Zachování hmoty Rovnice kontinuity. Ideální kapalina. Zachování energie Bernoulliho rovnice. Reálná kapalina - viskozita

Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu » Kapaliny Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob Tekutiny Charakteristika, proudění tekutin

» rozpouštědla » kapalné API, lékové formy » disperze

» Plyny » Vzduchotechnika » Sušení » Fluidní operace

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob Charakteristika chování tekutin

Ideální kapalina » 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

Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob


Charakteristika chování tekutin


Zachování energie Bernoulliho rovnice

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

1 2 P u   z g  konst 2  » 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





1

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





2



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 r ( p1  p2 )  2rl 0 dr

1 p 2 2 (R  r ) 4 l

r

R

2

du  

umax umax 

1 p r dr 2 l





Poiseuillův zákon

Režim toku

» Laminární tok potrubím

» Laminární

1 p 2 2 u R r 4 l



umax 



1 p 2 R 4 l

» Turbulentní

R

R

0

0

Q   udA   u 2rdr   A

Q

 p 4 R 8 l

1 p 2 (R ) 4 l

1 p 2 2 R  r 2 rdr 4 l





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





3

Kritéria podobnosti

Kritéria podobnosti

» Strouhalovo kritérium

» Eulerovo kritérium

tu St  L

Eu 

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

» Reynoldsovo kritérium Re 

uL





uL 

» relace mezi tlakovou a setrvačnou silou

» Froudovo kritérium Fr 

» relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti

p

u 2

gL u2

» relace mezi gravitačními a setrvačnými silami





Disipace energie při proudění kapalin

Moodyho diagram

» Bernoulliho rovnice 1 2 P 1 P u A,stř  A  z A g  u B2 , stř  B  z B g  Edis 2  2  » » » »

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

Edis  f

l u2 d 2

» f … frikční faktor Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob




Doprava kapalin - čerpadla

Pístová 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




4

Zubová čerpadla

Membránová čerpadla

» Čerpání zvláštních tekutin

» Membrána ovládána

» viskózní » abrazivní » s pevnými částicemi

» pístem » stlačeným plynem

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





Šneková a peristaltická čerpadla

Hydrodynamická čerpadla Odstředivé





Funkce odstředivého čerpadla

Axiální

Doprava plynů » Přetlaková » ventilátory (fans) » dmychadla (blowers) » kompresory (compressors)

» Podtlaková » vývěvy (vacuum pump)





5

Ventilátory

Ventilátory

» Charakteristika

» axiální (osový) ventilátor

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

» radiální (paprskový) ventilátor

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

» 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.





Dmychadla

Dmychadla

» Charakteristika

» Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower)

» 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.

» 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.





Kompresory » Charakteristika » 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.

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.





6

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 » Charakteristika » 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.





Vývěvy

Vývěvy

» Olejová rotační vývěva

» Proudová vývěva

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

» 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

» 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). Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob




Doprava kapalin čerpadlem » Bernoulliho rovnice

Charakteristika čerpadla Hc

1 P 1 P WA  u A2 ,stř  A  z A g  u B2 , stř  B  z B g  Edis 2  2 

HC 

hydrodynamické čerpadlo

E WA u B2  u A2 PB  PA    z B  z A  dis g 2g g g

hydrostatické čerpadlo

» HC … charakteristika potrubí

» Potřebná pracovní výška čerpadla

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




7

Zachování hmoty Rovnice kontinuity. Ideální kapalina. Zachování energie Bernoulliho rovnice. Reálná kapalina - viskozita

Recommend Documents