Opakování Napětí. Opakování Základní pojmy silového působení. Opakování Vztah napětí a deformace. Opakování Vztah napětí a deformace

Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu » Kapaliny Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob

» rozpouštědla » kapalné API, lékové formy » disperze

» Plyny

Tekutiny Charakteristika, proudění tekutin

» Vzduchotechnika » Sušení » Fluidní operace

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob Charakteristika chování tekutin

Opakování

Opakování

Základní pojmy silového působení

Napětí

» Pro účinek silového působení je rozhodující veličinou působící síla, vztažená na jednotku plochy, na kterou působí

» Odezva látek může být komplikovaná » Vždy je rozdílná nejméně v tečném a normálovém směru » Proto má význam rozkládat napětí alespoň na normálové a tečné

» tzv. mechanické napětí 

 dF F dS S » Jednotkou napětí je 1 Pascal [Pa]=Nm-2 

n

dFn dS

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob


Charakteristika chování tekutin


t

Opakování

Opakování

Vztah napětí a deformace

Vztah napětí a deformace

» Průběh namáhání látek se obvykle zobrazuje jako závislost napětí na deformaci. Má následující oblasti a meze: » » » » »

úměrnosti ... zde platí Hookův zákon elasticity ... návrat do původního tvaru plasticity ... zůstává trvalá deformace kluzu ... velká změna chování pevnosti ... porušení materiálu

elastická oblast plastická oblast

dFt dS

oblast tečení mez pevnosti

oblast proporcionality – zde platí Hookův zákon, např.

míra deformace Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob




1

Opakování

Mechanika tekutin

Hookův zákon » Pro velmi malé platí vztahy typu: E

G p

K

dV V

Veličiny E, G a K jsou tzv. moduly, vyjadřují odpor k deformaci a u pevných látek mají značně velké hodnoty ~1010 Pa.

» Tekutiny je společný název pro kapaliny a plyny. » Mají společný velmi nízký modul ve smyku. Díky tomu snadno mění tvar. Kromě toho se lehce rozdělují. » Na rozdíl od plynů jsou kapaliny téměř nestlačitelné.

» Podle modulů » kapaliny ... K velké, G malé » plyny ... K malé, G malé





Ideální kapalina » Ideální kapalina má » K nekonečné » G nulové

» Čili ideální kapalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková napětí ani deformace.

Zachování hmoty Rovnice kontinuity » Vteřinový objemový průtok Q kapaliny určitou proudovou trubicí se zachovává. » Je-li u nestlačitelných kapalin v jednom jejím místě průřez S1 a v druhém S2, platí : S1v1 = Q1 = Q2 = S2v2 » U stlačitelných tekutin je konstantní průtok hmotnostní a platí : S1v1 1 = S2v2 2





Zachování energie Bernoulliho rovnice

Reálná kapalina - viskozita » Dynamická viskozita, η [Pa.s]

1 2 u 2

P

zg

konst

» Rozměr J.m-3

u y » τ … tečné napětí » platí pro Newtonovské tekutiny

» u … rychlost proudění » z … výška » P … tlak

pohyblivý povrch

y u τ

tekutina

u y

stacionární povrch





2

Typy viskozity »

Vizkozity tekutin

(éta) je dynamická viskozita » [ ] = kg.m-1.s-1 = N.m-2.s = Pa.s » Starší jednotka Poise P=g.cm-1.s-1=0,1 Pa.s

» Často se používá viskozita vztažená na hustotu, tzv. kinematická viskozita »

= /

Látka

Viskozita [Pa.s]

Vzduch

2 × 10-5

Zkapalněný N2

2 × 10-4

Voda

9 × 10-4

Olej

8 × 10-2

Glycerin

1 × 100

Masťový základ

2 × 105





Nenewtonovské kapaliny

Nenewtonovské kapaliny

τ

Binghhamská

Newtonovská

Dilatantní

du/dx

» Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. Některé pseudoplastické a plastické systémy mají chování : » tixotropní – u nichž viskozita s časem klesá





Nenewtonovské kapaliny » Zdánlivá viskozita může záviset také na době namáhání. » Některé dilatantní systémy mají chování: » reopektické – u nichž viskozita s časem roste

Proudění viskózní kapaliny

Ft r F1

F2 2r

p1

p2

Směr pohybu tekutiny





3



rovnováha sil

v kulaté trubce

» Tlakové síly

» okrajová podmínka u(R) = 0 :

» působí na podstavy » plášť síla způsobená třením okolních vrstev.

» u stěny trubky je rychlost nulová

» Pohybuje-li se válec rovnoměrně, musí být všechny síly na něj působící v rovnováze :

u (r; R)

u(r) du p2 ) 2 r l dr

2

r ( p1

1 2

du

0

1 4

p 2 2 (R r ) l

r

umax umax

p r dr l





Poiseuillův zákon

Režim toku

» Laminární tok potrubím

» Laminární

1 4

R

p 2 (R ) l

1 p 2 2 R r 4 l

u

1 4

u max

p 2 R l

» Turbulentní

R

Q Q

udA

R

u 2 rdr

A

0

8

p 4 R l

1 p 2 2 R r 2 rdr 4 l 0

Hagen-Poiseuillova rovnice





Hranice režimů proudění

Teorie podobnosti

» Reynoldsovo kritérium

» Pro turbulentní systémy je řešení Navier Stokesovy rovnice obtížné » Nutné experimentální studium systému » Možný přenos poznatků mezi podobnými systémy » Podobné systémy – stejné hodnoty kritérií podobnosti

Re

uL

uL

» relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

» Re < 2300 … laminární proudění » Re > 10 000 … turbulentní proudění





4

Kritéria podobnosti

Kritéria podobnosti

» Strouhalovo kritérium

» Eulerovo kritérium

St

tu L

Eu

» t, u, L … charakteristický čas, rychlost, velikost

» Reynoldsovo kritérium uL

Re

p u2

» relace mezi tlakovou a setrvačnou silou

» Froudovo kritérium

uL

Fr

» relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

gL u2

» relace mezi gravitačními a setrvačnými silami





Částice ve viskózní kapalině

FS

G

4 3 r tg 3

FA

4 3 r 3

FS

6

FA

G

kg

rv

Disipace energie při proudění kapalin » Bernoulliho rovnice 1 2 u A, stř 2 » » » »

PA

G

f

zB g

Edis

l u2 d 2

» f … frikční faktor





Moodyho diagram

PB

u … rychlost proudění z … výška P … tlak Edis … měrná dissipovaná energie

Edis

FA FS

1 2 u B , stř 2

zAg

Doprava kapalin - čerpadla » Hydrostatická (positive displacement) » přeměna práce na tlak v prvku čerpadla » pístová, lamelová, zubová, membránová, aj. » hlavní nevýhodou je pulsace

» Hydrodynamická » přeměna práce na kinetickou energii, poté na tlak » axiální, radiální (odstředivá) » hlavní nevýhodou je kavitace Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob




5

Pístová čerpadla

Zubová čerpadla » Čerpání zvláštních tekutin » viskózní » abrazivní » s pevnými částicemi





Membránová čerpadla

Šneková a peristaltická čerpadla

» Membrána ovládána » pístem » stlačeným plynem

» Mechanismus čerpadla oddělen od čerpané tekutiny » Odolnost vůči zvláštním médiům





Hydrodynamická čerpadla Odstředivé

Funkce odstředivého čerpadla

Axiální





6

Doprava plynů

Ventilátory

» Přetlaková

» Charakteristika

» ventilátory (fans) » dmychadla (blowers) » kompresory (compressors)

» Podtlaková » vývěvy (vacuum pump)

» doprava většího množství plynů při malém přetlaku (0,1 - 0,11 MPa)

» radiální (paprskový) ventilátor » dopravovaný plyn se sacím hrdlem přivádí na střed oběžného kola se zahnutými lopatkami. Odstředivou silou je vytlačován do spirální skříně a výtlačného hrdla, odkud vychází ven.





Ventilátory

Dmychadla

» axiální (osový) ventilátor

» Charakteristika

» oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.Jeho rotací se vzduch pohybuje rovnoběžně s osou (používají se k odvětrávání místností)

» doprava plynů za středního tlaku (0,11 0,3 MPa).

» Rootsovo dmychadlo (Roots blower) » podobné zubovému čerpadlu - ve skříni dmychadla se proti sobě otáčejí 2 rotory, které jsou neustále ve vzájemném dotyku a současně přiléhají k vnitřním stěnám skříně a rozdělují jí na 2 komory. Plyn se nasává do 1 komory mezi rotor a skříň a ve 2. komoře se vytlačuje.





Dmychadla

Kompresory

» Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower)

» Charakteristika

» rotor má uložený ve válcové skříni s drážkami pro výsuvné lamely (destičky). Lamely mají mírný sklon, při otáčení rotoru jsou odstředivou silou přitlačovány k vnitřní straně válcové skříně a tím vytvářejí komůrky, jejich objem se směrem od sacího hrdla k výtlačnému snižuje a tím dochází ke stlačování plynu.

» stroje k dopravě a stlačování plynů, které vyvíjejí tlak 0,3 - 100 MPa. » Při stlačování dochází ke zvyšování teploty a proto se musí chladit

» Pístové kompresory » stlačují plyn vratným pohybem pístu ve válci. » mohou být dvou- a vícestupňové - stlačený plyn z předcházejícího stupně vstupuje vždy do dalšího válce o menším objemu.





7

Kompresory » Rotační lopatkové turbokompresory » stlačují plyn pomocí rotujících oběžných lopatek. » radiální - mají stejný princip i konstrukci jako turbodmychadla, liší se vyšším počtem stupňů a vyšším tlakem a zmenšuje šířka a průměr oběžných kol. » axiální - Základ kompresoru je rotor s lopatkami, které vhánějí plyn přiváděný sacím hrdlem do neustále se zmenšujícího objemu, čímž se plyn stlačuje a vychází výtlačným hrdlem.

Kompresory » Šroubový kompresor » plyn se přivádí mezi 2 šrouby, které do sebe zapadají. Každý má jiný počet závitů i otáček. Šrouby přiváděný plyn stlačují a vedou do výtlačného hrdla.





Vývěvy

Vývěvy

» Charakteristika

» Olejová rotační vývěva

» zařízení, která vysávají plyn z uzavřeného prostoru, kde má vzniknout podtlak a nasátý plyn stlačují na tlak atmosférický

» Pístové » připomínají pístové kompresory

» Rotační » založeny na rotaci excentricky umístěného válce s lopatkami nebo výsuvnými lamelami.

» rotační vývěva s vnitřní olejovou lázní » lepší těsnost » chlazení těla vývěvy olejem

» Vodokružná vývěva » mezi excentrickým rotorem a vodním prstencem vytvářejí lopatky komůrky, které se od sacího otvoru nejdříve zvětšují (tím se plyn nasává), směrem k výtlačnému otvoru se zmenšují (plyn je vytlačován).





Vývěvy

Doprava kapalin čerpadlem

» Proudová vývěva

» Bernoulliho rovnice

» proud tlakové vody nebo páry se přivádí do trysky, kde zúžením průřezu prudce stoupne rychlost a tím poklesne tlak » vzniklým podtlakem se nasává dopravovaný plyn ze sací komory » směs nosného média a nasátého plynu přichází do difuzoru, kde se průtokový průřez zvolna rozšiřuje, tím se proud zpomaluje a jeho tlak vzrůstá

WA

1 2 u A, stř 2

HC

WA g

PA

u B2 u A2 2g

zAg

PB

1 2 u B , stř 2

PA g

zB

PB

zA

zB g

Edis

Edis g

» HC … charakteristika potrubí

» Potřebná pracovní výška čerpadla





8

Charakteristika čerpadla

Teoretický příkon čerpadla

Hc hydrodynamické čerpadlo

P W AQ » P … příkon » Q … objemový průtok » A … plošný průřez

hydrostatické čerpadlo

Q, m3.s-1 Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob




9

Opakování Napětí. Opakování Základní pojmy silového působení. Opakování Vztah napětí a deformace. Opakování Vztah napětí a deformace

Recommend Documents