Měření axiálních rychlostních profilů v nádobách s centrální cirkulační trubkou pomocí LDA systému

Procesní a zpracovatelská technika 2002 _________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Měření axiálních rychlostních profilů v nádobách s centrální cirkulační trubkou pomocí LDA systému J.Brož*,M. Severa**, T.Jirout*, F.Rieger* *Department of Process Engineering Czech Technical University in Prague, Technická 4, 166 07 Prague 6, Czech Republic tel.: 02/2435 2715, 02/2435 2681, 02/2435 2548, fax: 02/24310292, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], **Institute of Hydrodynamics Academy of Science, Pod Paťankou 30/5, 166 12 Prague 6, Czech Republic tel: 02/33109002 e-mail: [email protected]

Abstrakt Nádoby s centrální cirkulační trubkou se používají pro míchání suspenzí zvláště tam kde je požadavek na vysokou homogenitu a přenos tepla. V článku je popsáno tokové chování kapaliny v nádobách s centrální cirkulační trubkou. Pro měření axiálních rychlostních profilů v trubce a nádobě a v centrální cirkulační trubce bylo použito metody LDA (Laser Doppler Anemometry). Použitá experimentální sestava byla dodána firmou DANTEC. Získaná data jsou porovnána s numerickým řešením a jiným experimentem. Klíčová slova: LDA, nádoba, centrální cirkulační trubka, rychlostní profil, míchání Úvod V příspěvku je popsáno tokové chování kapaliny v nádobách s centrální cirkulační trubkou. Pomocí měřící metody LDA byly ve zvolených hladinách proměřeny axiální rychlostní profily. Z rychlostních profilů je získána hodnota průtokové číslo NQP, která je porovnána s hodnotami numerického řešení a dalším experimentem. Metodika měření Vlastní měření bylo uskutečněno ve skleněné štíhlé nádobě s centrální cirkulační trubkou (obr.1). Pro měření bylo použito běžné šestilopatkové míchadlo se šikmými lopatkami CVS 691020 obr. 1. Ve zvolených hladinách nádoby byly pomocí metody LDA [1] měřeny hodnoty axiálních rychlostí proudící kapaliny pro otáčky míchadla 500, 600 a 700min-1. Použitou kapalinou byla destilovaná voda se stopovacími částicemi.

1


Detail míchadla v centrální cirkulační trubkce

Obr. 1. Model nádoby s experimentální sestavou fy DANTEC pro LDA. 1

Popis geometrie nádoby: 1 nádoba s kuželovým dnem 2 centrální cirkulační trubka 3 narážky 4 míchadlo

2 3

t

h

l

4

45°

d

H2

L

d

H

DT

Použité míchadlo: šestilopatkové míchadlo se šikmými lopatkami CVS 69 1020 h/d=0,2

HT

60°

D1 D

Obr. 2. Geometrie nádoby a míchadla Tab. 1. Geometrické parametry nádoby. D [mm]

DT [mm]

D1 [mm]

d [mm]

H [mm]

HT [mm]

H2 [mm]

h [mm]

L [mm]

l [mm]

300

80

80

70

600

14

444

8

540

54

2


Výsledky měření Na obr.3 je znázorněna nádoba s centrální cirkulační trubkou. Zde jsou ukázány hladiny s axiálními rychlostními profily pro otáčky míchadla 600 min-1. V horní části mezikruhového prostoru nádoby můžeme pozorovat, že dochází vlivem vystupujícího proudu z centrální cirkulační trubky ke strhávaní okolní kapaliny a její následné cirkulaci. Tato cirkulace kapaliny ustane přibližně v první třetině výšky centrální cirkulační trubky, nadále je tok kapaliny usměrněný směrem ke dnu nádoby a tvar rychlostního profilu je plochý. V centrální cirkulační trubce je vývoj rychlostního profilu ovlivněn přítomností šestilopatkového míchadla. V dolní polovině trubky vykazují rychlostní profily turbulentní plochou charakteristiku. Tvar rychlostních profilů v oblasti míchadla je vlivem rotace míchadla deformován a maximálních hodnot axiálních rychlostí se dosahuje v polovině lopatek. Na obr. 4 jsou znázorněny axiální rychlostní profily v blízkosti pod a nad míchadlem. Na stěně trubky pod míchadlem dochází ke zpětnému proudění kapaliny. Tento jev je způsoben tlakovou diferencí mezi výtlačnou a sací stranou míchadla a vůlí mezi lopatkami míchadla a stěnou trubky.

15

spodní hrana míchadla

130

0,4 0,3 245

0,2 0,1 0,0

0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

Obr. 4. Detail ax. rychlostních profilů v okolí míchadla pod míchadlem nad míchadlem

Obr. 3. Ax. rychlostní profily v nádobě v bezroz. tvaru

Bezrozměrné závislosti axiálních rychlostních profilů pro otáčky míchadla 500(Re = 40833), 600(Re = 49000) a 700min-1(Re = 57166) v měřených hladinách 15, 130 a 245 pod hranou míchadla jsou vyneseny na obr. 5. Závislosti jsou vynesena v bezrozměrné formě wax/πnd na 2r/D.Zde je vidět, že axiální rychlostní profily jsou na Re nezávislé.

3


Měřená hladina 15mm pod míchadlem

0,3

Re = 40833 Re = 49000 Re = 57166

w ax/ nd [1]

0,2

0,1

0

trubka

mezikruží

-0,1

-0,2 0

0,2

0,6

0,8

1


0,2

w ax/ nd [1]

0,4

Re = 40833 Re = 49000 Re = 57166

0,1

0

trubka

mezikruží

-0,1

-0,2 0

0,2

0,6

0,8

1


0,2

w ax/ nd [1]

0,4

Re = 40833 Re = 49000 Re = 57166

0,1

0

trubka

mezikruží

-0,1

-0,2 0

0,2

0,4

2r/D [1]

0,6

0,8

1

Obr. 5. Bezrozměrné axiální rychlostní profily měřené v hladinách 15, 130, 245mm pod spodní hranou míchadla pro různá Reynoldsova čísla.

4


Porovnání experimentu s mat. výpočtem Pro porovnání naměřených hodnot se stanovilo průtokové číslo míchadla v centrální cirkulační trubce NQP. Hodnota NQP ze získala integrací z axiálních rychlostních profilů v centrální cirkulační trubce. Tato hodnota je porovnána s výsledky: & systémem se určil z experimentálně zjištěné 1) matematického výpočtu, kde průtok V charakteristiky míchadla [2] a ztrátová charakteristika systému byla stanovena za předpokladu, že zde dochází k usměrněnému toku kapaliny [3]. 2) numerické simulace, kde geometrie nádoby byla zadána v programu MIXSIM a numerická část byla vypočítaná v programu FLUENT. Pro výpočet byl použit k-ε model turbulence. Jednalo se o 3D úlohu a z důvodu symetrie systému postačovalo řešit pouze jeho jednu šestinu (pouze pro jednu lopatku míchadla). Výpočet proběhl pro pět různých hodnot frekvence otáčení míchadla n = 500, 750, 1125, 1688 a 2530 min-1. Byla zkoušena i různá hustota výpočetní sítě. Tab. 2. Porovnání hodnot průtokového čísla NQP NQP

LDA 0,44±0,02

1) 0,38

2) 0,38

V tab. 2. je porovnání získaných hodnot NQP. V případech 1) a 2) jsou hodnoty NQP shodné. Rozdíl mezi hodnotou NQP získanou pomocí LDA a způsoby 1),2) mohl nastat díky předpokladu usměrněného proudění v systému a náročným požadavkům na symetrii experimentálního modelu. Závěr V příspěvku je experimentálně zjištěno chování toku kapaliny v podobě axiálních rychlostních profilů v nádobě s centrální cirkulační trubkou pomocí metody LDA (Laser Doppler Anemometry). Ze znázorněných axiálních rychlostních profilů je možno pozorovat v naší geometrii míchací nádoby tyto zvláštnosti v chování: 1) cirkulaci toku kapaliny v horní části mezikruhového prostoru nádoby, 2) zpětné proudění toku kapaliny na sací straně míchadla v centrální cirkulační trubce. Z axiálních rychlostních profilů se získala hodnota průtokového čísla NQP, která se porovnala s hodnotami z numerické simulace a experimentu.

5


Seznam symbolů D

průměr nádoby

[mm]

DT

průměr centrální cirkulační trubky

[mm]

D1

průměr kuželového dna

[mm]

d

průměr míchadla

[mm]

H

výška hladiny

[mm]

HT

vzdálenost centrální cirkulační trubky ode dna nádoby

[mm]

H2

umístění míchadla ode dna nádoby

[mm]

h

šířka narážky

[mm]

L

délka centrální cirkulační trubky

[mm]

l

délka narážky

[mm]

NQP

průtokové číslo NQP = V/nd3

n

otáčky míchadla

Re

Reynoldsovo číslo pro míchadlo Re = nd2ρ/µ

& V

objemový průtok

[m3.s-1]

ρ

hustota

[kg.m-3]

µ

dynamická viskozita

[-] [min-1] [-]

[Pa.s]

Seznam literatury [1] F. Durst, A. Melling, J. H. Whitelaw : Principles and practice of laser-doppler anemometry. second edition, ACADEMIC PRES 1981. [2] Fiala, V.: Charakteristiky míchadel v usměrňovacím válci, Diplomová práce, Strojní fakulta ČVUT Praha 1994. [3] Novák, V., Rieger. F., Vavro, K.: Hydraulické pochody v chemickém a potravinářském průmyslu. STNL, Praha 1989. Tato práce byla uskutečněna za podpory GA AV ČR z grantu č. A 2060907/99 a grantu CTU 0205112.

6

Měření axiálních rychlostních profilů v nádobách s centrální cirkulační trubkou pomocí LDA systému

Recommend Documents