Temat:

Zaprojektować mieszalnik mechaniczny z mieszadłem wysokoobrotowym do wytwarzania emulsji spalin o objętości roboczej V=3m³, zawierającej X=25% wody. Proces realizowany w temperaturze otoczenia, w aparacie bezciśnieniowym (przy ciśnieniu atmosferycznym.

Dane:

V=3m³

X=25%

Obliczenia

• Włściwości wody w temperaturze 20˚C

ρ_w=998 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

η_w=0,001 [Pas]

• Właściwości mazutu w temperturze 20˚C

ρ_m=964,8 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

ν_m=4,66• 10^-5 [$\frac{m^{2}}{s}$]

η_m=ν_m• ρ_m=4,66∙ 10^-5∙ 964,8 = 0,045 [Pas]

• Gęstość emulsji

ρ_e=X∙ρ_w+(1-X)∙ρ_m=0,25∙ 998+ (1-0,25)∙ 964,8 = 973,1 [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]

• Lepkość dynamiczna emulsji

η_e=0,06 [Pas]

• Dobrane wymiary zbiornika

D=1,6 m

L=1,81 m

• Optymalna prędkość obrotowa mieszadła

u_opt= 5 [$\frac{m}{s}$]

• Dobrana średnica mieszadła

d= $\frac{D}{3}$= $\frac{1,6}{3}$= 0,53 [m]

d_p=0,63 [m] – (wg. BN-75/2225-06)

• Odległość mieszadła od dna

h= d =0,63 [m]

• Wysokość mieszadła

H= D= 1,6 [m]

• Optymalna częstość obrotów

n_opt= $\frac{u_{\text{opt}}}{\pi \bullet \ d_{p}}$ = $\frac{5}{3,14 \bullet 0,63}$ = 2,53 [$\frac{1}{s}$]

n_opt= 2,67 [$\frac{1}{s}$] – wartość przyjęta (wg. BN-65/2201-03)

• Moc na wale

N_w= k₁∙ k₂∙ k₃∙ P = 1∙ 1,5∙ 1∙2390= 3580 [W]

gdzie:

k₁=1

k₂=1,5

k₃=1

Liczby kryterialne opisujące moc mieszalnika

• Liczba Reynoldsa

$\text{Re}_{m} = \frac{nd^{2}\rho_{e}}{\eta_{e}} = \frac{2,67 \bullet {0,63}^{2} \bullet 973,1}{0,06} =$ 17100

• Liczba Froude’a

$\text{Fr}_{m} = \frac{n^{2}d}{g} = \frac{{2,67}^{2} \bullet 0,63}{9,81}$= 0,46

Ponieważ w mieszalniku występują przegrody Fr_m =1

• Moc (Newtona)

$\text{Ne}_{m} = \frac{P}{n^{3}d^{5}\rho}$

W przypadku rozwiniętego przepływu burzliwego ( jaki mamy) Ne_m=C, natomiast dla mieszkadła TPL, które jest w temacie projektu C=1,3, w takim wypadku:

Nem= C= 1,3

• Moc mieszalnika

$\frac{P}{n^{3}d^{5}\rho} = C\ \rightarrow$ P= C∙ n³∙ d⁵∙ ρ = 1,3∙ 2,67³∙ 0,63⁵∙ 973,1=2390 [W]

• Moc silnika napędzającego mieszadło

$N_{s} = \frac{N_{w}}{\eta} = \frac{3580}{0,06}$= 3980 [W]

• Moment skręcający na wale

$M_{s} = \frac{N_{w}}{2\pi n} = \frac{3580}{2 \bullet 3,14 \bullet 2,67}$= 15000 [Nm]

• Naprężenia poduszczalne na skręcanie jednostronne

ksj= 0,32∙ Z_go = 0,32∙ 330= 105,6 [MPa]

gdzie:

Zgo – wytrzymałość na zmęczenie zginaniem ( dla stali nierdzewnej 1H18N9T Zgo=330 [MPa])

• Średnica wału

$d_{w} = \sqrt[3]{\frac{M_{s}}{0,2\ ksj}} = \sqrt[3]{\frac{15000}{0,2 \bullet 105,6}}$= 0,089 [m]

• Wskaźnik przekroju na skręcnie

Ws=0,2∙ d_w³ = 142,3 [m³]

• Warunek wytrzymałościowy na skręcanie

$\tau_{s} = \frac{M_{s}}{W_{s}} = \frac{15000}{142,3}$= 105,4 [Pa] < 105,5 – warunek spełniony

• Warunek na dopuszczalny kąt skręcania

$\frac{\varphi}{L} = \frac{M_{s}}{GI_{s}}\ \leq \varphi_{\text{pod}}$ → $\frac{15000}{83000 \bullet 635}$ = 2,85∙ 10^-10 [$\frac{1}{m}$] ≤ 0,00436 [$\frac{\text{rad}}{m}$]

gdzie:

φ_pod = 0,00436 [$\frac{\text{ra}d}{m}$]

G = 8,3∙ 10⁴ [MPa] (dla stali 1H18N9T)

$I_{s} = \frac{\pi{d_{w}}^{3}}{32} \approx 0,1 \bullet {d_{w}}^{4}$= 635 [m⁴]

Urządzenia dodatkowe

• Silnik trójkowy indukcyjny (moc 4 kW).

• Przekładnia z pasem zębatym (moc 4 kW).

• Dławica z czołowym uszczelnieniem ślizgowym.

• Sprzęgło.