Ideální kapalina. Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. » Kapaliny. » Plyny

Transkript

1 Tekutiny Charakteristika, proudění tekutin Tekutiny ve farmaceutickém průmyslu» Kapaliny» rozpouštědla» kapalné API, lékové formy» disperze» Plyny» Vzduchotechnika» Sušení» Fluidní operace Ideální kapalina» Ideální kapalina je nestlačitelná, ale neexistují v ní smyková napětí ani deformace. 1

2 Zachování hmoty Rovnice kontinuity» Vteřinový objemový průtok Q kapaliny určitou proudovou trubicí se zachovává.» Je-li u nestlačitelných kapalin v jednom jejím místě průřez S 1 a v druhém S, platí : S 1 v 1 = Q 1 = Q = S v» U stlačitelných tekutin je konstantní průtok hmotnostní a platí : S 1 v 1 1 = S v Zachování energie Bernoulliho rovnice 1 P u z g konst» Rozměr J.m -3» u rychlost proudění» z výška» P tlak Reálná kapalina - viskozita» Dynamická viskozita, η [Pa.s] u y» τ tečné napětí» platí pro Newtonovské tekutiny pohyblivý povrch tekutina y τ u u y stacionární povrch

3 Typy viskozity» (éta) je dynamická viskozita» [] = kg.m -1.s -1 = N.m -.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» = / Vizkozity tekutin Látka Viskozita [Pa.s] Vzduch 10-5 Zkapalněný N 10-4 Voda Olej Glycerin Masťový základ 10 5 Nenewtonovské kapaliny τ Binghhamská Newtonovská Dilatantní du/dx 3

4 Nenewtonovské kapaliny» 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 F t r F 1 F r p 1 p Směr pohybu tekutiny 4

5 Proudění viskózní kapaliny rovnováha sil» Tlakové síly» působí na podstavy» plášť síla způsobená třením okolních vrstev.» Pohybuje-li se válec rovnoměrně, musí být všechny síly na něj působící v rovnováze : du r ( p1 p) rl 0 dr 1 p du r dr l Proudění viskózní kapaliny v kulaté trubce» okrajová podmínka u(r) = 0 :» u stěny trubky je rychlost nulová u(r) r 1 p u( r; R) ( R r ) 4 l R u max u max 1 p ( R ) 4 l Poiseuillův zákon» Laminární tok potrubím 1 p u R 4 l u max Q 1 p R 4 l A uda p Q R 8 l R 0 4 r R R r rdr 1 p urdr 4 l 0 Hagen-Poiseuillova rovnice 5

6 Režim toku» Laminární» Turbulentní Hranice režimů proudění» Reynoldsovo kritérium ul ul Re» relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti» Re < 300 laminární proudění» Re > turbulentní proudění Teorie podobnosti» 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 6

7 Kritéria podobnosti» Strouhalovo kritérium tu St L» t, u, L charakteristický čas, rychlost, velikost» Reynoldsovo kritérium ul ul Re» relace mezi setrvačnými a viskozitními toky hybnosti Kritéria podobnosti» Eulerovo kritérium p Eu u» relace mezi tlakovou a setrvačnou silou» Froudovo kritérium gl Fr u» relace mezi gravitačními a setrvačnými silami Disipace energie při proudění kapalin» Bernoulliho rovnice 1 u A, stř PA 1 zag u» u rychlost proudění» z výška» P tlak» E dis měrná dissipovaná energie l E dis f d» f frikční faktor B, stř u PB zbg E dis 7

8 Moodyho diagram Doprava kapalin - 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 Pístová čerpadla 8

9 Zubová čerpadla» Čerpání zvláštních tekutin» viskózní» abrazivní» s pevnými částicemi Membránová čerpadla» Membrána ovládána» pístem» stlačeným plynem» Mechanismus čerpadla oddělen od čerpané tekutiny» Odolnost vůči zvláštním médiům Šneková a peristaltická čerpadla 9

10 Hydrodynamická čerpadla Odstředivé Axiální Funkce odstředivého čerpadla Doprava plynů» Přetlaková» ventilátory (fans)» dmychadla (blowers)» kompresory (compressors)» Podtlaková» vývěvy (vacuum pump) 10

11 Ventilátory» Charakteristika» doprava většího množství plynů při malém přetlaku (0,1-0,11 MPa)» radiální (paprskový) ventilátor» 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. Ventilátory» axiální (osový) ventilátor» oběžné kolo má tvar několikakřídlové vrtule.jeho rotací se vzduch pohybuje rovnoběžně s osou (používají se k odvětrávání místností) Dmychadla» Charakteristika» doprava plynů za středního tlaku (0,11-0,3 MPa).» Rootsovo dmychadlo (Roots blower)» podobné zubovému čerpadlu - ve skříni dmychadla se proti sobě otáčejí rotory, které jsou neustále ve vzájemném dotyku a současně přiléhají k vnitřním stěnám skříně a rozdělují jí na komory. Plyn se nasává do 1 komory mezi rotor a skříň a ve. komoře se vytlačuje. 11

12 Dmychadla» Lamelové dmýchadlo (sliding vane blower)» 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. 1

13 Kompresory» Šroubový kompresor» plyn se přivádí mezi 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» Olejová rotační vývěva» rotační vývěva s vnitřní olejovou lázní» lepší těsnost» chlazení těla vývěvy olejem» 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). 13

14 Vývěvy» Proudová vývěva» 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 Doprava kapalin čerpadlem» Bernoulliho rovnice 1 WA u A, stř PA 1 zag u B, stř» H C charakteristika potrubí» Potřebná pracovní výška čerpadla PB zbg E WA ub ua PB PA Edis HC zb za g g g g dis Charakteristika čerpadla H c hydrodynamické čerpadlo hydrostatické čerpadlo Q, m 3.s -1 14