Лако-красочные материалы — производство

Большинство авторов обобщили свои экспериментальные иссле­дования в виде уравнения (III-25):

V* = Cnd*

Где п измеряется в с-1, D — в м, а У*р — в м3/с.

Численные значения постоянной С в этом уравнении, рассчитан­ные для турбинных и пропеллерных мешалок, приведены в табл. II1-1 и III-2. Как следует из данных, включенных в эти таблицы, зна­чения С находятся в следующих пределах: для турбинных меша­лок С — 0,25-^-1,2 (чаще всего 0,5—0,8), для пропеллерных меша­лок С = 0,3-М (чаще всего 0,4—0,8).

В случае турбинных мешалок серьезное влияние на величину этой постоянной оказывает ширина лопатки Ъ (с увеличением B Возрастает значение С — см. табл. III-1) [145].

В случае пропеллерных мешалок наиболее серьезное влияние на значение постоянной С оказывает инвариант шага мешалки Sid. С увеличением Sid возрастает С (табл. III-2) [234].

Другие геометрические параметры (например, число лопаток мешалки) тоже оказывают влияние на значение С, но в значительно меньшей степени. Некоторые авторы [51, 52, 188] утверждают^

Таблица III—L

Сопоставление результатов экспериментальных исследований насосного эффекта турбинных мешалок

Таблица Ilt-2

Сопоставление результатов экспериментальных исследований насосного эффекта

Пропеллерных мешалок

Что критерий Рейнольдса (в исследованных ими относительно узких диапазонах значений Re) не оказывает никакого влияния на С. К сожалению, в литературе имеется немного работ, обобщающих результаты исследований в форме уравнения (II1-30).

Бласинский и Тычковский [20 ] исследовали влияние геометри­ческих параметров мешалки на насосный эффект открытых турбин­ных мешалок с шестью прямыми лопатками. Авторы исследовали семь геометрически подобных мешалок (d = 0,1-^-0,35 м), которые монтировались на различных расстояниях от дна. Диаметр аппарата с плоским днищем и без отражательных перегородок составлял D= ~ 0,7 м. Насосный эффект определялся по измерениям скорости течения жидкости в плоскости мешалки с помощью шарового зонда. Авторы установили, что высота расположения мешалки не оказы­вает влияния на значение насосного эффекта V*P в диапазоне H/D — = 1/3-г1/2 и что при двух способах ведения процесса (при Re = = const и и = Ndn — const) значения V*P возрастают с увели­чением D/D. В первом случае была получена зависимость Vp : : D/D, Во втором Vp : : (D/D)2.

Если принять одновременно D = const = 0,7 м, что имело место в проведенных исследованиях (симплекс D/D менялся за счет изме­нения диаметра мешалки D), то будут получены идентичные зави­симости при преобразовании уравнения (III-36). Это указывает на то, что параметр D не оказывает влияния на общий вид функ­ции Vp. Действительно, из опытных данных [20 ] следует, что V*/Nd3= = 1,1-|-1,2 = const.

Влияние отношения D/D на насосный эффект открытых турбин­ных мешалок с шестью прямыми лопатками исследовали также Холмс, Вонкен и Деккер [82]. Авторы использовали три сосуда с отражательными перегородками (D = 0,22; 0,6 и 1,0 м) и четыре мешалки (D = 0,18; 0,24; 0,30 и 0,44 м), которые помещались на половине высоты жидкости. Насосный эффект определился двумя способами — по распределению радиальной скорости в потоке, создаваемом мешалкой (применялся специальный анемометр — ми­ниатюрный пропеллер диаметром 15 мм), и по времени циркуля­ции тс (кондуктометрический метод — выравнивание импульса, выз­ванного впрыскиванием небольшого количества серной кислоты).

Для Re > 2 • 104 авторы установили зависимость

(JII-59)

Принимая, что объем жидкости в мешалке составляет V — = (ND2/4) D = NDz!4 и что справедлива зависимость V = V*p%c, Уравнение (III-59) можно преобразовать к виду:

(III-60)

Для D/D — 3 это уравнение дает:

Норвуд и Метцнер [152] модифицировали теоретическое уравне­ние (.111-36) для мешалок, создающих радиальный поток жидкости, и предложили зависимость:

Fj = Ci6rarf2 У — № /(rj) (III-61)

Где Сх — коэффициент уноса жидкости потоком; f (ц) — поправка, учитывающая гидравлическое сопротивление мешалки.

Для турбинных мешалок с шестью прямыми лопатками, рабо­тающих в аппаратах с плоским днищем и с отражательными пере­городками, авторы получили следующие значения: С1 = 9-10-4 и F (ц) = уЫ (гДе У ~ плотность жидкости; г] — вязкость жид­кости).

Сервинский и Бласинский [188], исследуя интенсивность цирку­ляции шнековых мешалок с диффузором, вывели сначала общую формулу для расчета Lp, поль­зуясь методом анализа размерно­стей, а затем проверили экспери­ментально значения постоянных в полученном уравнении, которое они преобразовали к виду:

V*e

Lt-—— р =CReA (111-62)

Р Nd3FrB 0 0,20,40,60,8 1 5 10 15

Fr

Где L* — так называемый обоб — Рис> ш_24. График функции В = Щенный коэффициент насосного = / (Fr) для пропеллерных меша — эффекта. Значения постоянной С, л°к [188].

Показателя степени Айв приве­дены в табл. III-3. Для вычисления s = (Djd0)2 следует принимать значение D0 — 0,1 м (условный размер). Из анализа данных, поме­щенных в табл. III-3, следует, что только для Re -<100 коэффи­циент насосного эффекта принимает постоянное значение L*p = Lp = = const. Для более высоких значений Re с увеличением критерия Рейнольдса величина L*p несколько снижается (отрицательный пока­затель степени А). Для Re sg 102 показатель степени В = 0, а для Re 102 величина В является функцией критерия Фруда, т. е. В = / (Fr). График этой функции приведен на рис. III-24.

Широкие исследования насосного эффекта пропеллерных и тур­бинных мешалок провели Форт с сотрудниками [51—53]. Пропел­лерные мешалки" имели постоянный инвариант шага Sid = 1 и постоянное число лопаток Z = 3, а турбинные мешалки — шесть лопаток, установленных под наклоном 45° к плоскости вращения мешалки. Исследования производились в аппарате с тремя перего­родками (D = 0,29 м) на воде и водных растворах глицерина. Изме­рение насосного эффекта осуществлялось тремя способами: на осно­вании распределения скоростей, с помощью времени циркуляции и силы воздействия потока жидкости на дно сосуда. Установлено, что все указанные методы измерения дают близкие резуль­таты. Авторы доказали, что критерий Рейнольдса в диапазоне

Re = 103-j-2-105 не оказывает влияние на коэффициент насосного эф­фекта Lp и что влияние симплекса HJD в диапазоне HID = 0,2-f-0,5 является очень слабым. Наиболее важные данные о размерах исполь­зованной аппаратуры и полученные корреляционные уравнения приведены в табл. III-1 и III-2. Авторы измеряли также мощность, расходуемую на перемешивание, и определяли отношение EuILp для различных значений D/D в пределах DID = 0,18-^-0,5. Оказа­лось, что это отношение для пропеллерных мешалок составляет —0,6, для турбинных мешалок с наклонными лопатками -—-1,8, а для турбинных мешалок с вертикально установленными лопатками (по литературным данным) 5—8,5. С увеличением значения D/D наблю­далось незначительное уменьшение отношения Еи/£р.

Исследованием насосного эффекта для турбинных мешалок зани­мались также Купер и Вольф [33 ]. Они рассчитывали V* на осно­вании измерений распределения скорости. Интересно отметить, что авторы выполняли измерения для жидкости (воды) и газа (воздуха) и получили близкие значения коэффициентов насосного эффекта (табл. III-1).

Обширные исследования насосного эффекта различных типов турбинных мешалок выполнили Нагата и др. [145, 147, 1481.

Размеры мешалок, исследованных этими авторами, даны на рис. III-25. Опыты проводились в аппаратах с отражательными перегородками и без перегородок. Все мешалки были помещены на половине высоты жидкости. Диапазон исследованных значений критерия Рейнольдса составлял 10—105.

Насосный эффект рассчитывался по результатам измерений рас­пределения скоростей и уравнению (III-21). Скорости жидкости измерялись трубками Пито для больших значений критерия Рей-
нольдса и фотографическим способом для меньших значений Re. Некоторые результаты исследований этих авторов сопоставлены в табл. III-4 и III-5. Измеренные значения EuJLp — л2к позволяют рассчитывать коэффициент к для данной мешалки и использовать его значение для определения насосного эффекта по уравне­ниям (III-36) и (111-40).

Как следует из — данных, приведенных в табл. II1-4, влияние ширины лопатки Ъ на насосный эффект выражено достаточно от­четливо, однако условия зависимости Vp :: 6, содержащиеся в тео­ретическом уравнении (III-36), не удовлетворяются. Только четы­рехкратное увеличение ширины лопатки Ъ вызывает примерно двух­кратное увеличение насосного эффекта, а следовательно, влияние Ширины значительно меньше.

Влияние Re на Lp, согласно опытным данным авторов работы [143], для аппарата без отражательных перегородок и

Некоторых турбинных мешалок показано на рис. III-26. Из рисунка следует, что для Re 104 это влияние уже незначительно. Авторы проводили также измерения вторичной циркуляции V* и нашли, что для аппаратов с отражательными перегородками V* — 1,8F*, а для аппаратов без перегородок V* = 1,9F*.

Нагата и др. [148] выполнили специальную серию опытов на различных турбинных мешалках с целью определения мощности

102

ГО*

Рис. II1-26. Зависимость коэффициента насосного эффекта и критерия мощности от критерия Рейнольдса для аппарата без отражательных перегородок [147].

Обозначение мешалки по рис, III-25: 1 — е2; 2 — б; 3 — гг.

Таблица II 1-5

Влияние перегородок на насосный эффект по исследованиям

Нагаты и др. [148]

Nv, требуемой для достижения постоянного насосного эффекта Vp = 7,5-10~[16] м3/с = const. Полученные результаты приведены в табл. III-6. Измеренная таким образом мощность Nv является своего рода мерилом насосного эффекта различных мешалок и может использоваться для оценки их действия. Чем меньше мощность Nv, Тем более эффективно работает мешалка, если рассматривать ее как насос. Сравнивая значения Nv, приведенные в табл. III-6 для различных мешалок, можно сделать следующие выводы.

Таблица III-6

3. Лопатки мешалки, загнутые назад, повышают насосный эффект (<?2, гг, г2, г3), а загнутые вперед — снижают его (г4, в2).

4. Наклон лопаток мешалки увеличивает насосный эффект (кг, К 2I КЪ > я4).

5. Срезанные углы (д1у в2), приподнятые концы (е, <?2), расши­ренные углы (л, в2) лопаток ухудшают насосный эффект.

6. Применение диска никакого влияния на насосный эффект не оказывает (а, б).

7. Увеличение отношения D/D повышает насосный эффект (№ 25, В„ № 26).

8. Из турбинных мешалок различных типов высоким насосным эффектом отличаются мешалки с лопатками, изогнутыми назад (з2), мешалки с прямыми лопатками, имеющими осевой (к4) и радиаль­ный (и) наклон, а также мешалки с прямыми лопатками, располо­женными радиально (б3, б4). Плохим насосным эффектом обладают мешалки с плуговыми лопатками (ж).

В табл. III-4 и II1-6 приведены также сравнительные данные для вращающегося диска диаметром D. Оказывается, что такой диск отличается исключительно низким насосным эффектом (при­мерно в 50 раз ниже, чем турбинная мешалка а), что нетрудно объяс­нить, поскольку в данном случае энергия перемешивания сообщается жидкости в непосредственной близости от мешалки для создания высоких градиентов скорости, а следовательно, больших касатель­ных напряжений (напряжений сдвига). Это может оказаться полез­ным, когда необходимо передать жидкости исключительно большую энергию для обеспечения полной гомогенизации перемешиваемой жидкости. При использовании мешалок других типов это оказа­лось бы невозможным из-за явления кавитации.

Резюмируя приведенный выше обзор исследований насосного эффекта следует отметить, что эта проблема не нашла еще полного освещения. Опубликованные формулы позволяют проводить расчеты только для наиболее распространенных типов мешалок. Требуются дальнейшие исследования получения возможности численного выра­жения влияния отдельных геометрических параметров аппарата с мешалкой на насосный эффект. Особенно необходимы такие иссле­дования для аппаратов с отражательными перегородками. Нужно также провести исследования насосного эффекта для большего диапазона значений критерия Рейнольдса.