными) связями. Для разрушения этих связей в начальный момент движения необходимо создать некоторое усилие (напряжение сдвига).

Физические свойства гидросмесей характеризуются плотностью, объемным весом, размером частиц, концентрацией и реологическими параметрами.

Плотностью (объемной массой) ρ называется масса, содержащаяся в единице объема гидросмеси, т. е.

, (7.1)

 

где М — масса гидросмеси, кг;

V — объем, занимаемый данной массой, м³.

Плотность в системе СИ имеет размерность кг/м³.

Объемным (удельным) весом γ называется вес единицы объема гидросмеси:

, (7.2)

 

где G — вес гидросмеси, Н;

V — объем гидросмеси, имеющий данный вес, м³.

Удельный вес в системе СИ имеет размерность Н/м³.

Плотность и объемный вес связаны зависимостью, вытекающей из второго закона Ньютона:

 

, (7.3)

 

где g — ускорение свободного падения, м/с².

Размеры частиц гидросмеси характеризуются средним эквивалентным диаметром, коэффициентом неоднородности материала и другими показателями. Размеры частиц, входящих в состав сельскохозяйственных гидросмесей, представлены в таблицах 7.2, 7.3, 7.4.

 

Таблица 7.2 — Кормовые смеси

Компоненты кормовых смесей	Средний диаметр твердых частиц, мм
Корнеклубнеплоды
Дробленые корнеклубнеплоды, жом	2–7
Зерновые культуры	2–10
Комбинированные корма	0, 8–1, 04
Дробленая сахарная свекла	3–3, 5
Сенная мука	1, 2–1, 5
Рыбная мука	0, 3–0, 6
Кормовой мел	0, 3–0, 5
Кормовые дрожжи	0, 1–0, 2

 

Средний диаметр частиц в зимних рационах изменяется от2, 2 до 2, 7 мм, в летних —– 3, 2–3, 6 мм. Плотность кормовых смесей равна 1050–1100 кг/м³ соответственно при влажности 75 и 95 %.

 

 

Таблица 7.3 — Жидкий бесподстилочный навоз при кормлении крупного рогатого скота сочными кормами
(силос, корнеклубнеплоды, барда, жом, зеленая масса)

Средний диаметр частиц, мм	0, 541	0, 530	0, 500	0, 483	0, 490	0, 487	0, 484
Влажность, %
Плотность, %

 

Таблица 7.4 Гранулометрический состав жидкого бесподстилочного навоза при кормлении свиней многокомпонентными кормами

(пищевые отходы, комбикорм и травяная мука)

Диаметр частиц, мм	менее 1	1–2	2–3	3–5	5–7	7–10	Более 10
Содержание частиц данного размера в % по массе	30–35	35–40	10–15	5–7	2–5	2–4	1–2

 

Плотность навоза этого состава равна 1020–1060 кг/м³ и соответствует влажности 88–91 %.

Кроме того, частицы твердой фазы гидросмеси характеризуются гидравлической крупностью, т. е. скоростью равномерного падания твердых частиц в спокойной воде при ее температуре 15 °С. Гидравлическая крупность зависит от диаметра, формы, объемного веса твердых частиц и определяется по таблицам или по эмпирическим формулам.

Влажность — доля воды, содержащаяся в массе смеси, выраженная в процентах:

, (7.4)

 

где М — масса влажной смеси, кг;

М_с — масса сухой смеси, кг.

Концентрацией (консистенцией) гидросмеси называется степень насыщения твердыми частицами занимаемого гидросмесью объема. Концентрация может быть объемная (отношение объема твердых частиц к объему воды или всей смеси) и массовая (отношение массы твердых частиц к массе воды или всей смеси).

Влажность W и концентрация К смеси выражаются в % и связаны между собой зависимостью:

W = 100 – К. (7.5)

 

Основные реологические параметры высоковязких сельскохозяйственных материалов и их специфические вязкостные особенности необходимо знать при инженерных расчетах гидротранспортных систем. К ним относятся напряжение при начальном сдвиге — τ ₀ (предельное напряжение сдвига) и динамический коэффициент вязкости гидросмеси — μ. Для их определения используется трубчатые, воронкообразные, ротационные, капиллярные вискозиметры и другие приборы.

Как известно из общего курса гидравлики, в обычных (ньютоновских) жидкостях касательные усилия τ вызываются вязкостью и возникают только при движении. В ламинарном потоке жидкости они с ростом градиента скорости увеличиваются по линейному закону (рисунок 7.1, а).

При движении структурных гидросмесей касательные усилия оказывают сопротивление, вызывают взаимодействие не только молекул жидкости, но и твердой фазы.

Поэтому график зависимости касательных напряжений от градиента скорости для структурных смесей (рисунок 7.1, б) существенно отличается от аналогичной зависимости для ньютоновских жидкостей.

Главной особенностью этой зависимости является наличие у структурных гидросмесей напряжения начального сдвига τ ₀, т. е. структурная гидросмесь приходит в движение только в случае, если внешние усилия превысят некоторую величину.

В инженерных расчетах реальную зависимость часто заменяют приближенной (рисунок 7.1, в), которая представляет собой асимптотическую прямую. Ординату пересечения асимптоты с осью называют динамическим напряжением сдвига, причем θ = ⁴/₃τ ₀.

Тангенс угла наклона асимптоты и оси абсцисс называют динамическим (структурным) коэффициентом вязкости гидросмеси μ. По смыслу он напоминает динамический коэффициент вязкости ньютоновской жидкости и имеет такую же размерность, например, в системе СИ — Н · с/м².

При перемещении по трубам структурных гидросмесей наблюдаются четыре режима течения:

а) режим с неразрушенной структурой (режим Шведова, или шведовский),

 

Рисунок 7.1 — Зависимость касательных напряжений от градиента скорости: а — ньютоновские жидкости при ламинарном режиме; б — структурные гидросмеси; в — асимптотическая прямая, аппроксимирующая реальную зависимость

 

Рисунок 7.2 — Эпюры скоростей при различных режимах течения концентрированных гидросмесей в трубах: а — неразрушенная структура (шведовский); б — структурный (бингамовский); в — переходный; г — турбулентный

 

характеризующийся наличием предельного напряжения сдвига, при этом в центре потока имеется ядро, которое двигается как твердое тело (рисунок 7.2, а);

б) структурный режим (бингамовский) с непрерывно разрушающейся структурой, характеризуется наличием динамического напряжения сдвига (рисунок 7.2, б);

в) переходный режим, при котором эпюра скоростей приближается к форме, соответствующей ламинарному режиму движения ньютоновской жидкости, но отношение наибольшей скорости потока к средней всегда меньше двух (рисунок 7.2, в). При перемещении некоторых высококонцентрированных вязко–пластичных гидросмесей переходный режим не наблюдается;

г) турбулентный режим, когда происходит перемешивание потока и вязкость соответствует предельно разрушенной структуре (рисунок 7.2, г). Для большинства концентрированных вязко-пластичных гидросмесей турбулентный режим применять экономически невыгодно из-за больших затрат энергии, необходимых для преодоления резковозрастающих гидравлических сопротивлений.

При перемещении кормовых смесей и навозных масс в трубопроводах применяются скорости движения 0, 3–2 м/с, при этом режим течения наблюдается обычно структурный, реже шведовский.

Опытные данные об основных реологических характеристиках некоторых структурных гидросмесей сельскохозяйственного назначения приведены в таблице 7.5.

Таблица 7.5

Плотность, кг/м3	Влажность W., %	Динамический коэффициент вязкости μ, Н · с/м2	Предельное напряжение сдвига τ 0, Па
Жидкий бесподстилочный свиной навоз
	83, 5	7, 1	4, 12
	86, 5	2, 6	1, 73
	88, 0	0, 7	0, 37
Жидкий бесподстилочный навоз крупного рогатого скота
		0, 425	14, 0
		0, 25	7, 0
		0, 175	2, 7
		0, 13	1, 1
Кормовая смесь: комбикорм — 60 %, сахарная свекла — 40 %
	76, 4	6, 6	34, 6
	81, 3	2, 03	13, 7
	85, 0	0, 97	6, 8
	86, 7	0, 88	2, 25
Кормовая смесь: комбикорм — 40 %, сахарная свекла — 60 %
		5, 5	16, 0
		2, 5	8, 8
		1, 75	6, 3
		1, 2	4, 9
		0, 75	3, 75