Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Осаждение в гравитационном поле

Цель работы:

Определение скорости осаждения частиц и построение графика в зависимости от коэффициента сопротивления и от числа Рейнольдса в логарифмической системе координат.

I. Теоретические сведения

Осаждение является одним из методов разделения суспензий, эмульсий, запыленных газов без затраты энергии извне, основанном на оседании частиц под действием силы тяжести. Обычно этот процесс осуществляется в отстойниках периодического или непрерывного действия.

При расчете процесса исходят из того, что на каждую твердую

частицу, падающую в жидкой или газовой среде, действует следующие силы:

I. Сила собственного веса, направленная вниз, и для шаровой: частицы равная

/1/

где d- диаметр частицы, м;

- плотность частицы, кг/м³;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

2. Выталкивающая сила Архимеда, равная весу жидкости в объеме вытесненном частицей и направленная вверх

/2/

где ρ_c - плотность среды, кг/м³

3. Сила гидродинамического сопротивления движению частицы, направленная вверх и по закону Ньютона равная

/3/

где: F - площадь проекции частиц на плоскость,

перпендикулярную направлению движения;

для шара

ξ- коэффициент сопротивления среды;

- скорость движения частицы, м/с.

Под действием перечисленных выше сил движение осаждающихся частиц за очень малый промежуток времени из ускоренного переходит в равномерное. Скорость равномерного движения называют скоростью осаждения ω₀.При равномерном движении сумма действующих сил равна:

/4/

Подставим значения сил

/5/

Получим скорость осаждения

/6/

Или коэффициент сопротивления

/7/

Коэффициент сопротивления среды является функцией критерия Рейнольдса. /8/

где: - вязкость среды Па·с;

Общий вид зависимости ξ=f(Re) в логарифмической системе координат имеет вид:

Ламинарный Промежуточный Турбулентный

режим режим режим

2. Описание лабораторного стенда.

Лабораторный стенд состоит из нескольких стеклянных цилиндров, закрепленных на специальном штативе. Цилиндры наполнены различными жидкостями /Вода-№1, глицерин-№2, подсолнечное масло -№3/.

В верхней и нижней частях цилиндров установлены две горизонтальные перегородки, расстояние между которыми l=0,59м. В цилиндры отпускают шарики из различных материалов / стекло, сталь/.

Время движения шарика между горизонтальными перегородками измеряют электрическими секундомерами.

Для каждого режима расчетное уравнение имеет следующий вид:

Ламинарный режим:

Промежуточный режим:

Турбулентный режим:

Характеристика жидких сред

I. Вода

2.Масло

3.Глицерин

5.Контрольные вопросы.

1. Что такое осаждение?

2. Какие силы в жидкости действуют на частицу?

3. В зависимости от чего изменяется коэффициент сопротивления?

3. Методика проведения опытов.

Для каждого шарика измеряется диаметр /штангельциркулем с точностью до десятых долей/, масса /на аналитических весах с точностью до сотых долей грамма/. Вычисляется его удельный вес /плотность/ путем деление веса /массы/ на объем. После этого шарик опускается в цилиндр и измеряется время падения между горизонтальными перегородками в сек. В каждый из цилиндров опускают по 1-2 шарика.

4. Обработка опытных данных.

1. По измеренным данным значениям диаметра d /м/ и массе

шарика М /кг/ вычисляют плотность материала шарика ρ_r /кг/м³/

2. Вычисляют опытные значения скорости осаждения по

замеренным значениям

3. Вычисляют опытные значения коэффициента сопротивления ξ по

уравнению /7/, подставив в него опытные величины ω₀.

Вычисляют для каждого опыта критерий Рейнольдса /8/.

Строят график в логарифмической системе координат

6. Для одного из опытов проводят сравнительный теоретический расчет скорости осаждения. Для этого определяют критерий Архимеда.

По величине критерия Архимеда определяют режим осаждения и вычисляют скорость осаждения из критерия Рейнольдса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ СУШКИ

Цель работы: Изучение протекаемого процесса сушки во времени

и построение кривых скорости сушки.

I. Теоретические сведения

Обезвоживание твердых и влажных пищевых материалов осуществляют двумя способами:

1. Без изменения агрегатного состояния. При этом способе
влага удаляется механическим путем, например - прессованием
центрифугированием. Способ позволяет удалить лишь часть не
химически связанной влаги из материала.

2. С изменением агрегатного состояния влаги. При этом способе к материалу подводится тепло, с целью удаления влаги из
него в виде пара. Такой процесс удаления влаги из материалов называют тепловой сушкой или просто сушкой.

По способу передачи тепла материалу различают:

Конвективную сушку - сушку горячим воздухом или топочными газами. При соприкосновении с горячим газом материал нагревается, влага из него испаряется и в виде пара удаляется с газом. Газ является теплоносителем и влагопоглотителем и называется сушильным агентом.

W = G

где: - масса влаги в материале, кг;

- масса влажного материала, кг;

- масса абсолютного сухого материала, кг.

Влагосодержанием материала - называется отношение массы

влаги к массе абсолютного сухого материала, кг/кг:

Влага из материала будет переходить в окружающий воздух, /т.е. произойдет процесс сушки/.

Обозначив количество испаряющихся при сушке влаги δω, поверхность фазового контакта F и время сушки δτ, выразим скорость сушки как

Скорость сушки существенно изменяется с изменением влажности материала. В начале процесса скорость сушки оказывается постоянной, независящей от материала. В этот период постоянной скорости, или первый период, испарение влаги из материала происходит как со свободной поверхности воды. В процессе сушки в этот период лимитируется конвективный диффузией паров воды с поверхности раздела фаз в ядро воздушного потока. Диффузное сопротивление влагопроводимости

внутри влажного материала не оказывает существенного влияния на процесс сушки в первый период и скорость сушки определяется только диффузией во внешней области.

Кинематический закон для периода воздушной сушки выражается уравнением:

/5/

где: - количество испаряемой влаги в кг/сек;

- коэффициент массоотдачи в кг/м² сек;

- поверхность фазового контакта, м²;

- парциальное давление водяного пара в насыщенном

воздухе при температуре поверхности влагоотдачи;

- действительное парциальное давление водяного пара в

окружающем воздухе.

Первому периоду сушки соответствует изменение влагосодержания материала в пределах от d_н /начальное влагосодержание/ до d_кр /критическое содержание/

При влажности материала ω<ω_кр наступает второй период сушки - период уменьшающейся скорости сушки. Для второго периода сушки характерным является то, что процесс сушки в этот период лимитируется массопроводностью внутри влажного материала, а диффузия паров воды от поверхности раздела фаз в ядро воздушного потока не оказывает существенного влияния на процесс сушки.

Кинетический закон для периода выражается уравнением:

/6/

где: - количество испаряемой. влаги, кг/с;

- коэффициент скорости сушки в кг/м² с, кг/(кг.сух.мат);

F - поверхность фазового контакте, м²;

- влагосодержание материала в данный момент в

кг/(кг.сух.мат.):

- равновесное влагосодержание в кг/кг.сух.мат.).

С помощью кривой сушки можно построить кривую скорости сушки. Тангенс угла наклона касательной и кривой в какой-либо точке равен производной δd/δτ, т.е. скорости сушки.

Например, точка D при влагосодержании d тангенс угла

наклона касательно к оси абцисс равен отношению отрезков с учетом масштабов Мd по оси ординат и Мτ по оси абцисс.

Проводя касательные в ряде точек, можно построить кривую скорости сушки. Для этого откладываем по оси абцисс влагосодержание d, по оси ординат соответствующие значения δd/δτ

2. Ход работы

Влажны материал подвергается комбинированной сушке за счет нагрева от поверхности чашки весов и излучения лампы накаливания.

Опыт проводят с использованием влагомера, на чашку которого кладут исследуемый влажный материал, предварительно замерив его размеры /поверхность/ и взвесить.

Передвижную шкалу влагомера подводят верхним делением под стрелку и включают лампу накаливания. Отмечают время опыта. Через 1,5 – 2 мин. записывают показания прибора. Замеры проводят для получения постоянного значения влажности (последние три замера дают одинаковые показания).

По полученным для каждого момента времени значение влажности строят изменения влажности во времени.

3. Контрольные вопросу.

1. В чем состоит цель работы?

2. Назовите способы обезвоживания.

3. Укажите способы передачи тепла материалу.

4. Что такое влагосодержание материала?

5. Почему линия сушки стало кпиеой линией?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7.

ОТСТОЙНОЕ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ.

Цель работы: 1. Определение скорости осаждения в поле центробежных сил.

2. Определение расхода мощности на центрифугировании.

1. Теоретические сведения.

Осаждение в поле центробежных сил применяется для разделения суспензий и эмульсий. Процессы осождения в поле центробежных сил тяжести, поскольку центробежная сила, действующая на частицы, значительно больше их сил тяжести.

Центробежная сила, действующая на частицу:

Где: Р_ц – центробежная сила, Н;

m – масса частиц, кг;

w – окруж. скорости, м/с; w=πRn/30;

R – радиус вращения, м;

ω – угловая скорость вращения рад./с; ω= πn/30;

n – число оборотов в минуту, об/мин.

Отношения Р_ц/G=К_р называют фактором разделения. Его велечина показывает во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести для одной и той же массы частиц. Соответственно величина фактора разделения может быть подсчитана по одной из равенств:

Величина центробежной силы фактора разделения и окружной скорости, действующих на рассматриваемую частицу, изменяется в зависимости от положения частицы в поле центробежной силы, т.е. от радиуса. Соответственно и скорость осаждения частицы в поле центробежной силы будет меняться.

Значение w_o осаждения определяем из критериального уравнения:

Тогда:

Где:

2. Производительность отстойной центрифуги.

Производительность определяется по формуле:

Где: V_δ – объем барабана, м³;

τ_ос– время осаждения, с.

Исходя из общей продолжительности цикла работы и выражения производительности в м³/час. имеет:

Где: Στ = τ_з+ τ_п+ τ_ц+ τ_т+ τ_в

- время загрузки

- время пуска

- время центрифугирования

- время торможения

- время выгрузки

где: d_цил - 0,04 – диаметр цилиндра, м;

h_цил- 0,01 – высота, м;

z – количество цилиндров.

3. Расход энергии на центрифугирования.

Мощность в пусковом периоде расходуется на преодоление инерциипокоящейся массы барабана и жидкости N₁, на преодоления трения в опорах вала N₂, на преодоления трения барабана о воздух N₃.

N = N₁+N₂+N₃/8/

Количество мощности на преодоление инерции покоящейся массы барабана и жидкости определяется:

Где: m_б– масса барабана, (m_б = 8,3 кг.);

m_в – масса воды, кг;

r_б – диаметр барабана, (r_б = 0,28 м.);

Количество мощности на преодоление трения в опорах вала определяется:

Где: Р – динамическая нагрузка, действующая на подшипники,

d_в – диаметр вала, м; (d_в = 0,025);

f – коэффициент трения, (f = 0,01);

Количество мощности на преодоление трения барабана о воздух определяется:

Где: h_б – высота барабана, h_б = 0,2 м.

Энергия электромотора:

Где: 1,2 – дополнительное количество энергии (20% лишней энергии);

η – допустимый КПД, η = 0,85

4. Проведение опыта и обработка результатов.

1. Приготовить суспензию в количестве – 400 мм. с соотношением твердой и жидкой по указанию преподавателя.

2. Открыт барабан центрифуги, залить суспензию в стаканы до половины их объема и установить в барабан закрыв его. Записать продолжительность загрузки τ_з.

3. Плавно поворачивать ручку автотрансформатора, довести до заданного преподавателем числа оборотов, записать время пуска τ_n.

4. Работать при заданном числе оборотов/мин. (τ_ц).

5. Для остановки работы плавно повернуть ручку автотрансформатора в нулевое положение, нажать на красную кнопку (тормоз). Записать время торможения до полной остановки τ_г.

6. После остановки ротора, тумблером (сеть) выключить центрифугу (погаснут сигнальные лампочки), открыть барабан и вынуть стаканы. Осторожно слить осветленную жидкость. Записать время выгрузки τ_в.

7. Взвесить стаканы с осадком и пустые, определить вес осадка.

8. Произвести расчеты по формулам, приведенным ранее. Подсчитать объем центробежной силы и фактор разделения, производительность и расход энергии при центрифугировании.

5. Контрольные вопросы.

1. В чем цель работы?

2. От чего зависит центробежная сила?

3. Как определяют производительность и расход энергии при центрифугировании?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИСПЫТАНИЕ ЛОПАСТНОГО СМЕСИТЕЛЯ.

Цель работы: 1. Исследовать структурные элементы смесителя.

2. Определить израсходованное количество энергии для

смешивания.

1. Теоретические сведения.

Процесс смешивания находит широкое применение в общественном питании.

При смешивании скорость любого процесса резко возрастает. Процесс смешивания характеризуется производительностью и ее скоростью. Производительность смешивания характеризуется с его качеством, а скорость с временем. Скорость определяется частотой вращения смесительного механизма.

В пищевой промышленности широко применяется процесс смешивания жидких сред. Способы смешения: механический, пневматический, вращательная и искусственная турбулизация.

Механическое смешение происходить при помощи лопастей различной конструкции.

Основная цель работы определение затраты энергии механизмов на вращение. В этом случае считается, что размеры лопастей и физические свойство жидкости известны.

Процессы смешения определяются следующими критериями:

1. Число Эйлера

Число Рейнольдса

Число Фруда

Здесь: N – мощность на валу смесительного аппарата, Вт;

n – частота вращения, 1/с;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

d – диаметр лопасти, м;

μ – коэффициент динамической вязкости, Па ٠ с.

Мощность на валу определяется по формуле:

Если гидравлическое сопротивление определяется только силой трения, то формула (1) упрощается:

Еu = CRe^m (2)

Здесь: С и m – постоянные числа.

2. Устройство экспериментальной установке.

Установка приведена на рис.1. Смеситель закреплен на стойке

2.Скорость вращения регулируется при помощи реостата 3. Значения определяется при помощи вольтметра. 4. Мощность потраченная на перемешивание определяется по формуле:

/3/

Здесь: U - напряжение, В;

I - сила тока, А.

Истинная мощность затраченная перемешивание определяется как разность мощностей при перемешивании жидкостей N_c и при пустом вращении N_n

/4/

Эксперименты надо провести при различных числах вращения и данные заносят в таблицу 1.

Таблице I.


N_c
N_n
N_a

Потом заполняется таблица 2.

Таблица 2.

№	Название показателя	обозначение	измерение
	Вид смесителя
	Диаметр лопасти	α	м
	Диаметр посуды	Д	м
	Высота уровня жидкости	Н₀	м
	Ширина лопасти	в	м
	Число лопастей	z	м