Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

средства испытания и исследования технологического оборудования

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Средства испытания и исследования технологического оборудования» для студентов II курса, специальностей 240801, 240802 и других специальностей химико-технологического профиля, дневной и заочной форм обучения

НОВОСИБИРСК 2006

Составитель: А.И. Яворский, к. т. н., доц.

Рецензент: В.И. Жуков, к. т. н., доц.

Работа подготовлена на кафедре

Технологических процессов и аппаратов.

Оглавление

Предисловие……………………………………………………………….... 4

Работа № 1. Поплавковый денсиметр…………………………………….. 5

Работа № 2. Вискозиметр истечения…………………………………….. 13

Работа № 3. Вискозиметр с падающим телом ...…...……………………. 18

Работа № 4. Дисперсный состав……………………......……………….… 22

Работа № 5. Диафрагма для измерения расхода ………………………… 33

Предисловие

Задачей лабораторно-практических работ и расчётно-графической работы является закрепление знаний студентов по курсу «Испытание и исследование технологического оборудования». При выполнении работ студенты используют знания, полученные в курсах общей физики и общей химии. Расчёты следует выполнять, используя международную систему единиц СИ на персональном компьютере в среде MathCAD.

В настоящем методическом пособии приводятся основные теоретические положения, справочный материал и варианты исходных данных, необходимые для выполнения заданий, а также список литературы, где можно взять более подробные сведения.

Работа №1 поплавковый денсиметр Цель работы.

Конструирование поплавкового денсиметра для измерения концентрации заданного водного раствора в заданных пределах, а именно: определение геометрических размеров и массы поплавка, градуировка прибора, определение погрешности измерения концентрации раствора при изменении температуры.

Общие положения, расчётные формулы

Денсиметр – устройство для измерения плотности жидкостей. В однокомпонентных растворах плотность раствора однозначно связана с концентрацией компонента в растворе, соответственно он может быть проградуирован как в единицах плотности, так и в единицах концентрации. Наиболее распространёнными и простыми являются стеклянные денсиметры с плавающим поплавком, например, для измерения плотности электролита в аккумуляторах, для определения содержания спирта в водных растворах (спиртомеры), для определения жирности молока, и т. д. Работа поплавковых плотномеров основана на законе Архимеда. В плотномерах с плавающим поплавком мерой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка определённой формы и постоянной массы.

Устройство поплавкового стеклянного денсиметра показано на Рис.1.1. Поплавковый денсиметр состоит из цилиндрического стеклянного корпуса 1, закрытого с двух сторон полусферами 2 и 3. В нижней части корпуса 1 вложен груз 4 (обычно это мелкая дробь или песок). В верхней части корпуса 1 впаян указатель 5, представляющий собой цилиндрическую стеклянную трубку с вложенной в неё шкалой.

Измерение плотности (концентрации) поплавковым денсиметром производится следующим образом. Денсиметр опускают в измеряемую жидкость, он погружается в жидкость на определенную глубину, и по уровню погружения на шкале против уровня свободной поверхности жидкости снимают показания.

Рис. 1.1. Поплавковый денсиметр.

При равновесии (плавании) поплавка выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной поплавком, равна весу поплавка. Если поплавок погрузится до нижней отметки шкалы (уровень ), что соответствует максимальной плотности жидкости, которую можно измерить данным денсиметром, то условие равновесия:

(1.1)

где: - масса поплавка, - объём погруженной части поплавка, который состоит из цилиндра 1 диаметром и длиной , двух полусфер 2 и 3 диаметром , части цилиндрического указателя 5 длиной и диаметром :

. (1.2)

Если поплавок погрузится до верхней отметки шкалы (уровень ), что соответствует минимальной плотности жидкости, которую можно измерить данным денсиметром, то условие равновесия:

, (1.3)

где - высота всей шкалы.

Для того, чтобы можно было определять денсиметром плотности между максимальной и минимальной по величине погружения денсиметр необходимо проградуировать. Градуировкой называется операция, при помощи которой делениям шкалы придают значения, выраженные в установленных единицах измерения.

В нашем случае градуировка сводится к определению положения делений шкалы (расстояния от крайнего деления) при определённых значениях концентрации - % повесу или по объёму. Выше уже определены два значения шкалы - , соответствующее максимальной плотности раствора и крайнему значению концентрации (максимальному для растворов твёрдых веществ и жидкостей, имеющих в чистом виде плотность большую, чем у воды), и , соответствующее минимальной плотности раствора и другому крайнему значению концентрации (минимальному для растворов твёрдых веществ и максимальному для растворов жидкостей, имеющих в чистом виде плотность меньшую, чем у воды). Расстояние деления шкалы, соответствующего определённой концентрации и плотности от деления, соответствующего (крайнего нижнего деления шкалы) обозначим , которое можно определить из уравнения, аналогичного уравнению (1.3):

(1.4)

для всех целочисленных значений концентраций в заданном диапазоне.

Известно, что при изменении температуры раствора плотность его меняется, а концентрация остаётся постоянной. Значения плотности растворов в справочниках приведены для температуры раствора 20 ⁰С. Для этой же температуры провщдится градуировка. Кроме того, при изменении температуры меняются линейные размеры денсиметра, соответственно и его объём, но масса денсиметра не меняется. Отсюда следует, что при измерении концентрации раствора поплавковым денсиметром при температуре отличной от температуры, при которой проведена градуировка, возникнет погрешность измерений.

При температуре , отличающейся от температуры градуировки, плотность раствора можно определить как: , где: - плотность раствора при температуре градуировке (в нашем случае – при 20 ⁰С), - разница температур измерения и градуировки, - температурный коэффициент объёмного расширения раствора, значения которых для некоторых веществ приведены в Таблице 1.1. Для растворов твёрдых веществ (солей, щелочей) принимают как для воды, для растворов жидких веществ температурный коэффициент объёмного расширения раствора определяют в зависимости от концентрации раствора: , где: - температурный коэффициент объёмного расширения растворённого жидкого вещества, - воды, - концентрация раствора, %.

Объём денсиметра при температуре изменится из-за изменения линейных размеров и его можно определить как: , где: - объём денсиметра при температуре измерения , - объём денсиметра при температуре градуировки, - температурный коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлен денсиметр. Для лабораторного стекла , можно принять, например, .

Таким образом, при измерении при температуре уравнение (1.4) примет вид:

. (1.5)

Из уравнений (1.4) и (1.5), приравняв их, можно определить абсолютную погрешность измерения при температуре и концентрации : в единицах длины и в единицах концентрации . Здесь - масштаб шкалы, где - следующее ближайшее целочисленное значение концентрации, - соответствующее положение деления шкалы. При зависимости плотности раствора от его концентрации близкой к линейной можно принять масштаб шкалы средний по всей её длине: .