Конструкції механічних мішалок

 

Конструкції механічних мішалок по пристрою лопатей бувають лопатеві, пропелерні, турбінні і спеціальні.

Всі механічні мішалки діляться на тихохідні (п < 1 об/хв) і швидкохідні (п > 1 об/хв).

Лопатеві мішалки (рис. 8.4) мають декілька плоских лопатей, встановлених перпендикулярно осі обертання.

При обертанні мішалки на поверхні рідини утворюється центральна воронка, глибина якої збільшується із зростанням швидкості обертання перемішуючого пристрою. Існування воронки зменшує об'єм перемішуваного середовища і руйнує створювані мішалкою вихори, знижуючи ефективність процесу. Для запобігання утворенню воронки біля стінок апарату встановлюються 2...4 радіальні відбивні перегородки з рекомендованою шириною b = 0,1D) і заввишки h = 2d_м.

Для підвищення ефективності перемішування на одному валу можна встановлювати декілька пар лопатей.

Достоїнства лопатевих мішалок — простота пристрою і дешевизна виготовлення.

Основною областю застосування лопатевих мішалок є перемішування рідин невеликої в'язкості, розчинення і суспендування твердих речовин з малою різницею густини.

 

 

Рис. 8.4. Лопатева мішалка:

— діаметр мішалки

 

Пропелерні мішалки (рис. 8.5) є пристроями з декількома фасонними лопатями у вигляді суднового гвинта.

Завдяки обтічній формі пропелерні мішалки споживають менше енергії при тих же числах Рейнольдса, ніж перемешуючі пристрої іншої конструкції. Створюючи переважно осьові потоки перемішуваного середовища, пропелерні мішалки скорочують загальний час перемішування.

Пропелерні мішалки застосовуються для інтенсивного перемішування рідин з середньою в'язкістю, приготування суспензій і емульсій.

Турбінні мішалки мають форму коліс з лопатками відкритого (рис. 8.6, а) і закритого (рис. 8. 6,) типів, працюють при високих швидкостях обертання (до 350 об/хв) і здійснюють інтенсивне перемішування рідини.

Відкриті турбінні мішалки мають декілька лопатей, розташованих під кутом до вертикальної площини, що дозволяє створювати радіальні і осьові потоки перемішуваної рідини, а, отже, інтенсифікують процес перемішування.

Закриті турбінні мішалки встановлені усередині направляючих, які представляють собою нерухоме колесо з лопатками, зігнутими під кутом 45...90°, закриті конічними кришками. Ці мішалки створюють переважно радіальні потоки рідини при невеликих енерговитратах.

 

 

Рис. 8.5. Пропелерна мішалка:

— діаметр мішалки

 

 

Достоїнствами турбінних мішалок є висока ефективність перемішування і розчинення, в тому числі в'язких рідин, тонке диспергування твердих частинок.

Для перемішування в'язких рідин, пастоподібних матеріалів і систем з високою концентрацією дисперсної фази застосовують різні типи спеціальних (шнекових, стрічкових і ін.) мішалок (рис. 8.7).

У ряді випадків при перемішуванні в'язких рідин використовують інтенсивні фізико-механічні дії на оброблюване середовище (наприклад, вібрації і пульсації в різних діапазонах частот).

 

Рис. 8.6. Турбінні мішалки:

а — відкритого типу; б — закритого типу; — діаметр мішалки

 

Контрольні питання

 

1. Які способи перемішування існують?

2. Що характеризують ефективність і інтенсивність перемішування?

3. Які чинники і як саме впливають на величину потужності, що витрачається на механічне перемішування?

4. Які конструкції механічних мішалок існують?

 

Рис. 8.7. Спеціальні мішалки:

а — шнекова; б — стрічкова; — діаметр мішалки

 

 

Лекція 9

ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ І АПАРАТИ

 

Основи теплопередачі

Теплові процеси або теплообмін — узагальнена назва процесів передачі енергії у вигляді теплоти між тілами, що мають різну температуру.

Рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур. Причому передача теплоти здійснюється від тіла з більшою до тіла з меншою температурою.

Температурою називається фізична величина, що характеризує ступінь нагрітості тіла. Вимірювання температури можна проводити тільки непрямим шляхом, ґрунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які піддаються безпосередньому вимірюванню. Вживані для цього тіла (речовини) називаються термометричними, а встановлювана з їх допомогою шкала температури — емпіричною. Як початкові значення, що служать при побудові шкали температури для встановлення початку відліку температури і одиниці її вимірювання — градуса, застосовується температура переходу хімічно чистих речовин з одного стану в інший, наприклад температури плавлення льоду t_пл і кипіння води t_кип при нормальному атмосферному тиску.

Ці величини залежно від типу шкали мають наступні значення:

• шкала Цельсія (стоградусна шкала): t_пл = 0 ^0С, t_кип = 100 ⁰С;

• шкала Фаренгейта: t_пл = 32°F, t_кип = 212°F. Зв'язок між температурами, вираженими в градусах Цельсія і Фаренгейта, має вигляд

 

(9.1)

 

• шкала Кельвіна: температура Т відлічується від абсолютного нуля (t=-273,15°С) і називається абсолютною температурою. Зв'язок між значеннями температури за шкалою Кельвіна (Т, ДО) і шкалою Цельсія (t, °З) має вигляд

 

(9.2)

 

Таким чином, шкали Кельвіна і Цельсія тільки зміщені один щодо одного.

До теплових процесів, використовуваних в промисловості, відносяться процеси нагрівання, охолоджування, випаровування і конденсації.

Речовини і тіла, що беруть участь в процесі теплообміну, називаються теплоносіями. Теплоносії з вищою температурою, що віддають теплоту в процесі теплообміну, називаються гарячими теплоносіями, речовини з нижчою температурою, сприймаючі теплоту в процесі теплообміну, називаються холодними теплоносіями.

Передача теплоти може здійснюватися як при безпосередньому зіткненні теплоносіїв, так і через теплопровідну стінку (поверхня теплообміну) і є основним розрахунковим конструктивним параметром теплообмінних апаратів (теплообмінників).

Розрізняють стаціонарні (сталі) і нестаціонарні (несталі) теплообмінні процеси.

При стаціонарних процесах, характерних звичайно для безперервно діючих теплообмінних пристроїв, температура в кожній точці робочого об'єму (тіла) не міняється в часі. При нестаціонарних процесах, характерних для періодично діючого устаткування, температура, навпаки, міняється в часі.

Сукупність значень температур в усіх точках об'єму (тіла) називається температурним полем і описується функцією

 

(9.3)

 

де t — температура в даній точці з координатами х, у, z у момент часу τ.

Окрім тривимірного температурного поля, залежно від умов проведення процесу і числа використовуваних координат можуть розглядатися двовимірні х, у і одновимірні х температурні поля.

Так само, як теплові процеси, температурне поле може бути стаціонарним і нестаціонарним.

Ізотермічна поверхня в температурному полі — поверхня, об'єднуюча точки з однаковими температурами. Через відсутність різниці температур теплота уздовж такої поверхні не розповсюджується.

Теплота в температурному полі, таким чином, може розповсюджуватися тільки між ізотермічними поверхнями. При цьому ступінь інтенсивності зміни температури характеризується температурним градієнтом, вираженим межею відношення приросту температури ∆t до відстані між ізотермічними поверхнями ∆n, направленим по нормалі до цієї поверхні,

 

(9.4)

 

Передача теплоти здійснюється в тому разі якщо grad t ≠ 0. Належить, проте враховувати, що оскільки передача теплоти здійснюється по лінії температурного градієнта від більш нагрітого до холоднішого тіла, тобто у бік пониження температури

Кількість передаваної теплоти описується основним кінетичним рівнянням теплопередачі в диференціальному вигляді

 

(9.5)

 

а для стаціонарних процесів в інтегральному

 

(9.6)

 

де dQ, Q — кількість переданої теплоти;

К — коефіцієнт теплопередачі;

∆ t, ∆ t _ср— різниця і середня різниця температур;

dF, F — елемент поверхні і поверхня теплообміну;

— час здійснення процесу передачі теплоти.

 

 

Тепловий баланс

 

 

При розрахунку теплових балансів користуються наступними тепловими характеристиками:

• питомою теплоємністю (с, Дж/(кг • К)) — кількістю теплоти, необхідною для нагрівання (охолоджування) 1 кг речовини на 1 К.

Теплоємності залежать від температури. Теплоємності твердих і рідких речовин трохи залежать від температури, теплоємності газів істотно збільшуються з підвищенням температури. Тому розрізняють істинні теплоємності при даній температурі і середні теплоємності в деякому інтервалі температур;

• питомою ентальпією (і, Дж/кг) — кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання 1 кг речовини від 0⁰ С (ентальпія при 0°С умовно приймається рівною 0) до необхідної температури t,

 

(9.7)

 

• питомою теплотою фазових перетворень — кількістю теплоти, яка виділяється (поглинається) при зміні агрегатного стану 1 кг речовини (Дж/кг). При цьому розрізняють питому теплоту пароутворення (конденсації) , питому теплоту плавлення (твердіння)

Значення питомих теплоємностей, ентальпій і теплот фазових перетворень приведені в довідковій літературі.

В процесі теплообміну теплота, передавана від гарячого теплоносія Q₁, витрачається на нагрів холодного теплоносія Q₂; крім того, частина теплоти йде на теплові втрати Q_n в навколишнє середовище.

Рівняння теплового балансу в цьому випадку може бути записане у вигляді

(9.8)

 

де Q — теплове навантаження апарату.

Якщо витрата гарячого теплоносія — G₁, його ентальпія на вході в апарат — i_1н, на виході — i_1к, витрата холодного теплоносія — G₂, його початкова ентальпія — i_2н, кінцева — i_2к, то рівняння (9.8) приймає вигляд

 

(9.9)

 

Якщо процес протікає без зміни агрегатного стану теплоносіїв, рівняння (9.9) з урахуванням (9.7) може бути записане через середні питомі теплоємності теплоносіїв с₁, с₂ і відповідні початкові і кінцеві температури теплоносіїв t_{п ,} t_к

 

(9.10)

 

Якщо гарячим теплоносієм є насичена пара в кількості D, яка, конденсуючись, віддає теплоту холодному теплоносію, то теплоту, що виділилася при цьому, можна визначити по формулі

 

(9.11)

 

де i_s, i_конд— ентальпія насиченої пари і конденсату відповідно.

При використовуванні перегрітої пари як гарячого теплоносія теплове навантаження буде сумою наступних теплот:

Q_пер – теплота, що віддається при охолоджуванні пари від t_пар до температури насичення t_s, (ентальпія змінюється відповідно від і_пар до і_s)

Q_конд – теплота конденсації (t_s =const), Q_охл — теплота охолоджування конденсату від t_s, до температури t_охл

 

(9.12)

 

Тут с_пар і с_конд — середні питомі теплоємності пари і конденсату.

 

 

9.3 Механізми передачі теплоти

 

Теплота від одного тіла до іншого передається: теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.

Теплопровідність (кондукція) — перенесення теплоти унаслідок руху і коливань мікрочастинок, що торкаються один одного. Теплопровідністю передається теплота в твердих тілах і тонких шарах рідини і газу.

Конвекція — перенесення теплоти шляхом переміщення макрооб'єктів рідини або газів. Переміщення можливе за рахунок різниці густини, обумовленою неоднаковою температурою окремих ділянок об'єму системи (природна, або вільна, конвекція), а також шляхом примусового їх переміщення в результаті зовнішніх механічних дій за допомогою насосів, компресорів, повітродувок і т.п. (вимушена конвекція).

Теплове випромінювання— перенесення теплоти у вигляді електромагнітних хвиль, випромінюваних нагрітим тілом.

Вказані механізми розповсюдження теплоти рідко зустрічаються в чистому вигляді. Звичайно вони супроводять один одному — відбувається так званий складний теплообмін.

Лекція 10

ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ

Закон Фур’є

 

Теплопровідність описується основним законом передачі теплоти — законом Фур’є, вказуючим, що кількість теплоти, передана унаслідок теплопровідності, пропорційно градієнту температури dt/dn, площі dF, через яку здійснюється передача теплоти, часу dτ проведення процесу:

 

(10.1)

 

Знак мінус в рівнянні (10.1) компенсує негативне значення градієнта температур. Коефіцієнт пропорційності , , називається коефіцієнтом теплопровідності і показує, яка кількість теплоти проходить унаслідок теплопровідності через 1 м² поверхні за 1 с при різниці температур 1 К, що приходиться на 1 м довжини нормалі, до ізотермічної поверхні.

Коефіцієнт теплопровідності залежить в першу чергу від природи і агрегатного стану речовин, через які здійснюється передача теплоти. У меншій мірі на теплопровідність газів впливають температура, тиск і вологість.

При нормальних температурах і тиску кращими провідниками теплоти є метали ( = 17,5... 384 Вт/(м·К)), гіршими — гази ( = 0,006...0,6 Вт/(м • К)). Для будівельних матеріалів (в тому числі теплоізоляторів) =0,05...1,0 Вт/(м·К), для краплинних рідин = 0,1... 0,7 Вт/(м·К).

На підставі рішення рівняння Фур’є можна одержати залежність, що описує передачу теплоти через стінки різних конфігурацій.

10.2 Передача тепла через плоску стінку.

 

Вважаємо, що температура стінки міняється в одновимірному полі від температури t_ст1 до t_ст2 (t_ст1>t_ст2), товщина стінки —δ, а теплопровідність — .

Відповідно до рівняння Фур’є кількість теплоти, що проходить через стінку площею F при стаціонарному режимі, можна записати як

(10.2)

Розділивши змінні, проінтегруємо дане рівняння в заданих граничних умовах

(10.3)

одержимо

(10.4)

Величина, зворотна коефіцієнту пропорційності, R = = 8Д, називається термічним опором стінки. У разі багатошарової стінки (п — число шарів) її термічний опір визначається по залежності .