Порядок выполнения работы

Лабораторная работа № 1

Определение расхода энергии на перемешивание

Цель работы: определение расхода на перемешивание

Теоретические сведения

Основным назначением мешалок является равномерное распределение твердых частиц в жидкости, смешение и диспергирование жидкости для приготовления эмульсий, а также интенсификации процессов растворения, теплообмена и химических реакций.

Основные типы мешало разделяют на две группы: скоростные (n>100 об/мин - пропеллерные, турбинные) и тихоходные (n=12...100 об/мин -лопастные, якорные, рамные).

Важными характеристиками, на основании которых производится сравнение и оценка работы мешалок различного типа, являются интенсивность и эффективность перемешивания.

Интенсивностью перемешивания I- это возможность достижения заданного технологического результата за определенное время при n=const, т.е. при заданном числе оборотов действие мешалки будет тем интенсивней, чем меньше время перемешивания. Иначе: при , т.е. при одинаковом времени достижения данного результата действие мешалки тем интенсивней, чем с меньшей частотой она вращается.

Эффективность перемешивания Е - это возможность достижения заданного технологического результата при затрате определенной работы: , где - мощность, потребляемая мешалкой. Действие мешалки тем эффективнее, чем меньшая работа затрачивается для достижения данного результата.

Расчет мешалки, предварительно выбранной по каталогу, связан с определением её мощности, т.е. тип мешалки и её параметры (диаметр, количество и размер лопастей, конструкцию аппарата, в котором происходит перемешивание, а также число оборотов электродвигателя) являются заданными.

В аппаратах с мешалкой имеет место сложное трехмерное движение жидкости. Первичным в нем является тангенциальное (вращательное) движение жидкости. Как следствие его возникают радиальное и осевое движения.

Вынужденное стационарное движение жидкости описывается обобщенным критериальным уравнением:

(1)

Для описания процесса перемешивания используют модифицированные критерии гидродинамического подобия. В них действительную скорость жидкости (которую при перемешивании определить трудно) заменяют величиной , где - частота вращения мешалки, - определяющий линейный размер- диаметр мешалки. Модифицированные, или центробежные, критерии подобия имеют вид:

центробежный критерий Рейнольдса:

;

(2)

центробежный критерий Фруда:

;

(3)

центробежный критерий Эйлера:

;

(4)

В приведенных уравнениях приняты следующие обозначения:

- плотность жидкости, кг/м³;

- частота вращения мешалки;

- диаметр мешалки, м;

- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/c².

Если в выражении для критерия , величину представить через мощность, то можно получить критерий мощности , т.е. безразмерное выражение мощности:

(5)

Выражение (5) служит для расчета мощности , потребляемой мешалки.

Обобщенное критериальное уравнение для определения критерия мощности примет вид:

(6)

где - симплексы геометрического подобия: , , ;

- диаметр аппарата, м;

- ширина лопасти мешалки, м;

- высота слоя жидкости, м.

Влияние сил тяжести сказывается на образование воронки и волн на свободной поверхности перемешиваемой жидкости. Для устранения этих явлений в аппаратах устанавливают отражательные перегородки. Если влиянием сил тяжести можно пренебречь, то критериальное уравнение для геометрического подобия мешалки будет иметь вид:

(7)

Опытные данные обычно представляют в виде графической зависимости критерия мощности от критерия Рейнольдса для различных типов мешалок.

На графике зависимости можно выделить три области. Ламинарный режим движения () характеризуется снижением при увеличении . Турбулентная область () характеризуется менее резкой зависимостью критерия мощности от критерия Рейнольдса. При (автомодельная область) критерий практически не зависит от .

Описание установки

Установка представляет собой полый цилиндрический сосуд 4 диаметром 385 мм и высотой 485 мм (рис.1). Для перемешивания используется турбинная мешалка 5 открытого типа с шестью лопастями (диаметр мешалки 125 мм, ширина лопасти 24 мм). Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 1 через ременную передачу 2. Числа оборотов мешалки измеряются тахометром 3, сила тока - миллиамперметром А, напряжение -вольтметром V.

рис.1 лабораторная установка

Порядок выполнения работы

1. Определяют мощность холостого хода мешалки. Для этого при четырех-пяти различных числах оборотов мешалки в сосуде без жидкости определяют силу тока и напряжение.

2. Заполняют сосуд жидкостью до и замеряют значение силы тока и напряжения при тех же числах оборотов мешалки.

Требуемое число оборотов устанавливают с помощью ЛАТРа. Замер числа оборотов производится дважды - при увеличении и уменьшении частоты вращения; для расчета используют средние значения.