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.
|