Пленочное течение жидкостей

Содержание. 
 
Введение……………………………………………………………………………………..3 
 
Щадящая транспортировка пищевых продуктов………………………………………...4 
 
Гидравлические расчеты…………………………………………………………………...7 
 
1.1  Расчет гидравлического сопротивления трубопроводов…………………………...7 
 
1.2  Расчет оптимального диаметра трубопроводов…………………………….…..….12 
 
1.3  Расчет гидравлического сопротивления аппаратов пористыми и зернистыми слоями и насадками…………………………………………………………………………………...14 
 
1.4  Расчет насосов и вентиляторов………………………………………………………17 
 
1.5  Примеры расчета насосов и вентиляторов………………………………………….23 

2  Пленочное течение жидкостей………………………………………………………...28 
 
Заключение………………………………………………………………………………...30 
 
Литература…………………………………………………………………………………31 
 
Приложение №1……………………………………………………………………………32 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Задачи транспортирования  жидких и газовых сред без контакта с окружающей средой между различными стадиями процессов внутри цехов, а  также на значительные расстояния как  внутри предприятия, так и между  ними (до нескольких тысяч километров) решаются с использованием трубопроводов, а также нагнетательного оборудования. 
В данной работе представлено организация процессов импульса при трубопроводном транспорте пищевых продуктов. Курсовой  проект  включает расчет типовой  установки  (выпарной,  абсорбционной,  ректификационной  и  др.)  и  её  графическое оформление. В период работы над проектоммы ознакомимся выбором  аппаратуры  и технико –экономических  обоснований,  оформлением  технической  документации.   
Данная  курсовая работа  составлена  по  следующей  схеме.  Первая  часть  посвящена  общим принципам расчета гидравлических и тепловыхпроцессов, а также механическим расчетам аппаратов.  Приведенные  здесь  уравнения,  справочные  данные  и  рекомендации  помогут рассчитать гидравлическое  сопротивление  систем,  подобрать  для  них  соответствующие насосы, вентиляторы  или  газодувки. 
Во  второй  части  даны  примеры  расчета  типовых  массообменных  рекомендации  по расчету   аппаратов   различных   конструкций.   Рассмотрены  вспомогательные   аппараты   и оборудование,  которые  следует  рассчитать  или  подобрать  для  обеспечения  работы  данной установки. Приведены  справочные  данные  по  устройству  и  размерам  типовых  аппаратов. Для  облегчения  решения  этой  задачи  в  пособии  приводятся схемы  расчетов  основных аппаратов.  Задачу  по  разработке  программ  для  ЭВМ  каждая  кафедра  должна  решать  с учетом конкретных условий и возможностей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Щадящая транспортировка  пищевых продуктов

Порошкообразные и зернистые (гранулированные) пищевые  продукты транспортируются, как правило, пневматически. Интересную и перспективную  возможность в этом плане предлагает вакуумная техника в сфере  транспортировки вакуумом. 
 
Одно берлинское предприятие по обжарке и фасовке использует в вакуумных транспортировочных установках в основном смазываемые маслом шиберные вакуумные насосы. Хотя отработанный воздух этих вакуумных насосов отводится и теоретически не может соприкасаться с транспортируемым продуктом, с точки зрения гарантии качества продукции предприятие не хочет рисковать и, поэтому, эксплуатирует большинство вакуумных насосов с синтетическим, безвредным для продуктов питания маслом. В прошлом году были выделены средства на установку ещё одной линии для переработки молотого кофе. Через фирму Pega Maschinen- und Anlagenbau GmbH, Бремен предприятие нашло партнёра, предложившего комплексную установку для транспортировки и дозировки молотого кофе. Инженеры-проектировщики предложили для этой линии два кулачковых вакуумных насоса (тип Mink) производства фирмы Dr.-Ing. K. Busch GmbH, Маульбург.  
 
Установка (см. технологическую схему) состоит из загрузочной станции, из которой молотый кофе отсасывается в один из двух бункеров. Перед бункерами расположена сепарационная установка, из которой молотый кофе через ячейковые шлюзы подаются в один или второй бункер. К этим сепарационным установкам подключен вакуумный насос Mink, который постоянно поддерживает в установке константный вакуум. Перед одним из этих бункеров-накопителей установлен второй вакуумный насос Mink, отсасывающий – снова через сепаратор – кофе в одну из двух накопительных ёмкостей, оснащённых дозирующими шнеками. Из этих накопительных ёмкостей кофе транспортируется к упаковочному агрегату прямо через дополнительно подключенную вакуумную транспортную установку.  
 
Транспортная установка эксплуатируется с ноября 1998 года в две смены. Пользователь, с приобретением этой установки, получит ряд существенных преимуществ. Например, вакуумные насосы Mink работают бесконтактным способом, т.е. ни одна из подвижных деталей внутри насоса не соприкасается с другой деталью. Это позволяет исключить из применения масло как эксплуатационное средство для смазки и охлаждения камеры сжатия, что в свою очередь существенно снижает затраты на техническое обслуживание. Замена фильтров и масла отошли в прошлое. Ещё большая экономия получается в результате уменьшения времени простоя оборудования во время технического обслуживания, а также минус затраты на изнашивающиеся детали, масло и экологически правильное удаление старого масла. Благодаря высокому КПД кулачковых вакуумных насосов, они, по сравнению с шиберными вакуумными насосами, при одинаковой всасывающей способности, оснащаются электромоторами меньшего типоразмера. Следствие – существенный потенциал в экономии электроэнергии при посменном режиме работы. Фирма Pega уже на протяжении многих лет производит пневматические транспортные установки для пищевой промышленности. Многолетний опыт в этой области позволяет этой фирме быть компетентным партнёром в области пневматической транспортировки мелкозернистых и порошкообразных пищевых продуктов или их компонентов. На примере берлинского предприятия видно, что необходимо сначала выбрать между нагнетательной или вакуумной транспортной установкой. Затем необходимо выбрать подходящий вакуумный или нагнетательный генератор. Далее каждый руководствуется отдельными критериями, основанными на специфике собственного технологического процесса.  
 
Вакуумная подача 
 
Вакуумная транспортировка – самый эффективный способ транспортировки мелкозернистых и порошкообразных продуктов из бункеров или приёмных резервуаров для переработки, смешивания или упаковки. Такие продукты как молотый кофе, специи, чай, грануляты, мука или порошкообразные основы для детского питания и хлебобулочных изделий транспортируются с медленной и из-за этого щадящей скоростью по пневматическому трубопроводу методом образования пробок (пробочная транспортировка). Через клапан с противоположной стороны установки в пневмотрубопровод дозами подаётся воздух. Этот воздушный поток снижает плотность продукта и транспортирует его определённое расстояние, прежде чем образуется очередная пробка. При использовании этого так называемого вакуумно-импульсного типа транспортировки производителю установки необходимо точно рассчитать и соответственно воплотить в жизнь дозировку периодически вводимого в пневмотрубопровод воздушного потока, интервалы открытия клапана и месторасположение клапана. Этот тип транспортировки действительно является чрезвычайно щадящим для транспортируемого продукта и не нагружает проводящие линии при абразивности продукта. Ещё одним преимуществом является малый объём исходящего, отработанного воздуха. Его можно легко профильтровать, чтобы поблизости от установки не оставалось запаха продукта. В вакуумных транспортных установках возможен также циркуляционный режим работы, т.е. выходящий воздух вакуумного насоса снова вводится в установку. Этот режим работы применяется в случаях, когда нельзя выпускать воздух из системы. При помощи такого режима работы можно практически полностью устранить запах и исключить контакт продукта, чувствительного к кислороду с кислородом из вводимого в систему «свежего» сжатого воздуха. При циркуляционном режиме работы, воздух пневмотранспортной системы необходимо охлаждать, поскольку в вакуумном насосе он нагревается. При использовании смазываемых маслом шиберных вакуумных насосов необходимо наличие многочисленных фильтров и проведение мероприятий по технике безопасности, чтобы предотвратить контакт масляного тумана из вакуумного насоса через воздушный поток с транспортируемым продуктом. Для такого случая больше подходит применение кулачковых вакуумных насосов Mink. Благодаря безмасляному сжатию, проблемы с маслом устраняются на 100%.  
 
Подача под давлением 
 
При транспортировке под давлением продукт перемещается по трубопроводу при помощи сжатого воздуха. Транспортировка крупнозернистых пищевых продуктов, например, бобов кофе, как правило, производится именно таким способом. Из-за малой плотности транспортируемой массы вакуумная транспортировка принесла бы в этом случае мало пользы, поскольку, как находящиеся в трубопроводе, так и периодически подаваемые через клапан воздушные объёмы, всасывались бы через промежуточные пространства в продукте. При увеличении всасывающей способности вакуумного насоса и повышении объёма дополнительного впускаемого воздуха такие продукты можно транспортировать и вакуумом. Но в этом случае транспортировка давлением проявляет себя намного экономичнее и эффективнее. Подача под давлением функционирует со значительно более высокими скоростями и без необходимости образования пробок.  
 
При транспортировке давлением можно также применять нагнетательную версию Mink, которая функционирует по тому же безмасляному кулачковому принципу, что и вакуумная версия, и достигает значения избыточного давления до2 бар. Основное отличие подачи под давлением от вакуумной подачи состоит в том, что в первом случае по трубопроводу проходит существенно больше воздуха, который после выхода из установки через понижение давления расходится в атмосфере. Поэтому, в этом случае необходимо подключать дополнительные фильтры намного большего объёма. Из-за большого объёма воздуха, контактирующего с продуктом, опасность распространения запаха выше, чем при вакуумной подаче.  
 
Вакуумная техника 
 
В прошлом для вакуумной транспортировки обычно применялись смазываемые маслом шиберные вакуумные насосы. Они достигают высокой разницы давлений, и с их помощью продукт может преодолевать большие расстояния при стабильном состоянии потока в транспортной линии. Шиберные вакуумные насосы позволяют достичь 99,5 % вакуума и могут применяться по всей шкале давлений, вплоть до атмосферного давления. Из-за необходимости смазывания маслом им необходимо регулярное техническое обслуживание. Возможно применение безвредных для пищевых продуктов масел.  
 
Модельным рядом Mink фирма Busch впервые предложила на рынок сбыта кулачковый вакуумный насос для пневматической транспортировки. Агрегат также можно применять по всей шкале давлений, от 100 мбар до атмосферного давления. К тому же предлагается нагнетательная версия этой модели до 2 бар избыточного давления. Возможность компрессии без применения масла – существенное преимущество кулачкового принципа Mink, так как это полностью устраняет затраты на техническое обслуживание и саму необходимость его проведения. При транспортировке пищевых продуктов отсутствие необходимости в масле – ещё одно большое преимущество, поскольку это полностью исключает контакт масла с транспортируемым продуктом.  
 
Ещё одно преимущество – снижение затрат на электроэнергию, так как кулачковые вакуумные насосы по сравнению со смазываемыми маслом шиберными вакуумными насосами имеют меньшую потребную мощность электромоторов.  
 
Кроме того, у кулачковых вакуумных насосов и кулачковых нагнетателей Mink имеется возможность оснащения частотными регуляторами, что ещё больше увеличивает возможность экономии энергии.  
 
 
 
1. Гидравлические расчеты. 
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ: 
 
d_э - эквивалентный диаметр; 
 
е - относительная шероховатость трубопровода; 
 
g - ускорение свободного падения; 
 
h - потери напора; 
 
n - частота вращения; N - мощность; 
 
p - давление; 
 
Dp - перепад давления; Q - объемный расход; 
 
u - скорость; 
 
h         - коэффициент полезного действия; 
l          - коэффициент трения по длине трубопровода; 
 
_{m              - динамическая вязкость;} 
 
x          - коэффициент местного сопротивления; 
 
_{r              - плотность; 
 
s              - поверхностное натяжение.} 
Индексы 
 
Г – газ,  Ж – жидкость,  Т – твердое тело. 
1.1.      Расчет гидравлического сопротивления трубопроводов 
Расчет  гидравлического  сопротивления  [1],  [2]  необходим  для  определения  затрат энергии на перемещение жидкостей и газов и подбора машин,пользуемых для перемещения 
 
– насосов, вентиляторов и т.п. 
 
Гидравлическое  сопротивление  обусловлено  сопротивлением  трения  и  местными сопротивлениями,   возникающими   при   изменениях  скорости   потока   по   величине   или направлению. 
 
Потери    давления    или  напора    на  преодоление  сопротивления  трения  и  местных сопротивлений в трубопроводах определяются по формулам:

 
_{æ        l 
 
Dр 
п  = ç l 
 
 
ö ru} ² 
 
_{+ åx м×с ÷} 
 
 
;                            (1.1)

 
_è      ^d 
_{э                                 ø}   ²

 
_{æ        l 
 
h   = ç l 
 
 
 
 
+ åx 
 
 
ö u} ²

_{÷ 
 
 
,                                            (1.2)}

_{п           ç                         м×с ÷} 
 
è      э 
^{где        l  -  коэффициент  трения;                               l  и  d}_э              ^{-  соответственно  длина  и  эквивалентный} 
 
диаметр трубопровода; ∑x  - сумма коэффициентов местных сопротивлений;    ρ - плотность жидкости или газа. 
 
_{Эквивалентный диаметр определяются по формуле}

 
^d  
_э  ^= 4S / П 
 
 
,                                      (1.3)

 
 
где  S  - площадь поперечного сечения потока; П – смоченный периметр. 
 
Формулы  для  расчета  коэффициента  трения       зависят  от  режима  движения  и шероховатости трубопровода. 
 
_{При ламинарном режиме 
 
l = А / Re},        (1.4) 
где  А – коэффициент, зависящий от формы сечения трубопровода. 
 
Ниже  приведены  значения  коэффициента  А  и  эквивалентного  диаметра      для некоторых сечений: 
Форма сечений                            A                            d_э 
Kруг диаметром  d ……………………………..64………………....d Квадрат стороной a …………………………….57………………....a Кольцо шириной a ……………………………...96……………......2 а Прямоугольник высотой a, шириной b……......96………………....2а 
 
85                       1,81а 
 
73                         1,6а 
В турбулентном потоке различают три зоны, для которых коэффициент l 
 
рассчитывают по разным формулам. 
 
^{Для зон гладкого трения при} _{2320 p Re p 10} ¹ 
 
e 
 
_{l = 0,316 / Re}^0, 25 (1.5) 
^{Здесь  е  =D                   /  d}_э    ^{–  относительная  шероховатость  трубы,  где  D                                                   -  абсолютная} 
 
шероховатость трубы (средняя высота выступов шероховатости на поверхности трубы). 
 
Ориентировочные значения шероховатости труб   приведены ниже: 
 
Трубы 
D   мм. 
 
Стальные новые……………………………………………0,006 - 0,1 
 
Стальные, бывшие в эксплуатации , с незначительной коррозией 
 
………………………………………………………………......0,1 – 0,2 
 
Стальные старые, загрязненные …………………………..........0,5 – 2 
 
Чугунные новые; керамические…………………..……….......0,35 – 1 
 
Чугунные водопроводные, бывшие в эксплуатации ……………...1,4 
 
Аллюминиевые гладкие ………………………………….0,015 – 0,06 
 
Трубы из латуни, меди и свинца чистые цельнотянутые стеклянные………………………………………………....0,015 – 0,01 
 
Для насыщенного пара…………………………………………..…0,2 
 
Для пара, работающие периодически……………………………...0,5 
 
Для конденсата , работающие периодически……………………0,1 
 
_{Воздухопроводы от поршневых и трубокомпрессоров …………0,8}

 
_{зоны, автомодельной по отношению к Re  (Re >560}  ¹ ₎ 
 
^{е 
l = 0,11 е 0,25                                                                                                       (1.7)} 
 
Значения  коэффициента  местных  сопротивлений  x  в  общем  случае  зависят  от  вида местного   сопротивления   и   режима   движения   жидкости.  Ниже   рассмотрены   наиболее распространенные                                   типы   местных   сопротивлений   и   даны   соответствующие   значения 
 
_{коэффициентов x.} 
 
1.         Вход в трубу: с острыми краями - x = 0,5; с закругленными краями -  x = 0,2. 
 
2.         Выход из трубы: x = 1. 
 
3.         Плавный отход круглого сечения: x = Аw В . Коэффициент А зависят от угла 
 
j, на который изменяется направление потока в отводе: 
Угол j, градусы…….20      30    45   60       90   110    130    150    180 
 
А…........……………….0,31 0,45  0,6  0,78   1,0  1,13   1,20   1,28   1,40 
Коэффициент  В  зависит  от  отношения  радиуса  поворота  трубы  R₀   к  внутреннему диаметру  d: 
R₀ / d:…….1,0      2,0     4,0     6,0    15      30      50 
 
В …………0,21   0,15   0,11  0,09   0,06   0,04   0,03 
4.         Колено с углом 90⁰ (угольник) 
 
Диаметр трубы, мм………………12,5      25      37     50    >50 
 
x …………………………………2,2       2       1,6     1,1     1,1 
5. Вентиль нормальный при полном открытии: 
Диаметр трубы, мм……..13  20  40  80  100  150   200  250   350 
 
x………………………..10,8  8,0  4,9  4,0  4,1  4,4   4,7  5,1   5,5 
5.         Вентиль прямоточный при полном открытии. При Re ³ 3х 10⁵; 
Диаметр  трубы,  мм….....25       38          50            65       76        100    150      200      250 
 
x……......………………  1,04    0,85          0,79             0,65    0,60         0,50    0,42      0,36 
 
0,32 
При Re< 3  10⁵ указанное значение x следует умножить на коэффициент k, зависящий 
Re……5000   10000   20000   50000   100000   200000 
 
_{k……. 1,40                 1,07            0,94             0,88           0,91             0,93}

 
 
7.         Внезапное расширение 
 
Значение x зависят от соотношения площадей меньшего и большего сечения F_1 / F₂   и 
 
от Re, рассчитываемого через скорость и эквивалентный диаметр для меньшего сечения: 

 
 
8. Внезапное сужение 
 
_{Значения x определяются так же, как при внезапном расширении:}