Йықтың еркін (бос) бетінің түрі.

Күрделі үш өлшемді ағыны араластырғышы бар аппаратта пайда болады. Бұл жағдай араластырғыштың айналма қозғалысымен байланысты. Сірә, тангенциальды қозғалыс алғашқы жағдай сияқты. Жылдамдықтарды өлшеу мәліметтеріне қарағанда айналмалы жылдамдықтың орташа мәні біршама радиалды және аксиалды жылдамдықтардан жоғары екенін байқатады.

Араластырғышы бар тегіс қабырғалы цилиндр сосудта (ыдыста) сұйықтың жуықталған қозғалу моделін қарастырайық.

Айталық сұйықтың тұрақталған қозғалысы жазық бойымен өтуде, яғни сұйықтың барлық бөлшектері белгілі жазыққа параллел қозғалыста делік, демек осы жазықтың кез-келген нүктесі арқылы жргізілген түзудің нүктелеріне перпендикуляр болады. Сұйық жылдамдығы бірмәнді болады. Бұл кезде жылдамдық құйынының бағыты (векторы) қозғалыс жылдамдығына перпендикуляр (тік) бағытталады. Жылдамдықтың радиалды құрамы нөлге тең болады.

Жазықтарда орналасқан сұйық қозғалысының бағыты сызықтары Z өсіне перпендикуляр. Бұл кезде сұйықтары концентрлі шеңбер болады. Шеңбердің орналасу орталығы (центрі) Z өсінде болады. Z өстерінің және сұйыққа әсер етуші салмақ күшінің бағыттары бір-біріне қарама-қарсы болады.

Жоғарыда келтірілген жағдайларды ескере келіп цилиндірлі координатта жазылған Эйлера тнңдеуі г және Z бағыттарында былайша түрленеді:

(15.11)

(15.12)

мұнда u_Т – сұйықтың тангенциалды жылдамдығы, м/с;

Р – сұйықтың қысымы, Па.

r өсі ыдыстың (сосудтың) радиусы бойынша бағытталған z өсі оның биіктігі алынған.

Араластырғыштары бар сосудтардағы сұйықтың қозғалысын аналитикалық жолмен зерттеген көбінесе жуықталған шартты түрде Ренкиннің құйынның комбинацияланған көзқарасы қабылданады. Сұйықта шартты түрде цилиндр тәрізді құйын құыры бар деп есептейді. Бұл құйынды құбырдың көлденең қимасы дөңгелек радиусы «а», Z өсінде орналасады деп есептейді. Сонымен бірге, г < а болған кезде сұйық тұрақты w бұрыштың жылдамдықпен Z өсін айналып қозғалады:

u_Т = r w (15.13)

Құынды құбырдың сыртқы жағынды потенциалды (құйынсыз қозғалыс).

Қабылданған жоғарыдағы жағдайлар үшін W₂ жылдамдық векторы үшін

(15.14)

(15.11) - (15.14) теңдеулерінен сұйықтың бос бетінің теңдеуін алуға болады:

егер r < a (15.15)

егер r > a (15.16)

(15.15), (15.16) теңдеулерін қорытып шығару жоғарға оқу орындарының химия-технологиялық мамандарының студенттеріне /4/ оқу құралында келтірілген.

Бос беттің түрі 15.3. суретінде көрсетілген. Сұйық бетінде шұңқыр (воронка) пайда болады.

Оның ең үлкен тереңдігі ОА сұйық деңгейіне байланысты.

AO = w²a²/g (15.17)

Сұйық бетіндегі шұңқырдың тереңдігі араластырғыштың айналу жиілігі өскен жоғарылайды. Шектегенде сұйық бетіндегі шұңқырдың (воронканың) тереңдігі араластырғыштың күпшегіне (ступицы), кей кезде ыдыстың (сосудтың) түбіне жетуі мүмкін. Араластыру қондырғысының тұрақты жұмысы нашарлайды, араластыру сапасы төмендейді.

Сур. 15.3. Сұйықтың бос бетінің түрі (формасы). Оның қозғалысы Ренкиннің комбинацияланған құйын туралы байланысы арқылы анықталады.

Жылдамдығы жоғары (айналу саны жоғары) араластырғышы бар аппараттардың қабырғасында шұңқыр (воронка) пайда болуынан арылу үшін радиалды шағылдырғыштар (отражатель) кедергілер қойылады.

Пайда болған шұңқырдың (воронканың) тереңдігін h_b=ОА. Кедергілер қойылмаған турбиналық араластырғыштардағы шұңқырдың (воронканың) тереңдігін төмендегі критериалды теңдеулер арқылы есептейді:

Егер G_a > 3^.10⁷

h_b/d = A^.G_a^0,069(D/d)^-0,38Fr_ц^х (15.18)

мұнда x = 1,14 G_a^-0,008(D/d)^0,008

егер G_a < 3 ^.10⁷

h_b/d = A¢^.G_a^0,33(D/d)^-1,18Fr_ц^х (15.19)

мұнда x = 3,38 G_a^-0,074(D/d)^0,14

(15.18) теңдеуіндегі А коэффициенті әртүрлі турбиналық араластырғыштар үшін 0,71 –ден 1,52 дейінгі аралықта болады. (15.19) теңдеуіндегі А¢ коэффициенті 0,013 тен 0,073 дейін өзгерісте болады.

Галилей ұқсастық саны:

G_a = Re_ц/Fr_ц^х (15.20)

Салмақ күшінің әсері өте төмен болған кезде шұңқыр (воронка) тәріздес болмайды немесе оның тереңдігі кішірек болады.

Бұл зертханалық жұмысты орндау нәтижесінде сұйықтың бос бетінің түрі (формасы) салыну керек.

15.2. Зертханалық қондырғының сипаттамасы

Қондырғыды геометриялық сипаттамасы 15.1. суретке сәйкес екі турбиналық араластырғышы бар аппарат орнатылған. Зертханалық стендтің хемасы 15.4. суретте көрсетілген.

Араластырудың тиімділігін экспериметтік түрде үйренуге арналған бірінші аппараттың ішкі диаметрі D = 0,4 м. Аппаратқа трансформаторлық май (көлемі V_m = 0,03 м³) мен су (көлем V_су= 0,06 м³) құйылған. Бірінші аластырғыштың айналым саны 0-ден 4 айн/с дейін бір қалыпты өзгеруі мүмкін. Аппараттың тығынды крандармен қамтамасыз етілген биіктігі бойынша бес таңдаулы құрылғысы бар.

Бос беттің формасын зерттеуге арналған екінші аппарат шыны ыдыстан жасалған және ішкі диаметрі D = 0,25 м. Екінші аластырғыштың айналым саны 0-ден 8 айн/с дейін бір қалыпты өзгеруі мүмкін.

Сур. 15.4. Зертханалық стендтің схемасы

1- араластыру тиімділігін анықтауға негізделген аппарат; 2 – сұйықтың еркін бетінің зерттеуге негізделген аппарат; 3 – бірінші араластырғыштың жылдамдығының реттегіші; 5 – бірінші араластырғышты қосатын тетік; 6 - екінші араластырғышты қосатын тетік; 7- бірінші және екінші араластырғыштырдың жылдамдығын өлшеу үшін айн/с-та градуирленген вольтметрлер; 8 – стендті электрмен қоректендіргіш индикаторы

15.3. Зертханалық жұмысты орындау тәртібі

1. Оқытушыдан тапсырма алу керек. Тапсырма әрбір сынақтағы араластыру айналымының саны көрсетілген. Есептеуге қажет сынақтар саны, физикалық константалар.

2. (15.1.) теңдігі бойынша концентрацияның орташа мәні х_ор табу қажет. Органикалық қабат пен судың көлемін су өлшегіш шынының көмегімен анықтау керек.

3. Басқару қалқанындағы 5 тумблермен бірінші араластырғышты қосу қажет. Бір сынақтың шарттарына сәйкес 3 жылдамдықты реттегіштің көмегімен араластырғыштың айналым санын қою керек.

4. 5 минут өткен соң мензуркада сұйықтықтың пробасын таңдау кажет. Судың концентрациясын анықтау х_i, x_i (i = 1,2,...5). (15.1) –(15.3) теңдеулер көмегімен үш таңбалық анықтамамен концентрацияның есептеу. Найти индекс перемешивания I по формуле (15.4) теңдігінен араластыру индексін I табу керек. Анализ нәтижелерін 15.1. кестесіне енгізу керек. сынаманы аппаратқа құйып, бірінші араластырғышты өшіру керек.

5. 2 – 4 пункттердегі араластырғыштың айналым сандарының барлық мәндері үшін қайталау.

6. (15.6) теңдігімен әрбір сынақ Re_ц мәнін есептеу. Сызбадан (сур. 15.2) K_N критериін анықтау және (15.7) өрнектен араластырға кететін қуаттың мөлшерін табу.

7. Жұмыс қорытындыларын дайындау.

15.4. Сұйықтың еркін пішінді бетін зерттегендегі зертханалық жұмысты орындау тәртібі

1. Оқытушыдан тапсырма алу керек. Тапсырмада есептеу үшін қажетті, әрбір тәжірибедегі араластырғыштың айналу саны, тәжірибе саны, физикалық тұрақтылықтары ұсынылған.

2. Екінші араластырғыш тумблерді 5 қосу керек. Жылдамдық реттегіш (регулятор) 4) арқылы тәжірибенің біреуінің шартына сай айналу санын табу керек.

3. 1 минут өткен соң визуалды (шыны ыдыста бекітілген сызғышпен) шұңқыр (воронка) тереңдігін Һ_в көбеюін анықтау керек. Екінші араластырғышты қосу керек. Құйынды құбырдың (15.17) теңдігі арқылы радиусы анықталады.

, м

4. Араластырғыштың айналу санының барлық берілген мәндеріне 2,3 пункттерін қайталап жүргізу керек.

5. Шұңқыр (воронка) тереңдігінің араластырғыштың айналу санына тәуелділіктегі сызбасын тұрғызу керек.

6. Сұйықтың еркін пішінді бетін ЭЕМ- да анықтау үшін WIND BAS файл қолданылады. Бұл файлда (15.15), (15.16) теңдіктері бойынша есептеу Z бағдарламалары сақталады. Қажетті түсіндірмелер қосымшадан алынады. Берілген барлық жылдамдықтағы араластырғыштар үшін, сұйықтың еркін пішінді бетін сипаттайтын (Сур .15.3) графигін тұрғызу керек.

7. (5.18. – 15.20) теңдіктерінен араластырғыш режимінің біреуіне шұңқырдың (воронка) тереңдігінің көбеюін табу керек. Алынған нәтижелерді экспериментпен салыстыру керек.

8. Жұмыс қорытындыларын дайындау.

15.5. Бақылау сұрақтары

1. Химиялық технологияда араластыру процесінің ролі.

2. Араластыру тиімділігін өлшем қызметін не атқарады?

3. Араластыруға жұмсалатын қуатты анықтау үшін қандай критерий қолданады?

4. Араластыру кезіндегі сұйықтың еркін беті қандай түрде бейнеледі?