Лако-красочные материалы — производство

Исследованию распределения скорости жидкости в аппаратах с мешалками посвящено много теоретических и экспериментальных работ. Ввиду сложного характера течения жидкости в таких аппара­тах удалось получить математическое описание распределения ско­рости только для некоторых простых случаев.

В большинстве же случаев приходилось ограничиваться графи­ческим изображением экспериментальных данных. Такие исследо­вания относятся главным образом к вертикальным цилиндрическим аппаратам с мешалками, расположенными на оси аппарата. Поэтому для математического описания перемешивания чаще всего исполь­зуется цилиндрическая система координат (г, ср, z).

Результирующую скорость W жидкости в любой точке аппарата можно разделить в такой системе координат на три составляющие — радиальную составляющую Wr, осевую составляющую Wz и танген­циальную составляющую Wt (рис. III-1).

Отдельные составляющие скорости можно рассчитывать по за­висимостям:

Где а — угол, определяющий отклонение вектора результирующей скорости от вертикальной плоскости, проходящей через ось аппарата и начало этого вектора; ф — угол, определяющий отклонение век­тора результирующей скорости от горизонтальной плоскости, пер­пендикулярной к оси аппарата (плоскость вращения мешалки).

Исследования составляющих скоростей и результирующей ско­рости жидкости в аппаратах с мешалками проводились многими авторами [19, 68, 106, 145, 146, 148, 156], использовавшими для этой цели различные приборы, начиная с простых трубок скоростного напора до очень сложных изотопных зондов.

Первоначально при проведении таких исследований применя­лись известные трубки скоростного напора Пито. Например, ими пользовались в своих обширных исследованиях Нагата с сотрудни­ками [145, 146, 148], а также другие авторы [6, 235]. Более удоб­ными оказались шаровые зонды скоростного напора, применявшиеся Костиным и Павлушенко [106], а также Бласинским и Тычковским [19]. Другие исследователи пользовались термисторными анемомет­рами [152], электролитическими [175], электрическими [90], тер­моэлектрическими [156] и изотопными [1] анемометрами. Многие авторы применяли также фотографические методы [94, 133, 146, 181], основанные на фотографировании следов перемещающихся вместе с жидкостью твердых частиц, следов капель жидкости, не смешивающейся с основной жидкостью, или пузырьков газа.

Орлов и др. [159] модифицировали приведенные выше методы. Для наблюдения за движением частиц авторы использовали оптико — механическую технику. Движущиеся частицы освещались тонким пучком лучей газового лазера. Измерение составляющей скорости частиц по пути светового потока производилось с помощью оптичес­кой системы с вращающейся призмой, обороты которой подбирались таким образом, чтобы создавалось впечатление неподвижности ча-. стиц (стробоскопический эффект). Скорость вращения призмы для данной оптической системы являлась мерой скорости движения частиц.

Новые возможности измерения открывает лазерный метод, который использует эффект Допплера [8], основанный на изменении частоты сигналов, отраженных от движущихся частиц. Этим мето­дом можно измерять как большие, так и малые скорости (до 10~5 м/с). Минимальный размер элемента жидкости, в котором можно произ­водить измерение скорости с помощью данного метода равен Ю-2 мм. Это позволяет применять его для измерения распределения скоро­стей в узких щелях, где другие методы оказываются ненадежными.

Простые устройства для измерения окружных скоростей (тан­генциальных) в аппарате с мешалкой предложили Мельников [131] и Гзовский [68].

В качестве примера на рис. III-2—III-4 приведены графики со­ставляющих скоростей Wt = / (г, z), Wr = / (г, Z) и Wz ^ / (г, Z) В аппарате без перегородок и с турбинной мешалкой (данные Нагаты и др. [145]). Мешалка, расположенная на половине высоты жидко­сти, имела прямые лопатки полной длины (D = 0,3 м, B = Dj3,

Рис. II1-1. Схема разложения сум­марной скорости жидкости в аппа­рате с мешалкой на составляющие скорости:

Рис. II1-2. Тангенциальные составля­ющие скорости Wf = / (г, z) для турбин­ной мешалки; сосуд без отражательных перегородок, h = Н/2 [145J.

РИс. II1-3. Радиальные составля­ющие скорости wr = / (г, z) для турбинной мешалки; сосуд без отражательных перегородок, h — — Н/2 [145].

Рис. III-4. Осевые составляющие скорости WZ — / Ir, Z) для турбинной мешалки; сосуд без отражательных перегородок, H = Я/2 [145].

Z — 16). На этих рисунках параметром 2 обозначено расстояние по вертикали рассматриваемого сечения от плоскости вращения ме­шалки (плоскость, проходящая через центр лопаток и перпендику­лярная к оси мешалки).

На рис. III-2 можно заметить, что тангенциальные составляющие имеют одинаковую форму для раз­личных значений г. Характерными являются первоначальное линейное возрастание Wt с увеличением ра­диуса (это означает, что в данной области жидкость вращается при­близительно с постоянной угловой скоростью) и последующий спад этой составляющей скорости.

Радиальная составляющая ско­рости (рис. III-3), достигает ярко выраженного максимума в плоскости ^ мешалки. В остальном пространстве аппарата она имеет отрицательное значение, снижающееся с увеличе­нием расстояния от мешалки (отри­цательная величина Wr означает, что жидкость течет от стенки сосуда аппарата по направлению к валу мешалки).

Осевая составляющая скорости ^ тоже имеет аналогичную форму при различных значениях 2. Она поло­жительна (жидкость течет в напра­влении от мешалки) возле стенки сосуда и вблизи оси аппарата и от­рицательна в середине аппарата.

Штриховые линии на рис. III-3 и Ш-4, проведенные через точки Wr = 0 и Wz = 0, разделяют области положительных и отрицательных составляющих скорости, в которых жидкость течет в направлении от мешалки и к мешалке. Это отобра­жает картину циркуляции жид­кости в аппарате. Пересечение линий Wr (г, Z) = 0 и Wz (г, Z) = О позволяет определять так называемые центры циркуляции 0. Учи­тывая симметрию процесса относительно оси аппарата, такие точки образуют окружность, по которой жидкость совершает только кру­говое движение.

Представленные данные о распределении скорости были полу­чены для воды при постоянном числе оборотов мешалки п = = 72 об/мин, т. е. для Re = const.

Рнс. III-6. Влияние критерия Рейнольдса на радиаль­ную составляющую скорости для аппарата без отра­жательных перегородок [147]; z = О — плоскость, проходящая через центр мешалки; мешалка турбинная Вг, в2 по рис. III-25.

Рис. II1-7. Влияние отражатель­ных перегородок на распределе­ние составляющих скоростей в аппарате с мешалкой [148]; мешалка турбинная в1, в2 по рис. 111-25.

Влияние критерия Рейнольдса на распределение тангенциальной и радиальной составляющих скорости по результатам исследований Нагаты и др. [147] показано на рис. III-5 и III-6.

Установка отражающих перегородок в аппарате оказывает су­щественное влияние на составляющие скорости Wt, Wr и Wz. Если в сосуде без перегородок скорости были симметричными по окруж­ности, то в сосуде с перегородками скорость зависит также от рас­положения точки замера относительно перегородки.

Распределение скоростей для одного и того же аппарата с пере­городками и без перегородок приведено на рис. III-7. Этот график построен по данным Нагаты и др. [148] для восьмилопастной тур­бинной мешалки с прямыми лопатками и сосуда, оборудованного восемью перегородками шириной В = D/12. Поверхность замера была расположена на расстоянии примерно 12° за перегородкой в направлении вращения мешалки. Как следует из рис. III-7, при­менение перегородок. привело к значительному снижению танген­циальных (окружных) скоростей и к повышению радиальных и осе­вых скоростей. Таким образом, циркуляция жидкости в аппарате с мешалкой существенно изменилась и вместо окружной стала ра — дпально-осевой.