NĚKTERÉ ZVLÁŠTNOSTI MÍCHÁNÍ NENEWTONSKÝCH KAPALIN

Prezentace na téma: "NĚKTERÉ ZVLÁŠTNOSTI MÍCHÁNÍ NENEWTONSKÝCH KAPALIN"— Transkript prezentace:

1 NĚKTERÉ ZVLÁŠTNOSTI MÍCHÁNÍ NENEWTONSKÝCH KAPALIN
KAMIL WICHTERLE VŠB-Technická univerzita Ostrava Ostrava - Poruba, tř.17.listopadu 15  , Fax: ,

2 OBSAH Co je nenewtonská kapalina „Viskozita“ míchané nenewtonské kapaliny Kinematika nenewtonských kapalin Mrtvé prostory Smyková rychlost v míchané nádobě Směšování tekutin o různé viskozitě

3 Co je nenewtonská kapalina ?

4 Jednoduchý smykový tok
rychlost U x y d v síla F

5 viskozita m = konst. NEWTONSKÁ KAPALINA
t = m g viskozita m = konst. NEWTONSKÁ KAPALINA

6 zdánlivá viskozita m proměnná - NENEWTONSKÁ KAPALINA
t = m g zdánlivá viskozita m proměnná - NENEWTONSKÁ KAPALINA

7 Na čem závisí nenewtonská zdánlivá viskozita t / g = mzd ?
…na spotřebě energie v jednotce objemu e = P/ V = t g = mzd g2 = t2/mzd …tedy mzd = f(e) …takže je možno také psát třeba t = f(g) …například mocninový model t = K gn n…index toku, K…koeficient konzistence

8 Reologie – nauka o deformaci a toku
mechanika kontinua – co nejdokonalejší popis pro popis jakéhokoliv materiálu v jakékoliv situaci fyzikální chemik – co nejdokonalejší popis pro vystižení chování konkrétních tekutin v jednom typu situací inženýr – co nejjednodušší popis chování tekutin, slušně přiléhavý a poměrně obecný

9 VISKOZITA A MÍCHÁNÍ mzd A CO NENEWTONSKÉ KAPALINY ?
Rushton et al příkon Turbulentní proudění, kde k určení příkonu viskozitu nepotřebujeme Plouživé laminární proudění, kde k určení příkonu viskozitu potřebujeme A CO NENEWTONSKÉ KAPALINY ? Metzner a Otto 1957 zdánlivá viskozita – zdánlivá smyková rychlost gzd = k N mzd k = 11 pro rychloběžná míchadla

10 zdánlivá smyková rychlost gzd = k N
Řeší vše ? Stěží ! Funguje totiž jen pro plouživé laminární proudění ! Umožňuje pouze stanovit příkon pro nízká Re a určit hranici Re, jímž je tato oblast vymezena !

11 Střední smyková rychlost v míchané vsádce
Když už příkon známe, střední hodnota g se dá určit ze vztahu t g = P/ V Pro mocninové kapaliny t = K g n gstř = [P/ (V K)]1/(n+1)

12 Problém proměnné viskozity
Standardní míchací zařízení jsou odzkoušena především pro běžné (newtonské) kapaliny Při jakékoliv nerovnoměrnosti viskozity ve vsádce zpravidla chybějí jak teoretické návody k návrhu míchacího zařízení tak i praktické zkušenosti

13 Změny viskozity Závislost na namáhání kapaliny (nenewtonské chování)
Závislost na teplotě Závislost na koncentraci homogenních směsí Závislost na velikosti částic heterogenních směsí, na jejich objemovém zastoupení a na jejich koloidních interakcích

14 Běžná míchacího zařízení
Standardní míchací zařízení jsou zvolena tak, aby pro běžnou (newtonskou) kapalinu bylo rozložení g co nejrovnoměrnější, aby se i tak kapalina ve více- a méně namáhaných oblastech stále vzájemně vyměňovala.

15 Smyková zóna pomaloběžných míchadel, nízké Re
Smyková zóna u obvodu míchadla kotvové míchadlo Mrtvý prostor, rotující s míchadlem Chybí výměna kapaliny mezi těmito oblastmi ! nádoba

16 Smyková zóna pomaloběžných míchadel, nízké Re, nenewtonské kapaliny
Skluzná vrstva u obvodu míchadla kotvové míchadlo nádoba Mrtvý prostor, ulpělý na stěně Mrtvý prostor, rotující s míchadlem

17 Smyková zóna pomaloběžných míchadel, vyšší Re
kotvové míchadlo nádoba Probíhá výměna kapaliny mezi oblastmi !

18 Malé Re, „rychloběžné“ míchadlo
Nedochází prakticky k výměně kapaliny mezi smykovou oblastí a mrtvým prostorem Mrtvý prostor u stěn Smyková vrstva u obvodu míchadla (pro nenewtonské kapaliny je tenká !) gzd = k N Mrtvý prostor mezi listy míchadla

19 Kaverna, - typický příznak vysoké viskozity u stěn
Proud z míchadla nedosáhne až ke stěnám ani při středních hodnotách ReM >10, zejména při velkém D/d Dobře promíchávaná kaverna Dc~d ReM1/2 Dc Mrtvý prostor u stěn g <<0.05 s-1

20 Rozšíření kaverny, - zánik mrtvých prostor u stěn
Vysoké ReM Běžné d/D U směsí: materiál s nižší viskozitou má být u stěn

21 Mrtvé prostory je zapotřebí minimalizovat !!!

22 Skutečná smyková rychlost v dobře navrženém zařízení
Značná nerovnoměrnost g V nádobě s rychloběžným míchadlem - nejvyšší g u listů míchadla Snižuje se po výtoku z míchadla Vyšší hodnota opět při dopadu na stěnu Nejmenší smyk při cirkulaci v prostoru

23 Nerovnoměrnost disipace energie v prostoru nádoby
Průměrná hodnota estř = P / V = Po (d3/V) r N3 d2 (typicky 1 kW/m3) gstř = N ( Po ReM d3/V )1/(1+n) U míchadla při Re> gM = (5.3n +1)1/n N ReM1/(1+n) Obvykle tedy: gM / gstř > 15 U stěny gW = a (d/D)2/n N ReM1/(1+n) Obvykle tedy: gW / gstř  1 A nepochybně všude jinde: g << gstř

24 UŽITEČNOST ZNALOSTI ROZLOŽENÍ SMYKOVÉ RYCHLOSTI
Obecně: viskozita nenewtonských kapalin Na stěně: riziko mrtvých prostor, sdílení tepla Na dně: suspendace U míchadla: dispergace částic plynu, nemísitelné kapaliny rozbíjení částic, mikroorganizmů

25 Vliv deformace kapaliny na směšování
Deformace (čas, smyková rychlost) zmenšování měřítka segregace Difuze (čas, velká plocha, malá vzdálenost) zmenšování intenzity segregace

26 Deformace kapaliny jako časové působení smykové rychlosti
Růst mezifázové plochy A v kapalině o konstantní viskozitě vlivem časového působení smykové rychlosti A = A0 exp( g t ) pro velké g A = A0 exp( ½ g2 t ) pro malé g ? Je výhodnější : rovnoměrné rozdělení g a jeho trvalé působení - nebo krátkodobé působení vyššího g

27 Mísitelné kapaliny Nepůsobí mezifázové napětí
Pro výsledek směšování je podstatný integrál g dt Rovnoměrné rozložení disipace energie v nádobě je při dobré cirkulaci kapaliny výhodné

28 Deformace dispergované částice
Záleží na viskozitě: Částice o stejné nebo nižší viskozitě se deformuje stejně jako spojitá fáze Částice o vyšší viskozitě se deformuje úměrně pomaleji než spojitá fáze

29 DEFORMACE MÍSITELNÉ ČÁSTICE

30 DEFORMACE NEMÍSITELNÉ ČÁSTICE
Tvar částice udržován rovněž mezifázovým – povrchovým napětím

31 Výhoda nerovnoměrného rozložení smykové rychlosti
Máme-li zájem o štěpení disperze, pak je mnohdy nutno dosáhnout alespoň lokálné velmi vysoké hodnoty g. Pak se zdaří vytvářet míchadlem i malé kapky a bubliny a rozbíjet i soudržné skupiny částic.

32 ZÁVĚR Potřeba porozumět chování stejnorodých nenewtonských kapalin v míchacím zařízení vedla k detailnějšímu studiu rozložení rychlosti pohybu i rychlosti smykové deformace v prostoru. Ukazuje se, že míchanou vsádku je vhodné vždy rozdělit na několik zón, v nichž jsou odlišné lokální hydrodynamické režimy. Uvedené znalosti mohou teoreticky objasnit některé dosud nekvantifikované jevy při míchání různých směsí, i když nejde právě o nenewtonské kapaliny.

33 KONEC

34 Děkuji za pozornost