Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет




НазваниеРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
страница1/3
Дата04.02.2016
Размер19 Kb.
ТипМетодические указания
  1   2   3


Министерство образования и науки Российской Федерации


Федеральное агентство по образованию


Саратовский государственный технический университет


Определение

расхода энергии

на перемешивание


Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсам «Процессы и аппараты пищевых производств»

и «Процессы и аппараты химических производств»

для студентов специальностей: 260601,240801,240302, 240502

и направления 240100

дневной и заочной форм обучения


Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета


Саратов 2006

Цель работы: исследовать экспериментально расход энергии в зависимости от условий работы мешалки; рассчитать теоретический расход энергии на перемешивание; результаты сравнить.


ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ


Перемешивание является одним из самых распространенных процессов в химической и смежных с ней отраслях промышленности, а также в повседневной жизни. Перемешивание может протекать самопроизвольно, например, за счет диффузии компонентов системы, или же принудительным путем вследствие подвода к системе извне механической энергии, например, с помощью мешалок. На производстве перемешивание осуществляется в целях:

- обеспечения равномерного распределения и дробления до заданной дисперсности газов и жидкости или жидкости в жидкости, а также равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

- интенсификации нагревания или охлаждения обрабатываемых масс, а также обеспечения равномерного распределения растворенного вещества в перемешиваемом объеме;

- интенсификации массообмена в перемешиваемой среде, а также обеспечения равномерного распределения температуры в перемешиваемом объеме;

- интенсификации массообмена в перемешиваемой среде, а также равномерного распределения растворенного вещества в перемешиваемой массе.

В результате перемешивания можно получить однородные растворы (или смеси сыпучих материалов), эмульсии и суспензии.

Перемешивание производится как в реакционных аппаратах (автоклавах, сульфураторах, нитраторах и т.д.), так и в специальных аппаратах (смесителях, аппаратах с мешалками), а также в промежуточных аппаратах, трубопроводах, хранилищах.

Перемешивание производится при проведении как периодических, так и непрерывных процессов. Существует много конструкций перемешивающих устройств: перемешивание газом или паром; перемешивание циркуляцией жидкости; вибрационное и пульсационное перемешивание; перемешивание механическими мешалками с вращательными движениями перемешивающих органов.

Каждый из перечисленных видов перемешивающих устройств имеет свои специфические преимущества и недостатки, и определенную область применения.

Наиболее распространены в настоящее время аппараты с вращающимися механическими мешалками разных типов (приложение 1).

При перемешивании такими мешалками возникает сложное трехмерное течении жидкости. Первичным в этом течении является тангенциальное движение, которое в пространстве, ограниченном дном и стенками аппарата и свободной поверхностью жидкости, вызывает радиальные и аксиальные потоки.

Поскольку аналитического описания поля скоростей в аппаратах с мешалками до настоящего времени получить не удалось, то их характеризуют технологической интенсивностью и эффективностью.

Интенсивностью I действия аппарата с мешалкой называют возможность достижения некоторого заданного, строго определенного технологического результата (качества перемешивания) за определенное время :

Iп const = .

Эффективностью Е аппарата с перемешивающими устройствами будем называть возможность достижения заданного технологического результата (качества перемешивания) при затрате определенной

работы N:

E =f ∙(N),

где - N - мощность, потребляемая мешалкой.

Очевидно, что действие мешалки тем более эффективно, чем меньшая работа затрачивается на достижение требуемого технологического результата. Мощность, потребляемая механическими мешалками, зависит от многих факторов. Существующие методы расчета не вполне точно учитывают такие факторы, как форма и размеры аппаратов и перемешивающих органов, наличие препятствий: змеевиков, гильз, труб, отражательных перегородок и т. п.

При проведении технологических процессов перемешиваемая среда может изменить температуру и физические свойства (плотность, вязкость), что отражается на потребляемой мешалкой мощности. Поэтому в ответственных случаях результаты расчетов проверяют на лабораторных и пилотных установках.

Рассматривая течение жидкости в аппаратах с мешалкой, как частный случай движения жидкости, для описания процесса при установившемся режиме можно воспользоваться общим критериальным уравнением:

Eu = (Re, Fr, Г1, Г2.), (1)


где Eu - критерий Эйлера, являющийся мерой отношения сил движения

к силам инерции; Eu = (2)


Re - критерий Рейнольдса, являющийся мерой отношения сил инерции

к силам внутреннего трения; Re= (3)

Fr - критерий Фруда, являющийся мерой отношения сил инерции к

силам тяжести; Fr= (4)

В этих выражениях: Г1, Г2 - симплексы геометрического подобия;

P - потери давления, Па;

U - средняя скорость движения потока, м/с;

d - определяющий линейный размер, м;

- плотность жидкости, кг/м3;

- вязкость жидкости, Па∙с;

q - ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с2.


Для аппарата с механическими мешалками определяющим линейным размером целесообразно принять диаметр вращающейся мешалки dн.. Так как действительную скорость движения жидкости определить трудно, то эту величину заменяют пропорциональной ей величиной – произведением n∙dн, а вместо величины потери давления вводят величину потребляемой мощности. Тогда критерии динамического подобия могут быть приведены к виду:

, (5)

являющемуся безразмерным выражением мощности, затрачиваемой на перемешивание; центробежный критерий Рейнольдса

Reц = ; (6)

центробежный критерий Фруда

Frц =, (7)

где n – частота вращения мешалки, об/с;

N – мощность на валу мешалки, Вт.

При условии геометрического подобия обобщенная зависимость для определения мощности на валу мешалки будет иметь вид:


. (8)


В случае, когда в аппарате с мешалкой установлены отражательные перегородки и на поверхности однородной жидкости не образуется воронка, влияние силы тяжести будет пренебрежительно малым и уравнение можно упростить:


KN=C∙Re цm . (9)


МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА


Установка для исследования процесса перемешивания показана на рис.1. Установку приводят в действие электродвигателем постоянного тока 3. Плавное изменение частоты вращения производят с помощью тахометра, состоящего из датчика 9, жестко связанного с валом электродвигателя, и дистанционного прибора 16.

Для определения мощности, потребляемой мешалкой, используют динамометр, схема устройства которого изображена на рис.2. В зависимости от сопротивления, встречаемого мешалкой, электродвигатель поворачивается на некоторый угол так, что момент, создаваемый пружиной измерительного прибора динамометра, уравновешивает момент, создаваемый мешалкой. Измеренный момент определяется по шкале приборов. Единица измерения – Н∙м.


МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ


Опыты по определению расхода мощности на перемешивание начинают с установления «нулевого» показания динамометра, то есть показания, отвечающего холостому ходу установки. Действительное число делений шкалы динамометра, соответствующего каждой нагрузке, определяют как разность между показаниями нагруженного динамометра и «нулевым» показанием. Далее устанавливаются сосуд определенных размеров и формы, мешалка указанного размера и типа, заполняют сосуд той или иной жидкостью и замеряют ее температуру.

В условиях установившегося режима работы мешалки определяют показания динамометра при 6-8 заданных частотах вращения. Для получения результатов проводят не менее трех серий измерений, каждый раз последовательно изменяя частоту вращения.


ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА


Основные правила техники безопасности при проведении лабораторной работы по определению расхода энергии на перемешивание сводится к следующему:

- не допускать включения рубильника и двигателя мокрой рукой. При включении следует надевать резиновую перчатку;

- подтягивание гаек и движущих частей разрешается только при остановленной мешалке;

- электродвигатель должен быть заземлен;

- не допускается менять мешалку с включенным рубильником или двигателем;

- запрещается в момент пуска и работы электродвигателя мешалки, прикасаться к какой- либо части перемешивающего устройства;

- при пуске мешалки проверяют направление вращения двигателя. Неверное направление вращения влечет за собой искажение вертикальных потоков жидкости, а также вызывает развертывание винтовых соединений мешалки. В этом случае электродвигатель необходимо отключить и сообщить об этом лаборанту или преподавателю; при любой неисправности двигателя (гудение, сильный нагрев, самопроизвольное изменение чисел оборотов, остановок) его необходимо выключить и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

В случае обнаружения неисправности установки категорически запрещается включать установку в работу. Необходимо сообщить об этом преподавателю или лаборанту.





Рис.1 Схема установки




Рис. 2 Схема прибора для замера крутящего момента


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


Задание 1

Теоретическое определение мощности,

затрачиваемой на перемешивание


1. Рассчитывают диаметр нормализованной мешалки, для которой

отношение, м:

Dапп /dн = 3; dн = Dапп /3.


2. Определяют гидродинамический режим перемешивания по формуле 6:

Reц=.

3. Определяют с помощью графика значение критерия мощности KN (приложение 2).

4. Рассчитывают мощность, потребляемую мешалкой при установлении режима 5, Вт:

N=KN∙n3∙dн5.


5. Результаты данного расчета мощности (N) записывают в таблицу и сравнивают с экспериментально полученными значениями (приложение 3).


Задание 2

Экспериментальное определение мощности,

затрачиваемой на перемешивание


Оборудование и принадлежности: электродвигатель постоянного тока; бак - объем 75 дм3, диаметр 400 мм., высота 500 мм; мешалки - рамные, якорные, пропеллерные, турбинные; тахометр; управляющий блок; термометр ртутный (шкала 0-1000С).


1. Проводят подготовку установок к выполнению опыта. Для этого прежде всего осматривают и проверяют визуальную готовность и ее комплектность (рис. 1).

2. Устанавливают отражательные перегородки 6 и мешалку 2 на вал электродвигателя 3.

3. Включают рубильник 8, тумблер 15 на блоке 12 и устанавливают по вольтметру 16 необходимое напряжение ручкой 14.

4. С помощью ручки 15 устанавливают по прибору 13 нужное число оборотов вращения 3.

5. На приборе 7 устанавливают нуль.

6. Выключают установку в обратной последовательности (см. пункт 3;4).

7. Заливают через штуцер 5 жидкость до отметки h=D.

8. Включают установку, для чего включают рубильник 8, тумблер 15 на блоке 12 и устанавливают по вольтметру 16 необходимое напряжение.

9. С помощью ручки 15 устанавливают по прибору 13 нужное число оборотов вращения электродвигателя 3.

10. Заменяют прибором 7 крутящий момент Mкр (Н∙м).

11. Устанавливают другое число оборотов и опыт повторяют.

12. По заданию преподавателя сливают жидкость из аппарата 1 через штуцер 11 и заменяют ее жидкостью с другой вязкостью.

13. Данные, снятые с прибора 7, Mкр заносят в отчетную таблицу.


ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА


  1. Величину Mкр рассчитывают по формуле:


Мкр=Sr∙r,

где Sr - сила на плече r от оси вращения, Н;

r - плечо, м.


  1. Экспериментальные данные по определению Мкр обрабатывают статистическими методами в соответствии с ГОСТ 11.004-94.

Прежде, чем найти погрешность эксперимента, необходимо сначала оценить сомнительный результат, который отбрасывается.

Оцениваем влияние совокупности значений х123 на наличие ошибочных значений, используя при этом критерии Стьюдента tα.

По формуле: ,

где К- число значений опыта;

х1= М1кр х2 = М2кр х3 = М3кр хN = MNкр,


определяют среднее значение величины х, отбрасывая при этом сомнительный результат. Затем рассчитывают стандартное отклонение:


.


После этого находим tα. Значения критерия Стьюдента для уровня достоверности α = 95% приведены в приложении 4.

Если хN>x+ tα или х1<х- tα, сомнительный результат (хN или х1) можно отбросить как менеправдоподобный.

Несмещенной оценкой для генерального среднего нормального распределения является выборочное среднее (среднее арифметическое), определяется по формуле:

х=,

где х1, х2……хN - совокупность наблюдаемых значений случайной

величины Мкр;

n - объем выборки (число измерений).

Среднеквадратичная погрешность измерений:


S=.

Несмещенная оценка для среднеквадратичного отклонения:


S1=Mk∙S.


Значение коэффициента Мк определяется по приложению 5 в зависимости от числа измерений: К = n-1. Несмещенная оценка для дисперсии нормального распределения

.


Нижняя доверительная граница для генерального среднего:

аn=x+,

где tα - квантиль распределения Стьюдента для доверительной

вероятности, определяется по приложению 6:

=- абсолютная погрешность измерения.

Относительная погрешность измерения

=.

Нижняя доверительная граница для среднеквадратического отклонения



где zn = .

Верхняя доверительная граница для среднеквадратического отклонения



где zв = ,

Значения uγ находятся по заданному значению доверительной вероятности γ по приложению 7.

  1   2   3

Похожие:

Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
«Физические и химические методы исследования поверхности металлов и твердых тел»
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Определение геометрических параметров шарнирного многозвенника. Построение плана положений механизма
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Цель работы: практическое ознакомление с основными типами сверл и приобретение навыков контроля их геометрических и конструк­тивных...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет
Цель работы: ознакомиться со способами количественного определения выбросов промышленных предприятий в атмосферу и со способами очистки...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию гоу впо «у ральский государственный технический университет упи»
Целью дисциплины является изучение основ теории принятия решений, а также конкретных моделей, встречающихся и используемых в разработках...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию гоу впо «Уральский государственный технический университет упи» утверждаю
Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования 230000 «информатика и вычислительная техника» и...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconОбразовательная программа федеральное агентство по образованию
Гоу впо «Уральский государственный технический университет – упи имени первого президента России Б. Н. Ельцина»
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра социологии
Требование к обязательному минимуму содержания дисциплины «Менеджмент в социальной сфере» по специальности 040201 «Социология»
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconИнтеллектуальная миграция малого российского города
Защита состоится «16» декабря 2010 г в 11 часов на заседании диссертационного совета д 212. 242. 03 при гоу впо «Саратовский государственный...
Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет iconРоссийской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет Кафедра социологии
Требование к обязательному минимуму содержания дисциплины «Социология организаций» по специальности 040201 «Социология»
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница