W 04 Opadanie i fluidyzacja

W 04 Opadanie i fluidyzacja, PWR, Chemia, Inżynieria chemiczna, Skrzypiński wykłady
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Podstawy inżynierii chemicznej
Wojciech Skrzypiński
Opadanie cząstek w płynie
Pojedyncza cząstka opadająca w płynie ruchem jednostajnym podlega działaniu trzech sił
równoważących się, tj. sile ciężkości, sile wyporu i sile oporu:
Siła
ciężkości
3
p

d
G


g
s
6
Siła
wyporu
3
p

d
W


g
6
Siła
oporu
2
p

d
w
2

R


op
4
2
Bilans sił można zapisać jako:
G 

R

d
3
p

d
3
p

d
2
p
2
w


g


g


s
op
6
6
4
2
skąd można obliczyć prędkość opadania cząstek kulistych w płynie:


4
d
g



p
3
s
w



op
lub średnicę opadającej cząstki kulistej:
2
3


w

op
d



4
g



s
Zastosowanie obu tych równań do obliczeń jest utrudnione, ze względu na występowanie
współczynnika oporu kształtu
o

, który jest wielkością zmienną i zależną od liczby Reynoldsa
cząstki, definiowanej zależnością:
w
d

p
Re


gdzie właściwości odnoszą się do ośrodka, w którym odbywa się ruch.
Doświadczalnie stwierdzono, że cząstki mogą poruszać się w sposób laminarny,
przejściowy i burzliwy. Dla tych obszarów ruchu obowiązują specyficzne zależności
po
zwalające obliczać współczynnik oporu kształtu:
Obszar ruchu laminarnego,
Obszar Stokesa
24
Re
0

op

Re
Obszar ruchu przejściowego,
Obszar Allena
18
,


0

Re

500
op
0
,
6
Re
Obszar ruchu burzliwego,
Obszar Newtona

op

0
44
Re
500
Na wykresie w skali podwójnie logarytmicznej zależność ta, dla wszystkich trzech
obszarów pokazana jest na poniższym rysunku:
43
 Podstawy inżynierii chemicznej
Wojciech Skrzypiński
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
Re
Jeśli do zależności określającej siłę oporu działającej na cząstkę wstawić zależność dla
ruchu laminarnego, to otrzymuje się wzór:
2
p

d
2
24

w

R


3

d

w
p
w
d

4
2
p
znany jako
równanie Stokesa
. Po wykorzystaniu tego równania do bilansu sił i jego
przekształceniu otrzymuje się:


d
2
p



g
s
w

18

Postępując analogicznie w obszarze Allena uzyskuje się zależności:

d
2
p
0
,
6
2
18
,

w

18
,
1
p
4
0
,
6
1
4
0
,
4
R



d

w

0
,
6
0
p
,
6
0
,
6
w
d

4
2
8
1
6
1


1
1
d
1
4



g
4

4

4
4
p
s
w



0
,
6
0
,
4
3

18
,

1
4

1
4


2857
1
p
143
0
,
714
d



s
w

0
781
0
,
4286
0
,


Natomiast w obszarze Newtona uzyskuje się:
2
p

d
2
w

R

0
44
4
2
44
 Podstawy inżynierii chemicznej
Wojciech Skrzypiński


d



g
4
p
s
w

3

0
44



d



p
s
w

5
452

Wzory ujęte w ramki pokazują, że prędkość opadania różnie zależy od średnicy cząstki.
W obszarze Stokesa jest proporcjonalna do
2
d
, w obszarze Allena do
p
d
, a w obszarze
1
143
Newtona do
5
0
,
p
d . W postaci wykreślnej zależność ta przedstawiona jest na poniższym rysunku
Obszar Stokesa
Obszar Allena
Obszar Newtona
d
Przedstawione powyżej równania są niewygodne do obliczeń projektowych, bo gdy
trzeba obliczyć prędkość lub gdy trzeba obliczyć średnicę opadającej cząstki, to równocześnie
trzeba znać obszar ruchu, w którym odbywa się opadanie. Zatem obliczenia można wykonać
jedynie zakładając ten obszar i po wykonaniu obliczeń sprawdzić poprawność założenia
(obliczyć wartość liczby Reynoldsa).
Innym sposobem przy obliczaniu prędkości opadania cząstki o znanej średnicy jest
następujące podejście. Z równania bilansowego:
3
p
3
p
2
p

d

d

d
2
w


g


g


s
op
6
6
4
2
wynika, że:


d
g



4
p


s
op
2
3
w

2
Mnożąc obie strony równania przez
Re otrzymuje się:


3
p
d




g
4
2
s

Re

op
2
3

Zdefiniujmy bezwymiarową wielkość:


3
p
d




g
s
Ar

2

jako liczbę Archimedesa. Zatem na pods
tawie dwóch po
wyższych zależności uzyskuje się wzór:
3
2

Re

Ar
op
4
45
Podstawy inżynierii chemicznej
Wojciech Skrzypiński
Zauważmy, że do obliczenia wartości liczby Archimedesa nie jest konieczna znajomość
prędkości opadania cząstki.
W obszarze Stokesa
graniczna wartość liczby Reynoldsa wynosi 0,5, a współczynnik
24
oporu kształtu wynosi:
. Po podstawieniu do zależności w ramce uzyskuje się graniczną

op

Re
wartość liczby Archimedesa:
3
24
2

Ar

0
9
4
0
Zależność między liczbą Reynoldsa a liczbą Archimedesa w obszarze Stokesa wynosi:
3
24
2

Re
Ar
4
Re
18 
Re
Ar
Ar
Re
18
W obszarze Newtona
najmniejsza graniczna wartość liczby Reynoldsa wynosi 500,
a współczynnik oporu opadania wynosi 0,44, zatem:
3
Ar

0
44

500
2

82500
4
Zależność między liczbą Reynoldsa a liczbą Archimedesa w obszarze Newtona wynosi:
3
2

0
44
Re
Ar
4
Re
1
7408
Ar
Obszar Allena
zawarty jest zatem w zakresie
, a współczynnik oporu
A9 

82500
18
,
opadania wynosi:
, zatem:


op
0
,
6
Re
3
18
,
2

Re
Ar
0
,
6
4
Re
po przekształceniach otrzymuje się:
1
0
,
714

Ar

4

Ar

Re










13
,
875
13
,
875
Zestawienie powyższych przekształceń pokazano w tabeli:
Obszar ruchu Zakres liczb Reynoldsa Zakres liczb Archimedesa
Re vs Ar
Ar
Re
Re
0
Ar
9
Stokesa
18
1
0
,
714

Ar

4

Ar

0

Re

500
A9 

82500
Allena
Re










13
,
875
13
,
8
75
Newtona
Re
500
Re
82500
500
Ar
Re
1
7408
Ar
Reasumując, przy obliczaniu prędkości opadania cząstki o znanej średnicy wygodnie jest
korzystać z liczby Archimedesa, natomiast przy obliczaniu średnicy cząstki o znanej prędkości
opadania obliczenia należy wykonać metodą prób i błędów.
Przedstawione powyżej rozważania dotyczą cząstek o kształcie kulistym. Dla cząstek
o kształcie odbiegającym od kuli prędkość opadania należy skorygować za pomocą odwrotności
współczynnika kształtu czyli współczynnika sferyczności.
Przykładowo
w obszarze Stokesa
współczynnik oporu kształtu oblicza się z zależności:
a
,

op

Re
46
 Podstawy inżynierii chemicznej
Wojciech Skrzypiński
24
gdzie wielkość
a

,

0
843
log
0
065
a zatem prędkość opadania oblicza się z zależności:


2
z
d



g



w

s
0
843
log


18

0
065
Z kolei
w obszarze Newtona
współczynnik oporu kształtu przedstawia zależność:



5
31

4
87
op
a prędkość opada
nia liczy się z zależności:





d



g
d



4

5

0
,
p
s
p
s
w


3
617
5
31

4
87



3
5
31

4
87



Dla
obszaru Allena
nie ma jednej zależności na obliczanie prędkości opadania, gdyż
współczynnik oporu kształtu zależy nie tylko od sferyczności, ale także od wartości liczby
Reynoldsa.
Współczynnik sferyczności  występujący w powyższych równaniach określa stosunek
pola powierzchni kuli do pola powierzchni cząstki przy takiej samej objętości, zatem jest to
liczba mniejsza od 1. Przykładowe wartości dla wybranych brył podano poniżej.
Bryła
Współczynnik
sferyczności 
Kula
1
Sześcian
0,806
Graniastosłup
a 
2
a
0,766
0,76
Graniastosłup
a 

a
3
Walec r
h
2
0,873
Walec
h
10
r
0,691
Opadanie pojedynczych cząstek w aparatach przemysłowych jest wyjątkowo rzadkie.
Najczęściej występuje tak zwane opadanie gromadne, tj. takie w którym sąsiadujące cząstki mają
wpływ na ruch innych. Wówczas ciecz i obecne w niej cząstki należy traktować jako zawiesinę.
Obecność wielu cząstek powoduje zmniejszenie przekroju, w którym jest faza ciągła i
w związku z tym występuje wówczas wsteczny ruch cieczy. Wielkością, która opisuje wpływ
innych cząstek na opadanie w roju jest porowatość zawiesiny , czyli udział objętości
swobodnej w całej zawiesinie.
Dla celów praktycznego wykorzystania w projektowaniu prędkość opadania kulistych
cząstek w zawiesinie w oblicza się mnożąc prędkość opadania pojedynczej cząstki przez
współczynnik
f
uwzględniający zmniejszenie prędkości wskutek zapełnienia objętości przez rój
cząsetk:
2

f

 
1
82
10
1


47
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • diabelki.xlx.pl
  • Podobne
    Powered by wordpress | Theme: simpletex | © Spojrzeliśmy na siebie szukając słów, które nie istniały.