9

Розрахування пускової потужності лопатевої мішалки. Виділимо на відстані Х від центра обертання елемент dx (рис. 5.5) та розглянемо енергію, яка витрачається на пуск мішалки до набуття потрібної швидкості:

Підставивши замість r значення d/2, якщо є z лопатей, одержимо значення пускової потужності лопатевої мішалки, кВт:

Визначення робочої потужності за методом теорії подібності. Експе-

риментальні дослідження процесу обтікання лопаті потоком рідини показали, що потужність залежить від швидкості руху рідини і її властивостей, тобто від режиму руху рідини, що характеризується критерієм Рейнольдса. На практиці визначають робочу потужність, апотім — пускову потужність.

Робочу потужність можна визначити:

—розв’язанням рівняння Нав’є — Стокса;

—розв’язанням рівняння процесу змішування;

—застосуванням теорії розмірностей.

Теорія розмірностей дає вигідну перевагу, тому що дозволяє без скла-

дання диференціальних рівнянь одержати критеріальне рівняння змішування. Крім того, теорія розмірностей враховує вплив в’язкості рідини на потужність.

Застосування теорії розмірностей потребує знань з фізики процесу змішування, щоб записати функціональну залежність між величинами, які характеризують процес:

82

Цю залежність можна записати в степеневому вигляді:

У лівій частині маємо критерій Ейлера для мішалки

83

у правій частині — критерій Рейнольдса для мішалки

Величини С i m визначають на підставі факторного експерименту. Знаючи С i m, з рівняння (5.15) одержують формулу для розрахування робочої потужності лопатевої мішалки.

Отримане значення потужності потрібно збільшити на 20—30 %, щоб одержати пускову потужність, за якою вибирають електродвигун для урухомника мішалки. При цьому варто мати на увазі можливість короткочасного збільшення крутного моменту на валу двигуна в момент пуску. Пускова потужність зазвичай перевищує робочу не більш як удвічі і споживається протягом дуже нетривалого часу. Тому для мішалок рекомендовано встановлювати електродвигуни з фазовими кільцями.

5.1.2. Пропелерні мішалки

Пропелерні мішалки застосовують для інтенсивного змішування малов’язких рідин, а також для скаламучування осадків, що мають малу об’ємну масу.

Робочий орган мішалок — звичайний гребний гвинт з 2—4 лопатями, який створює горизонтальний і вертикальний потоки рідини. Кут нахилу до осі обертання змінний, унаслідок чого створюється вертикальний поток рідини.

Конструктивні розміри: діаметр пропелера дорівнює 0,25…0,33 діаметра посудини; обертова частота — 1,50…10,0 с–1 (для в’язких рідин) та 7…25 с–1 (для малов’язких рідин).

Потужність пропелерної мішалки витрачається на подолання опору рідини, а також на подолання тертя пропелера у рідині, її визначають за формулою, кВт:

де D — діаметр кола, описаний крайньою точкою лопаті; n — складна функція, яка залежить від кратності змішування рідини, за хвилину, об’єму рідини, змішуваної за хвилину, і кроку гвинта:

де К — кратність змішування рідини за секунду; V — об’єм змішуваної рідини, м3; a = sin3 θcos θ; H = πD tg θ; θ — кут підйому гвинтової лінії.

84

5.1.3. Турбінні мішалки

Турбінні мішалки застосовують для скаламучування перемішуваної рідини з в’язкістю µ = 5 · 102 Па·с. Вони складаються з одного чи декількох колес (турбін), установлених на одному валу.

Конструктивні розміри мішалки: діаметр турбіни дорівнює 0,25…0,5 діаметра посудини; колова швидкість 3…9 м/с; ширина турбіни дорівнює 0,25 діаметра турбіни.

Потужність турбінної мішалки залежить від режиму руху рідини. У ламінарному режимі, коли Re = ndν 2 ≤ 3 103 , потужність розраховують за формулою, кВт:

де К1 = 0,50…1,0 — коефіцієнт, який залежить від типу турбіни, визначають експериментально. У турбулентному режимі, коли Re > 104, потужність визначають так, кВт:

де K2 = 0,03...0,02 — коефіцієнт, який залежить від розмірів каналу, у

якому змішується матеріал, а також від конструкції турбіни, його визначають експериментально.

85

Розділ 6 Зберігання та дозування

сипучих матеріалів

Великі потоки насипних вантажів у хімічній промисловості потребують створення парку найефективніших машин, приладів і споруд для механізації та автоматизації операцій з ними. Обов’язкова частина таких споруд — бункерні установки, які слугують проміжними резервуарами і пересипними лійками технологічних установок.

Бункерні установки складаються з таких частин: завантажувальні пристрої, спускні лотки і труби, пристрої для зважування, несучі та будівельні конструкції.

Найбільш подібні до бункерів за формою та експлуатаційними характеристиками пересипні лійки, півбункери й силоси. Пересипні лійки відрізняються від бункерів розмірами і зазвичай не мають затворів. Півбункери відрізняються від бункерів малою глибиною порівняно з розмірами в плані; розміщають півбункери найчастіше неглибоко, на поверхні завантажувальної площадки.

Силосами називають резервуари з вертикальними стінками, які застосовують для довгострокового зберігання насипних вантажів. Силоси (рис. 6.1) відрізняються від бункерів (рис. 6.2) більшою висотою порівняно з розмірами в плані.

86

6.1. Властивості насипних вантажів

Вибір конструкцій окремих елементів бункерних установок і визначення їх параметрів залежить від властивостей насипних вантажів, для яких призначена установка. Характерні властивості насипних вантажів — гранулометричний склад (крупність частинок), вологість, об’ємна (насипна) та питома маса, рухливість та зв’язність частинок, злежуваність, змерзання, опір переміщенню відносно твердих поверхонь, липкість, абразивність, корозійність тощо.

Гранулометричним складом насипного вантажу називають кількісний розподіл частинок, які складають вантаж, за їх крупністю. Крупність частинок визначається їх найбільшим розміром а.

Розрізняють насипні вантажі сортовані та рядові. Сортованими називають вантажі, у яких відношення розмірів найбільших аmax до розмірів найменших аmin кусків не перевищує 2,5. Якщо таке співвідношення більше 2,5, то насипний вантаж називають рядовим.

Більшість параметрів елементів бункерних установок визначають залежно від розміру типових кусків для певного насипного вантажу. Для сортованих вантажів під розміром типового куска розуміють розмір середнього куска, тобто

Для рядових вантажів розмір типових кусків визначають по-різному, залежно від маси групи найбільших кусків.

Насипні вантажі залежно від розмірів типових кусків поділяють на категорії, мм:

крупнокускові — aт >160; середньокускові — 60 < aт ≤ 160; дрібнокускові — 10 < aт ≤ 60; крупнозернисті — 2 < aт ≤ 10; дрібнозернисті — 0,5 < aт ≤ 2; порошкоподібні — 0,05 < aт ≤ 0,5; пилоподібні — aт ≤ 0,05.

Вологу в насипних вантажах поділяють на такі різновиди:

—хімічно зв’язана з речовиною волога;

—гігроскопічна волога, яку частинки вантажу вбирають з навколишнього повітря;

—зовнішня волога, яку поділяють на плівкову чи молекулярну вологу, що утворює плівки на поверхні частинок, та гравітаційну вологу, яка заповнює пори між частинками насипного вантажу.

87

Насипні вантажі, які містять лише хімічно зв’язану вологу, називають сухими. Вантажі, які містять гігроскопічну вологу, називають повітряносухими, ті, що містять зовнішню вологу, — вологими. Якщо зовнішня волога міститься у вигляді плівок, які обволікають частинки вантажу, такий вантаж називають вогким, за наявності гравітаційної вологи — мокрим.

Вологість насипного вантажу розраховують за формулою

де G1, G2 — маса матеріалу відповідно до і після просушування у сушильній шафі.

Об’ємною масою сипучого тіла називають масу одиниці об’єму, яку воно займає. Розрізняють об’ємну масу вільного насипу та об’ємну масу ущільненого насипного вантажу.

Коефіцієнт динамічного ущільнення Kущ визначається як співвідношення об’ємної маси ущільненого матеріалу ρущ до об’ємної маси вільно насипаного матеріалу ρ0, тобто

Приблизне середнє значення коефіцієнта динамічного ущільнення можна визначити за формулою

де f — коефіцієнт внутрішнього тертя.

Насипні вантажі за об’ємною масою бувають: легкі — 0,6 т/м3, середні — 0,6…1,1, важкі — 1,1…2, надзвичайно важкі — від 2 та вище.

Маса насипного вантажу — це середня маса твердих частинок, що складають його. Для визначення маси насипного вантажу в скляну посудину насипають порцію сухого вантажу, наливають рідину, яка змочує, але не розчинює частинок вантажу, ретельно перемішують і визначають об’єм утвореної суспензії. Об’ємну масу ρg визначають за формулою

де Gсв — маса порції сухого насипного вантажу; Vсс, Vрд — об’єми відповідно суспензії та рідини.

Рухливість частинок насипного вантажу. Насипні вантажі нале-

жать до категорії сипучих тіл. Сипучі тіла відрізняються від рідин тим, що їх частинки обмежено рухливі через значні сили тертя, причому ці

88

сили тим більші, чим вищий тиск у товщі насипного вантажу. На рис. 6.3 лінія ас показує залежність найбільшого граничного дотичного напруження τ від нормальної напруги стискання σ в сипучому тілі. Кут нахилу лінії ас до осі абсцис φσ — це кут внутрішнього тертя насипного вантажу, а тангенс цього кута — коефіцієнт внутрішнього тертя f.

Рис. 6.3

Коефіцієнт внутрішнього зрушення характеризує силу зчеплення частинок вантажу між собою:

де τ0 — початковий опір зрушенню.

Насипні вантажі, які не мають початкового опору зрушенню (τ0 = 0), називають легкосипучими. Вантажі, що володіють початковим опором зрушенню τ0, називають важкосипучими.

Коефіцієнт внутрішнього тертя практично постійний як під час ущільнення вантажів, так і під час їх зволоження. Лише якщо вміст вологи близький до повного насичення пор, коли насипний вантаж уже на грані переходу в суспензію, коефіцієнт внутрішнього тертя різко знижується внаслідок появи великої кількості вільної (гравітаційної) вологи, що відіграє роль змащення.

Рухливість легкосипучих вантажів характеризується також кутом природного укосу. Кутом природного укосу називають найбільший кут, що може утворити вільна поверхня сипучого тіла з горизонтальною площиною (кут α0, рис. 6.4, а).

89