Общие вопросы прикладной гидромеханики

Контрольные вопросы
1. Каковы назначение трубопроводов и их устройство?
2. На чем основана классификация гидравлических машин?
3. Какими параметрами характеризуется работа гидравлических ма­шин?
4. Какие типы насосов относятся к динамическим насосам и насосам объемного типа?
5. На чем основана классификация компрессорных машин?
Глава 3
РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ И ГАЗОВЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ
Гетерогенные, или неоднородные, системы состоят из двух и более фаз, распределенных друг в друге. Фаза, находящаяся в раздроб­ленном состоянии, называется дисперсной, или внутренней, фазой. Сплошная фаза, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной, или внутренней, средой (фазой).
В зависимости от того, какая фаза является дисперсной, а ка­кая дисперсионной, различают следующие гетерогенные системы (табл. 3.1).
Эмульсии и пены обладают при определенных концентрациях дисперсной фазы инверсией (обращением) фаз, заключающейся в переходе дисперсной фазы в дисперсионную среду, и наоборот.
Таблица 3.1 Классификация гетерогенных систем

Дисперсионная среда	Состояние дисперсной фазы	Наименование гетерогенной системы	Размер частиц дисперсной 1 фазы, мкм 1
Газ	Твердое	Пыль	5... 100 i
	Твердое	Дым	0,3... 5
	Жидкое	Туман	0,3... 3
Жидкость	Твердое	Суспензия:
		грубая	>100
		тонкая	0,5... 100
		муть	0,1 ...0,5
		Коллоидный раствор	<0,1 (с возникновением броуновского движения)
	Жидкое	Эмульсия	<0,5
	Газообразное	Пена	—

Таблица 3.2
Классификация процессов и аппаратов для разделения гетерогенных систем

Движущая сила	Гетерогенная система	Процесс	Аппарат
Сила тяжести	Пыль	Осаждение	Пылеосадительная камера
	Суспензия	Отстаивание	Отстойник
	Эмульсия	Отстаивание	Отстойник
Разность давлений	Суспензия	Фильтрование	Фильтр жидкостной
	Пыль	Фильтрование	Фильтр газовый
Центробежная сила	Суспензия	Центрифугирова­ние (отстойное или фильтрующее)	Центрифуга
		Циклонный	Гидроциклон
	Пыль	Циклонный	Циклон
	Эмульсия	Центрифугирова­ние (отстойное)	Сепаратор
		Циклонный	Гидроциклон
Сила электри­ческого поля	Дым	Осаждение	Электрофильтр сухой
	Туман	Осаждение	Электрофильтр мокрый

В технологических процессах часто необходимо осуществлять деление гетерогенных систем, методы и аппаратура для кото-
классифицируются в первую очередь по природе движущей 1Ы процесса (табл. 3.2). Кроме перечисленных процессов для разделения применяется
других, например промывание газов (мокрое разделение) для
tj\(ob и туманов.
Как правило, выбор процесса и аппаратуры для разделения етерогенных систем определяется размерами дисперсном фазы, изическими свойствами разделяемых фаз, энергозатратами на го реализацию.
Материальный баланс процесса разделения
Если в аппарат для разделения гетерогенных систем подается некоторое количество исходной смеси в количестве О_ш, кг, со­держащей х_см (вес, %) дисперсной фазы, а после разделения об­разуется концентрированная дисперсная фаза в количестве С_ж с
концентрацией х_ос и очищенная w^c™P™^OHHa\^c%™\ZZZ~ стве G* с концентрацией оставшейся дисперсной фазы фильтра­та х_л материальный баланс такого процесса записывается в соот­ветствии с уравнением (В.5) для входящих и выходящих матери­альных потоков

для содержащейся в них дисперсной фазы

Совместным решением уравнений (3.1) и (3.2) можно опреде­лить два необходимых для расчета технологического процесса па­раметра.
Разделение в поле сил тяжести (отстаивание)
Кинетика отстаивания. При определении скорости отстаива­ния частицы дисперсной фазы сделаем следующие допущения: частица имеет сферическую форму; на осаждение не оказывают влияния ни другие частицы, ни стенки аппарата; плотность час­тицы р_ч больше плотности среды _Рс, в которой она осаждается. Скорость движения частиц постоянна
В этом случае на частицу, движущуюся в среде со скоростью w действуют следующие силы (рис. 3.1):
nd* • сила тяжести G = m₄g = —г-Рч8>
nd³ . подъемная сила (сила Архимеда) G_A =-^-р_с£;

• сила сопротивления

Поскольку движение частицы на­правлено вниз (р_ч > р_с), запишем урав­нение баланса сил (уравнение осажде­ния частицы под действием силы тяже­сти)

где g — ускорение свободного падения; Ф — коэффициент гидравлического со­противления.
Отсюда скорость осаждения может быть выражена как

Входящий в уравнение (3.3) коэффициент гидравлического со­противления ф определяется в зависимости от режима осаждения частицы (рис. 3.2).
1. При ламинарном режиме осаждения 1(И< Re < 1,0, обтека­ние носит плавный характер, ф = 24/Re (формула Стокса).
2. При переходном режиме осаждения 1,0 < Re < 500, плавность обтекания нарушается, ф= 18,5/Re⁰-⁶ (формула Аллена).

При турбулентном режиме осаждения Re > 500, движение овится неупорядоченным, траектории частиц — извилисты-фк 0,44 (формула Ньютона). В турбулентной области наступает автомодельный режим, т. е.
f\i не зависящий от изменяемого параметра (Re). Поскольку осаждение в промышленных аппаратах-отстойни-ч осуществляется при ламинарном режиме, подставив в уравне-е (3.3) коэффициент гидравлического сопротивления в виде рмулы Стокса, получим

Для практических расчетов скорости осаждения используют лкже критериальную зависимость, учитывающую фактор формы частиц у,

где в качестве диаметра несферической частицы используется ее эквивалентный диаметр, полученный на основании ее веса G₄,

Поскольку не всегда возможно предсказать, в каком режиме будет осаждаться частица и какую зависимость для определения скорости ее осаждения следует использовать, считается, что ла­минарный режим наблюдается при Аг < 1,8; переходный — при 1,8 < Аг < 8,3- 10⁴; турбулентный — при Аг > 8,3- 10⁴.
На практике для приближенного определения скорости осаж­дения во всех режимах обтекания частиц можно воспользоваться зависимостью

Отстаивание является одним из самых дешевых процессов и осуществляется в аппаратах, называемых отстойниками.
Различают отстойники для разделения пылей, суспензий и эмульсий. Эти аппараты могут быть периодического, полунепре­рывного и непрерывного действия.
По функциональному назначению отстойники для разделения суспензий делят на сгустители, осветлители и классификаторы.
Основной характеристикой отстойного оборудования является его производительность К_от, определяемая как

где F— площадь поверхности осаждения.


Для отстойников с несколькими поверхностями осаждения (мно­гополочные отстойники), каждая из которых имеет площадь/,_ов,

где п — число поверхностей осаждения.
Для увеличения скорости осаждения мелкодисперсных частиц используют специальные растворы — коагулянты, способствую­щие объединению частиц между собой, что увеличивает массу осаждаемого агломерата.
Для разделения пылей применяются полочные пылеосадитель-ные камеры (рис. 3.3), включающие расположенные друг над дру­гом горизонтальные полки 2, равномерное распределение газа, вдоль которых осуществляется с помощью вертикальной перего­родки /. Скорость вдоль полок регулируется клапаном 3. Раз­грузка осуществляется периоди­чески через штуцер 5 скребка­ми, вводимыми через люки с крышками 4.
Для автоматизации разгруз­ки полки могут устанавливать­ся с наклоном, а на слой осад­ка может оказываться вибраци­онное воздействие и т. п. Аппа­раты аналогичных конструкций могут применяться для разделе­ния суспензий (полочные от­стойники).
Одновременное воздействие сил тяжести и инерции на раз­деляемую пыль осуществляется

тстойном газоходе (рис. 3.4), снабженном вертикальными пе-
тородками 1, о которые ударяются, не успевающие обогнуть их
ержащиеся в газе твердые частицы. За счет этого они теряют
1рость и под действием силы тяжести опускаются вдоль поверх-
1И перегородок в сборники 2, откуда отводятся периодически
i непрерывно.
На рис. 3.5 представлен отстойник для разделения суспензий прерывного действия с гребковой мешалкой. Отстойник состо-из цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем, кольце-м желобом 2 и патрубком 5 для отвода очищенной жидкости,
_шалки 7 с гребками б для перемещения постоянно образующе--ося осадка к разгрузочному устройству 8. Подача суспензии осу-
ествляется через центральный патрубок 3. Вращение мешалки с жими скоростями, не разрушающими осадок, осуществляется
помощью электродвигателя 4.