Цель работы: Экспериментально определить затраты мощности на перемешивание в аппарате с мешалкой. Установить зависимость критерия мощности от числа Рейнольдса.

Основные определения и теория процесса

Перемешивание – это процесс многократного перемещения частиц текучей среды относительно друг друга во всем объеме аппарата, протекающий за счет импульса, передаваемого среде механической мешалкой, струей жидкости или газа. Процессы перемешивания широко применяются в химической и пищевой промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и растворов, а также для ускорения тепловых, массообменных и химических процессов. На практике наиболее распространенным способом перемешивания является механический, который осуществляется с помощью вращающихся механических мешалок. Устройство мешалок описано в [2].

Основными характеристиками процессов перемешивания являются интенсивность и эффективность перемешивания. Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой к единице объема или к единице массы перемешиваемой среды в единицу времени.

Под эффективностью перемешивания понимают технологический эффект, характеризующий качество проведения процесса.

Мощность, затрачиваемая на перемешивание, зависит от целого ряда факторов: конструкции мешалки, аппарата и его внутренних устройств, физических свойств среды и числа оборотов вала мешалки.

Для описания процессов перемешивания широко используются критериальные зависимости. Так, обобщенное уравнение гидродинамики для процессов перемешивания имеет вид [2]:

K_N = f (Re_м, Fr_м, Г₁, Г₂ …)

или         (1)

где   – критерий мощности;

 – модифицированное число Рейнольдса ;

Fr_м = n · d_м /g – модифицированное число Фруда;

Г₁, Г₂ – симплексы геометрического подобия;

N – мощность на валу мешалки, Вт;

n – число оборотов мешалки в секунду, с^-1;

d_м – диаметр мешалки (диаметр окружности, описываемый мешалкой), м.

Если при перемешивании на поверхности жидкости не образуется воронка, то влияние силы тяжести на протекание процесса будет невелико и при условии геометрического подобия уравнение (1) принимает вид:

K_N = С ·Re             (2)

Значения коэффициентов А, С и показателей m, n, p, q определяется экспериментально, а значения критерия мощности, как правило приводятся в виде графических зависимостей [1].

Описание установки

Работа выполняется на установке, общий вид которой представлен на рис. 1. Основным элементом установки является аппарат для перемешивания жидких сред, включающий перемешивающее устройство 7 и корпус 5. Привод состоит из электродвигателя постоянного тока 2, редуктора 3, пускового устройства 1. Частоту вращения измеряют тахометром 4 и пересчитывают с учетом передаточного числа редуктора. Подъемный столик 6 служит для изменения положения мешалки по высоте аппарата. Верхняя крышка аппарата отсутствует. Такое исполнение корпуса обеспечивает возможность наблюдения за процессом перемешивания в аппарате и обеспечивает легкую смену мешалок.

Величину крутящего момента определяют с помощью специального устройства 8, основанного на использовании трубок Пито.

Порядок выполнения работы

15. Установить мешалку 7 на вертикальный вал, предварительно замерив размер лопастей.

16. Заполнить сосуд 5 водой до метки на цилиндрической царге.

17. Установить рычаг регулирования скорости вращения мешалки на минимальное число оборотов.

18. Включить электродвигатель 2 привода мешалки.

19. Снять показания тахометра 4.

20. Определить показания устройства 8.

Далее проводят измерения при других числах оборотов мешалки. После проведения одной серии замеров двигатель выключают, меняют мешалку, и все операции повторяют в той же последовательности. Результаты измерений заносят в таблицу.

Обработка результатов измерения и содержание отчета

Для установившегося режима потребляемую мощность на перемешивание определяют по формуле:

N_n = M_кр · n,             (3)

где n – скорость вращения мешалки, с^-1;

M_кр – крутящий момент, Н м;

N_n – мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт.

Для измерения крутящего момента на установке использована оригинальная методика, основанная на использовании трубок Пито. Одна из этих трубок вварена ровно в корпус аппарата, а другая направлена навстречу потоку жидкости и учитывает динамический напор. Чем интенсивнее вращение, тем больше разница уровней в указанных трубках. Для того чтобы установить связь Δ h с крутящим моментом, была выполнена калибровка трубок и получено уравнение

M_кр = 0,127 · Δ h^0,42, Н · м       (4)

В этом уравнении Δ h следует подставлять в миллиметрах.

Таблица 1 – Измеренные и рассчитанные величины

Для каждого типа мешалок строится график зависимости lg K_N от lg Re_м  и определяют показатель степени m и коэффициент С в уравнении (2).

По полученному уравнению рассчитывают критерий мощности, из которого определяют мощность, и сравнивают ее с опытной.

Отчет должен включать схему установки, расчетные формулы, таблицу измеренных и рассчитанных величин, графики зависимости lg K_N от lg Re_м , вычисленные значения констант m и С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов /Под ред.чл-корр.АН СССР П.Г.Романкова.-10-е изд., перераб. и доп.-Л.: Химия, 1987.-576с.,ил.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов.Изд.2-е. В 2-х кн.-М.: Химия, 1995.-кн.1.-400с.: ил.