VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Физическая сущность процесса центрифугирования

Разделение суспензий и эмульсий в поле действия центробежных сил осуществляется во вращающихся аппаратах – центрифугах.

По фактору разделения Kp все центробежные машины делятся на два класса:

• нормальные центрифуги К_р 3000.

По принципу действия выделяют центрифуги периодического и непрерывного действия.

Отстойная центрифуга. Основной элемент отстойной центрифуги – сплошной барабан, на вращающемся валу 2 (рис. 1.1). Суспензия по трубе 3, вводится в нижнюю часть барабана и под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам.

Непосредственно на стенке барабана твердые частицы образуют слой осадка, жидкость образует внутренний слой, и вытесняется из барабана поступающей на разделение суспензией. Осветленная жидкость переливается через край барабана в корпус 4, а затем удаляется из аппарата. По окончании процесса (слой осадка достиг определенной величины) центрифугу останавливают и в ручную выгружают слой осадка.

Разработаны непрерывно действующие центрифуги с механизированной выгрузкой осадка.

Сущность процесса отстаивания в центрифугах состоит в следующем. Пусть твердая частица находится в точке А (рис.1.1). Если предположить что частица мелкая и полностью увлекается потоком, то она со скоростью потока ωn движется в осевом направлении и в то же время под действием центробежной силы движется со скоростью ω_о к стенке барабана. Следовательно, частица с результирующей скоростью ω_р движется по криволинейной траектории, причем траектория АВ является предельной, при движении по которой твердая частица выделяется из потока. В этом случае должно выполняться условие . Время пребывания τ_пр можно оценить:

, (1.1)

где H – высота барабана; V- объемный расход жидкости;

r₁, r₂ – соответственно радиусы вращения внутренней и наружной поверхностей слоя жидкости.

Время процесса осаждения τ_о в поле действия центробежных сил можно определить по формуле:

, (1.2)

где d- диаметр частицы;

μ- коэффициент динамической вязкости среды;

ρ_r- плотность частицы;

ρ_c- плотность среды;

ω- угловая скорость вращения частицы.

Для отстойной центрифуги можно записать:

(1.3)

Решение (1.3) относительно V имеет вид:

(1.4)

Если осаждение происходит в тонком слое, то . Следовательно, формула (1.4) в пределе даст

(1.5)

Рис. 1.1. Расчетная схема процесса центрифугирования

Таким образом, производительность отстойной центрифуги равна произведению скорости осаждения частицы в поле действия центробежных сил на поверхность осаждения. Формула (1.5) дает оценку влияния основных параметров на процесс осаждения.

Определение мощности на валу центрифуги

Расход энергии для периодически действующей центрифуги должен быть рассчитан отдельно для пускового и рабочего периодов.

Максимальная мощность требуется в пусковой период, когда преодолевается инерция массы вращающихся частей центрифуги и загруженного материала. В рабочий период расход энергии снижается.

Полный расход энергии в центрифуге периодического действия складывается из следующих затрат:

а) На сообщение барабану необходимой скорости – N_б.

б)На сообщение кинетической энергии суспензии, поступающей на разделение, N_с.

в) На преодоление трения в подшипниках центрифуги – N_т.

г) На преодоление трения барабана о воздух – N_в.

Работа, затрачиваемая на сообщение барабану необходимой скорости, определяется по формуле:

, Дж (1.6)

где m_б- масса вращающихся частей центрифуги, кг;

r₂- внутренний радиус барабана, м;

ω- угловая скорость,

, рад

n- число оборотов барабана, об/мин.

Мощность, необходимая для вращения барабана

, кВт,

где τ- время разгона центрифуги, сек.

Работа, затрачиваемая на сообщение кинетической энергии суспензии, поступающей на разделение, определяется формулой

, Дж (1.7)

где m_c- масса загруженной суспензии, кг;

Мощность, необходимая на сообщение кинетической энергии суспензии

, кВт,

где τ- время разгона центрифуги, сек;

- коэффициент, учитывающий дополнительный расход энергии на перемешивание суспензии в барабане. Для сахарных утфелей = 0,8.

Мощность, необходимая на преодоление трения в подшипниках,

кВт, (1.8)

где m- масса вращающихся частей центрифуги и суспензии, кг.

, кг

ω_В – окружная скорость на поверхности шейки вала центрифуги, м/сек,

, м/сек,

где d_В- диаметр шейки вала, м;

n- число оборотов вала, об/мин;

μ- коэффициент трения, который может быть принят равным 0,3.

Мощность, расходуемая на преодоление трения барабана о воздух,

, кВт, (1.9)

где Н – высота барабана, м;

D – диаметр барабана, м;

n- число оборотов барабана, об/мин.

Максимальная расчётная мощность на валу центрифуги

, кВт (1.10)

В рабочий период расход энергии значительно меньше

, кВт (1.11)

Определение производительности центрифуги

Производительность центрифуги по суспензии (л/час)

, (1.12)

где ℓ- длина пути осаждения, м;

η_э- коэффициент эффективности разделения;

ω₀- скорость свободного гравитационного осаждения твёрдых частиц, м/с;

Фактор разделения в поле действия центробежных сил определяется выражением

, (1.13)

где ω – угловая частота вращения ротора, с^-1.

Производительность центрифуги по твёрдой фазе (кг/час)

, (1.14)

где ρ_с - плотность суспензии;

с - концентрация твёрдых (дисперсных) частиц в суспензии,

, (1.15)

Технические характеристики центрифуги

Центрифуга является центрифугой периодического действия с частотой вращения до 3000мин^-1 (50 с^-1), предназначенной для разделения неоднородных жидких систем плотностью до 2 г/см³ в поле центробежных сил.

Центрифуга обеспечивает работу с максимальным объемом центрифугата – 150см³. Номинальный объем центрифугата - 100см³.

Центрифуга должна эксплуатироваться в закрытых помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями при температуре окружающего воздуха от +10 до +35°С и верхнем значении относительной влажности воздуха 80% при +25°С.

Климатическое исполнение центрифуги – УХЛ 4.2

1. Центрифуга имеет три фиксированные частоты вращения ротора (пробиркодержателя) (1000300)мин^-1, (1500300)мин^-1 и (3000-300)мин^-1 с сигнализацией устанавливаемой частоты.

2. Центрифуга обеспечивает блокировку включения двигателя при открытой крышке и блокировку открывания крышки при работающем двигателе.

3. Центрифуга обеспечивает автоматическое отключение двигателя через заданный интервал времени. Диапазон времени центрифугирования – от 1 до 99 минут с дискретностью 1 минута и допускаемым отклонением времени центрифугирования от заданного значения 2%.Цифровой индикатор отображает текущий интервал времени, оставшийся до отключения двигателя.

4. Фактор разделения, в зависимости от частоты вращения ротора, для ступеней:

1.  

   • «1» - до 330

   • «1.5»- до 635

   • «3»- до 1540.

1. Центрифуга оснащена 10-местным ротором (пробиркодержателем).

2. Питание центрифуги осуществляется от сети переменного тока:

частотой (500,5)Гц;

напряжением (22022)В.

1. Потребляемая мощность не более 200ВА.

2. Время раскрутки ротора до рабочей частоты не более 3мин.

3. Время непрерывной работы не менее 180мин, с последующим перерывом не менее 60мин.

4. Масса центрифуги с комплектом запасных частей и принадлежностей – не более 10кг.

5. Габаритные размеры центрифуги – не более 460х405х270мм

6. Средняя наработка центрифуги на отказ – не менее 1500ч.

7. Средний срок службы центрифуги до списания – не менее 5 лет.

8. Центрифуга по требованиям к электрической безопасности изготовлена по классу защиты 1 тип Н по ГОСТ 12.2.025-76.

9. Корректированый уровень звуковой мощности центрифуги при измерительном расстоянии 1м не превышает 71дБА.

Описание схемы установки. Устройство центрифуги

Сборочный чертёж центрифуги представлен на рис. 1.2.Основание представляет собой металлический диск, на котором закреплён пластмассовый корпус центрифуги. На основание через резиновые амортизаторы опирается электродвигатель привода центрифуги. На валу привода установлен десятиместный ротор (пробиркодержатель).

Пространство, в котором вращается ротор, образовано крышкой центрифуги с прозрачным окном сверху и камерой. Центрифуга снабжена электромагнитным устройством, блокирующем крышку открывания при вращении ротора.

Указания мер безопасности

Категорически запрещается:

1.Загружать ротор центрифугата свыше 150мл.

2.Работат с разностью масс более 2г в диаметрально противоположных гильзах или общей разностью масс в роторе более 10г.

3.При работе со стеклянными пробирками, загружать их центрифугатом плотностью более 1,5г/см³.

4.Применять нестандартные пробирки.

Рис. 1.2. Сборочный чертеж центрифуги

1 - корпус, 2 - шасси, 3 – опора, 4 - плата управления, 5 - плачи питания, 6 - панель, 7 - опора, 8 - кронштейн, 9 – пробиркодержатель, 10 - механизм блокировки, 11 - кабель питания, 12 - электродвигатель, 15 - шайба, 16 - втулка, 17 - втулка, 18 - ось, 19 - колпак. 20 - камера, 21 - головка, 22 - головка, 23 – то- житель, 24 – лепесток, 25 - лепесток, 26 - скоба, 27 - скоба, 28 - фальшпанель, 29 - шильдик, 30 - крышка, 31 - колпак, 32 - гильза, 33 - диафрагма, 34 - манжета, 52 - вставка плавкая, 53 - держатель вставки плавкой.

Принцип работы электрической схемы

Электрическая принципиальная схема центрифуги (рис.1.3) представляет собой систему автоматического управления электродвигателем привода центрифуги без обратной связи по частоте вращения.

Электрическая принципиальная схема центрифуги состоит из следующих функциональных узлов:

А) генератор тактовых импульсов (ГТИ) на микросхеме DD1;

Б) узел счетчиков (УС) времени работы на микросхемах DD2, DD3;

В) дешифратор кода (ДК) на микросхемах DD4, DD5;

Г) цифровой индикатор (ЦИ) HG1;

Д) коммутатор режимов работы (КРР) на микросхеме DD6;

Е) узел блокировки крышки (УБК) центрифуги на элементах DD8 и транзисторе VT1;

Ж) формирователь импульсов (ФИ) управления симистором на микросхеме DА1;

3) стабилизатор напряжения (СН) на микросхеме DА2;

И) платы питания А2;

К) механизм блокировки АЗ.

Электрическая принципиальная схема центрифуги работает следующим образом:

После нажатия кнопки SВ8 (сеть) поступает напряжение на понижающий трансформатор Т1, с вторичной обмотки которого напряжение через диодный мост VD9, разделительный диод VD8, поступает на СН. Выпрямленное и сглаженное от пульсаций напряжение подается на схему управления центрифуги.

При включении центрифуги на выводе 4 DD6 появляется логическая 1, которая записывается по входу DЗ триггера и происходят начальные установки режимов центрифуги. С выхода QЗ DD6 логическая 1 обнуляет счетчики DD2 и DDЗ, а с выхода Q3 DD6через диод VD2 сбрасывается RS триггер УБК, на выводе 3 DD8 устанавливается логическая единица, а на выводе 11 DD8 - логический ноль. Через промежуток времени, определяемый элементами R14, С7 на выводе 3 DD8 устанавливается уровень логического нуля, который записывается по входу D3DD6 и в дальнейшем в работе центрифуги не участвуют. На цифровом индикаторе высвечивается значение "00" и непрерывно горит индикатор "СТОП" - VD4. По входам D0...D2 микросхемы DD6 записаны значения логической единицы, так как кнопки SBЗ...SB5 отпущены. Транзистор VТ1 закрыт и электромагнит КN1 на блоке АЗ отпущен, что позволяет открыть крышку центрифуги.

С помощью кнопок SB1 и SB2 устанавливается необходимое время работы центрифуги. При нажатии кнопки SB1 импульсы частотой 2 Гц с вывода DD1 поступают на тактовый вход микросхемы DD2, и происходит перебор значений единиц минут. Выбрав нужное значение, отпускают кнопку SB1. Аналогичным способом выставляются значения десятков минут с помощью кнопки SВ2.

Рассмотрим принцип работы центрифуги на скорости 1000 об/мин. Пуск центрифуги возможен только при закрытой крышке, когда нажат микропереключатель SВ7 (замкнуты контакты 1-3 SВ7). При этом контакт 3 платы Ф1 соединен с общим приводом. При нажатии кнопки SВЗ напряжение логического нуля через контакты кнопки подается на вывод 14 DD6. На выводе Q0 DD6 появляется логический 0 и загорается светодиод VD5. На выводе появляется уровень логической 1, на выводе 9 DD7 - уровень логического нуля, который перебросит RS триггер на DD8 в единичное состояние. На выводе З DD8 установится уровень логического нуля, а на выводе 11 DD8 - логическая единица, которая запирает диод VDЗ и открывает транзистор VТ1. При этом срабатывает электромагнит KN1 и блокирует открывание крышки. На выводе 4 DD8 появляется уровень логической единицы, которая гасит светодиод VD4 и "защелкивает" триггеры DD. На выводе 9 DD1 появляется уровень логической единицы, который через вывод 12 DD7 запрещает дальнейший счет минутных импульсов, а также через дифференцирующую цепочку С8, R29 записывает в триггер D0 DD6 логическую 1 . Напряжение на выводе Q0 DD6 становится равным нулю и перестает поступать напряжение на ФИ. Логическая 1 с вывода 9 DD7разрешает прохождение импульсов частотой 2 Гц на светодиод VD4, который начинает мигать, что свидетельствует о включении режима "СТОП" центрифуги, но включенном режиме блокировки крышки на время остановки ротора центрифуги.

По истечении 1 минуты импульс с вывода 10 DD1 через конденсатор СЗ сбрасывает RS триггер на микросхеме DD8 в исходное состояние. При этом опускается электромагнит KN1, начинает непрерывно светиться светодиод VD4.

Остановку центрифуги можно произвести, не дожидаясь окончания установленного времени работы, с помощью кнопки СТОП SB6. При этом вывод 6 DD6 соединяется с общим приводом и по входу D0 DD6 записывается логическая 1. Центрифуга входит в режим остановки так же, как и при отработке установленного времени работы.

При случайном открытии крышки центрифуги произойдет замыкание контактов 1-2 микропереключателя SВ7, что аналогично нажатию кнопки СТОП SВ6, и центрифуга входит в режим остановки, аналогично выше описанному.

Работа центрифуги возможна в режиме работы без часов (бесконечный режим работы). Это возможно при нажатии одной из кнопок SВЗ...SВ5 при установке на цифровых индикаторах значения "00". При этом на выводе 6 DD7 присутствует напряжение логической единицы, которое блокирует прохождение минутных импульсов через вывод 10 DD7. В этом режиме остановка центрифуги возможна нажатием кнопки СТОП SВ6. появляется логический 0, что разрешает появление на выводе 10 DD1 минутных импульсов. Минутные импульсы с вывода 10 DD7 через резисторы RЗ, R4 подаются на счетные входы DD2, DDЗ, при этом происходит обратный счет времени работы центрифуги от установленного значения.

Напряжение с вывода Q0 DD6 подается на ФИ, собранный на микросхеме DA1. На вывод 2 DА1 подаются синхронизирующие сетевые импульсы с диодного моста VD9 через резистор R37. При переходе сетевого напряжения через 0 закрывается выходной ключ микросхемы DА2 (вывод 7) и начинается зарядка конденсатора С15 через резисторы R31, R34 до напряжения срабатывания компаратора К1 (вывод 6) микросхемы DА1. При срабатывании компаратора на выводе 3 DA1 формируется импульс управления, который через конденсатор С18, согласующий трансформатор Т2 и резистор R40 подается на управляющий вход симистора VD11. Через открытый симистор сетевое напряжение подается на двигатель М1. Одновременно открывается выходной ключ микросхемы DA2 (вывод 7) и конденсатор С15 быстро разряжается. Время заряда конденсатора определяется сопротивлением резисторов R31, R34. Таким образом, изменяя сопротивление резистора R34, можно изменять время заряда С15 и изменять угол открывания симистора VD11. Сопротивление резистора R34 при настройке подбирается таким образом, чтобы нагруженный ротор центрифуги развивал скорость 1000 об/мин.

При достижении установленного времени работы центрифуги, когда показания цифровых индикаторов достигнут значения "00", на выводе 6 DD7.

Экспериментальная часть

Цель работы

1. Ознакомиться с устройством, принципом действия, электрической схемой, системой автоматики отстойной центрифуги периодического принципа действия.

2. Рассчитать центробежную силу, фактор разделения, время центрифугирования, производительность, расход энергии на валу центрифуги.

3. Проанализировать зависимость качества продукции от энергозатрат.

4. Определить энергоемкость целевого продукта.

Порядок выполнения работы

1.  

   1. Подготовить раствор эмульсии. Для этого в стакане объемом 200мл³ растворить 50 грамм мела при помощи электромагнитной мешалки.

   2. Залить по 100мл³ при помощи медицинского шприца попарно в пробирки и закрыть крышку.

   3. В зависимости от рассчитанного времени центрифугирования, на приборной панели выбрать при помощи кнопок время центрифугирования.

   4. Выбрать минимальную частоту вращения при помощи кнопок выбора.

   5. Запустить установку при помощи кнопки "Пуск".

   6. По истечении времени центрифугирования достать пробирки и взвесить осадок и отделенную жидкость.

   7. Провести эксперимент при концентрации 70 грамм мела на 200мл³ воды и 90 грамм на 200мл³ воды.

   8. В момент пуска при помощи ваттметра измерить мощность (), расходуемую на пуск (выход на режим) установки.

   9. Также измерить мощность в ходе работы установки (рабочий режим) .

Обработка результатов и составление отчета

1. Заполнить таблицу 1.1.

Т а б л и ц а 1.1. Результаты измерений

ω

Кр

ω0

τос

Vc

Vт

Nб

Nс

Nт

Nв

Nп

Nр

Δ

опыта

об/мин

с-1

м/с

с

м3/ч

м3/ч

кВт

кВт

кВт

кВт

кВт

кВт

кВт

кВт

%

1

2

3

1. Сравнить фактор разделения, полученный в ходе расчета с заданным фактором разделения для ступеней в зависимости от частоты вращения ротора центрифуги.

2. Построить график зависимости производительности от времени , .

3. Дать анализ зависимости качества продукции от энергозатрат.

4. Построить график зависимости .

5. Сравнить полученную в ходе расчета мощность при выходе на режим с мощностью, измеренной в пусковой период по ваттметру. Дать рекомендации по выбору электродвигателя.

6. Определить энергоемкость целевого продукта.

Контрольные вопросы

1. Что такое фактор разделения и как он определяется?

2. Как определяется производительность центрифуги?

3. Из каких слагаемых складывается мощность на валу центрифуги?

4. Какие факторы влияют на расход мощности?

5. Как зависит качество центрифугирования от энергозатрат?

6. На основании анализа экспериментальных данных обосновать выбор силового оборудования. Обосновать способ регулирования режимными

параметрами электродвигателя в центрифугах.

Код для цитирования: Скопировать