Uczelnia, wydział, kierunek:

Politechnika Wrocławska; Wydział Chemiczny; biotechnologia

Kurs, semestr, prowadzący:

Inżynieria bioprocesowa 1 – wykład; semestr 08z; prof. inż. Andrzej Noworyta

Notatka zawiera:

Zbiór opracowanych zagadnień na egzamin

Listy zadań na stronie:

http://eportal-ch.pwr.wroc.pl/

Uwaga:

Notatkę można używać tylko w celach niekomercyjnych. Notatka może zawierać błędy

lub być niekompletna. Każdy korzysta z niej na własną odpowiedzialność.

Więcej notatek na stronie:

http://www.sny.one.pl/

e-notatka
inzynieria
bioprocesowa 1.pdf

SNy: Biotechnologia

Studenckie Notatki Cyfrowe

Paulina Mosiołek
Mateusz Jędrzejewski ([e-mail])

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

2

Wstęp

Notatka stworzona w ramach akcji studentów 3 roku biotechnologii.

Start akcji: 18.01.2009 r.

Koniec akcji: 25.01.2009 r.

Cel: opracowanie zagadnień na egzamin z inżynierii bioprocesowej 1

Regulamin

1.

Każda chętna osoba może wziąć udział w akcji opracowania zagadnień na egzamin z inżynierii

bioprocesowej 1.

2.

Każdy zgłaszający akceptuje i stosuje niniejszy regulamin.

3.

Lista wolnych tematów jest dostępna na niniejszej stronie.

4.

Wyboru wolnego tematu do opracowania dokonuje się przez zgłoszenie na adres

[e-mail] (numer tematu, imię i nazwisko).

5.

Ostateczny termin przesłania opracowania mija 25.01.2009 r. o godzinie 12.00.

6.

Opracowanie należy przygotować rzetelnie, w języku polskim, w formacie tekstowym,

np. doc, podając dokładne źródła, np. własne notatki z wykładu, książka (autor, tytuł,

rozdział, strony) lub adres internetowy.

7.

Każdy przesyła opracowanie własnego autorstwa wydając zgodę na jego bezpłatną publikację

i możliwą modyfikację.

8.

Opracowania będą publikowane na niniejszej stronie na bieżąco.

9.

Każdy może zgłaszać uwagi do opracowanych już zagadnień na adres: [e-mail]

10.

Osobą koordynującą akcje jest Mateusz Jędrzejewski.

11.

Wszelkie sprawy sporne rozstrzyga koordynator.

12.

Autorką pomysłu akcji jest Paulina Mosiołek.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

3

Spis zagadnień

1. Proces okresowy, proces ciągły ........................................................................................................... 4

2. Stan ustalony i nieustalony.................................................................................................................. 4

3. Rodzaje przepływów............................................................................................................................ 5

4. Liczba Reynoldsa, definicja, znaczenie w zagadnieniach inżynierii chemicznej .................................. 7

6. Rodzaje ciśnień, prawo Bernoulliego .................................................................................................. 8

7. Rola ciśnienia dynamicznego przy rozpatrywaniu przepływów .......................................................... 8

8. Opory przepływu, równania ................................................................................................................ 9

10. Zasada działania pompy tłokowej, charakterystyka tej pompy, wady i zalety................................ 10

11. Pompa perystaltyczna ..................................................................................................................... 11

15. Odstojnik Dorra ............................................................................................................................... 12

17. Płukanie placka filtracyjnego ........................................................................................................... 14

18. Rodzaje i przeznaczenie wirówek .................................................................................................... 14

19. Flotacja ............................................................................................................................................ 16

20. Przewodzenie ciepła, równania ....................................................................................................... 18

21. Charakterystyka ciał ze względu na właściwości przewodzenia ciepła ........................................... 18

22. Wnikanie ciepła, równania .............................................................................................................. 19

23. Sposoby intensyfikacji wnikania ciepła ........................................................................................... 19

24. Przenikanie ciepła, równania ........................................................................................................... 20

25. Współprąd i przeciwprąd ................................................................................................................ 21

Zadania egzaminacyjne ......................................................................................................................... 23

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

4

1. Proces okresowy, proces ciągły

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

Inżynieria – umiejętność wykorzystania wiadomości do celów praktycznych.

Inżynieria procesowa = inżynieria chemiczna.

Proces – wydarzenie trwające w czasie, którego przyczyną jest „siła” (bodziec termodynamiczny).

Proces okresowy (periodyczny) to proces którego etapy cyklicznie powtarzają się po sobie. Zawsze

jest to proces nieustalony, ponieważ jest zmienny w czasie.

Proces ciągły to proces którego wszystkie etapy przebiegają jednocześnie. Może być to proces

ustalony bądź nieustalony. Doprowadzanie (strumień wejścia) i odprowadzenie (strumień wyjścia)

reagentów odbywa się równocześnie.

2. Stan ustalony i nieustalony

Autor opracowania: Agata Białas

Przepływ to opis ruchu płynu, podstawowe pojęcie z zakresu kinematyki płynów. W ujęciu ogólnym

przepływ można scharakteryzować przez podanie pola prędkości płynu w zależności od

współrzędnych przestrzennych i czasu.

Przepływ (stan) może być ustalony lub nieustalony.

Dla przepływu ustalonego prędkość jest tylko funkcją miejsca, a

nie czasu. Inaczej jest to przepływ, w którym w każdym punkcie

obszaru zajętego przez płyn jego prędkość nie zmienia. Przy

takim założeniu równania Naviera-Stokesa i ciągłości przepływu

przybierają prostsze formy. Przepływ w przybliżeniu ustalony

jest najczęściej spotykanym w przemyśle rodzajem przepływu.

Przykład przepływu ustalonego

Dla przepływu nieustalonego, np. wypływu cieczy ze zbiornika

lub po uderzeniu ciała w powierzchnię wody, prędkość jest nie

tylko funkcją miejsca, lecz także czasu. Inaczej jest to przepływ

o zmieniających się w czasie prędkości i ciśnieniu.

P

r

zykład przepływu nieustalonego

Bibliografia:

R. Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”, 1998.

http://www.zgapa.pl/zgapedia/Przep%C5%82yw.html (2008/01/31)

http://pl.wikipedia.org/wiki/Przep%C5%82yw (2008/01/31)

http://portalwiedzy.onet.pl/69861,,,,przeplyw_nieustalony,haslo.html (2008/01/31).

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

5

3. Rodzaje przepływów

Autor opracowania: Alexandra Stojko

Przepływ płynu może być laminarny (uwarstwiony) albo turbulentny (burzliwy). Gdy prędkości płynu

są małe, wówczas elementy cieczy poruszają się po torach prostych, równoległych do osi rurociągu.

Nie obserwuje się przy tym zmian prędkości i kierunku ich przepływu. Każdy element płynu pozostaje

w obrębie danej warstewki i w przekroju poprzeczny nie zmienia swego położenia.

Według Newtona między sąsiadującymi warstewkami powstaje naprężenie ścinające wynikające

z siły tarcia

τ ŋ

dw

d

Współczynnik proporcjonalności

ŋ w wyrażeniu jest lepkością dynamiczną przepływającego płynu

i zależy od temperatury i ciśnienia. Lokalną prędkość płynu można określić, rozpatrując równowagę

sił. Ważna jest zależność:

2

A co za tym idzie:

ŋ

2

Dla r = R prędkość

= 0. Po scałkowaniu równanie przyjmuje postać:

4ŋ

∆

1

Z zależności tej wynika, że rozkład prędkości lokalnych w przekroju rury dla przepływu laminarnego

ma charakter paraboliczny.

Objętościowe natężenie przepływu płynu oblicza się ze wzoru:

8ŋ

∆

Średnia prędkość w rurociągu można obliczyć z zależności:

8ŋ

∆

32ŋ

∆

Natomiast prędkość maksymalną określa się z równania ( dla r = 0 ):

#$%

4ŋ

∆

Bezwymiarowa postać prędkości lokalnej to:

#$%

1

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

6

Wzrost prędkości cieczy powoduje przejście w obszar przepływu turbulentnego. Cząstki cieczy nie

poruszają się już po torach równoległych do osi rurociągu, ale wykonują dodatkowe ruchy

poprzeczne. Powstają wówczas wiry, które powodują spłaszczenia profilu. Wektory prędkości mają

prawie jednakową wartość niemal w całym przekroju, a cienkiej warstwie granicznej maleją liniowo

do zera na ściance. Rozkład prędkości w przekroju poprzecznym podczas przepływu turbulentnego

przedstawia w przybliżeniu proste równanie:

#$%

1

W warstewce granicznej, w której występuje liniowy spadek prędkości, przepływ ma zawsze

charakter laminarny. Tę cienką warstewkę przyścienną nazywa się warstewką Prandtla, a jej grubość

dla przepływu turbulentnego wynosi

10

'

10

'

mm. Dla przepływu laminarnego jej grubość jest

znacznie większa i równa ok. 1 mm Warstewka graniczna Prandtla odgrywa dużą rolę w procesach

wymiany masy i ciepła, utrudniając ruch substancji i ciepła między ścianką a płynem wewnątrz rury

czy aparatu. Rodzaj przepływu i warstewka ustalają się dopiero po pewnym odcinku rozbiegowym od

wlotu płynu do rury, czy też za kolankiem rurociągu. Długość odcinka rozbiegowego wynosi dla ruchu

laminarnego ok. 70

, a dla ruchy turbulentnego ok. 30. Jeżeli przepływający płyn jest ogrzewany lub

chłodzony, to rozkład prędkości ulega pewnemu zniekształceniu. Zmiana kształtu rozkładu prędkości

przy stałym natężeniu przepływu jest związana ze zmianą lepkości płynu. Jeżeli podczas chłodzenia

zwiększa się lepkość płynu, to przy ścianie będzie się on poruszać wolniej, a w osi szybciej. Podczas

ogrzewania relacje te układają się odwrotnie. Badaniami rodzaju przepływów zajmował się Reynolds.

Zmieniając natężenie przepływu w rurze poziomej, obserwował zachowanie się zabarwionej strugi w

osi rury. Okazało się, że rodzaj przepływu zależy od średnicy wewnętrznej rury

, średniej prędkości

przepływu

i lepkości kinematycznej *. Reynolds ustalił eksperymentalnie pewną liczbę

bezwymiarową, której wielkość decyduje o rodzaju przepływu. Liczbę tę nazwano

+,-./ą 1234+56

1

*

ŋ

7

7ŋ

ŋ

#

ŋ

Gdzie prędkość masowa

#

wϱ

Przejście przepływu laminarnego w turbulentny występuje wtedy, gdy siły lepkości nie są w stanie

wyrównać zakłóceń w przepływie. Zmiana charakteru przepływu nie zawsze występuje bardzo

wyraźnie. W technice przepływ laminarny występuje dość rzadko.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

R. Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”, 1998.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

7

4. Liczba Reynoldsa, definicja, znaczenie w zagadnieniach inżynierii chemicznej

Autor opracowania: Paulina Mosiołek

Liczba Reynolsda (Re) – bezwymiarowa liczba podobieństwa dynamicznego charakteryzująca
stosunek sił bezwładności do sił lepkości występujących podczas przepływu płynu:

η

ρ

wd

=

Re

gdzie w-prędkość przepływu, d-średnica wewnętrzna rury, ρ -gęstość cieczy, η -lepkość cieczy

Re określa charakter przepływu płynów:

Re ≤ 2100 przepływ laminarny (uporządkowany),

2100 <Re < 10 000 przepływ przejściowy,

10 000 ≤ Re przepływ burzliwy.

Re przy barbotażu rozdziela obszar Stokesa i Newtona pozwalając na wybór odpowiednich wzorów

na prędkość podnoszenia się pęcherzyków:

dla Re ≤10 (ruch pęcherzyków- obszar Stokesa)

Re

24

=

ξ

c

g

s

g

d

w

η

ρ

ρ

18

)

(

2

−

=









s

m

]

[

)

(

108

25

,

0

m

v

g

d

g

g

c

c















−

=

•

ρ

ρ

π

η

dla Re > 10 (ruch burzliwy obszar Newtona)

66

,

2

=

ξ

d

dg

w

c

c

c

2

,

2

2

≈

−

=

ρ

ρ

ρ

]

[

943

,

0

4

,

0

m

v

d

g

•

=

Re pozwala na obliczenie prędkości opadania ciał stałych określając obszar Stokesa, Allena i Newtona:

obszar Stokesa ruch laminarny, jeśli 10

-4

< Re ≤0,5

Re

24

=

λ

η

ρ

ρ

18

)

(

2

g

d

w

s

−

=

obszar Allena ruch przejściowy, jeśli 0,5

< Re ≤500

6

,

0

Re

5

,

18

=

λ

428

,

0

286

,

0

714

,

0

14

,

1

)

(

η

ρ

ρ

ρ

−

=

s

d

w

obszar Newtona ruch burzliwy, jeśli Re≥500

44

,

0

=

λ

ρ

ρ

ρ

)

(

45

,

5

−

=

s

d

w

Re określa współczynnik oporu λ

dla przepływu laminarnego (Re <2100) gdzie a dla przewodów o przekroju kołowym wynosi 64

9

6

Re

dla przepływu burzliwego i przejściowego, gdzie Re > 2100

9 0,316 · Re

'>,?

Wnioski:

Re jest wyróżnikiem rodzaju ruchu;

Re określa jednoznacznie charakter przepływu lub ruchu cząstek wiążąc ze sobą wielkości

gęstości, lepkości, prędkości i rozmiar rury;

mała Re oznacza przewagę sił lepkości nad siłami bezwładności, duża zaś przewagę sił bezwładności;

Re zależy od temperatury (lepkość), charakteru dna i ścian rury;

Re jest wykorzystywana w znaczeniu laminarnego przepływu cieczy, za jej pomocą

wyznaczymy lepkość cieczy.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/mtk2/fizycy (2009/01/31),

Zbiór zadań z podstawowych procesów inżynierii chemicznej" cz.I, Z.Kawala, A.Kołek, M.Pająk.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

8

6. Rodzaje ciśnień, prawo Bernoulliego

Autor opracowania: Paulina Mosiołek

Rodzaje ciśnień:

ciśnienie hydrostatyczne

@

(odpowiednik energii potencjalnej);

ciśnienie statyczne

AB

(odpowiednik energii mechanicznej);

ciśnienie dynamiczne

CDE

(odpowiednik energii kinetycznej).

CDE

F

2

Suma ciśnień w przepływie jest stała.

Prawo Bernoulliego:

idealne

Σ

Σ

AB

H

CDE

H

@

AB

H

CDE

H

@

rzeczywiste

Σ

Σ

H Δ

AB$B

Równanie Bernoulliego służy do obliczania prędkości lub ciśnienia przepływu ustalonego.

dla przepływu idealnego

H FJK

H

F

2

H FJK

H

F

2

b)

dla przepływu rzeczywistego (straty ciśnienia na pokonanie sił tarcia)

H FJK

H

F

2

H FJK

H

F

2 H Δ

AB$B

Bibliografia:

notatki własne z wykładów.

7. Rola ciśnienia dynamicznego przy rozpatrywaniu przepływów

Autor opracowania: Paulina Mosiołek

Rolą ciśnienia dynamicznego jest powstawanie oporów, czyli strat ciśnień. Ciśnienie dynamiczne jest

odpowiednikiem energii kinetycznej. Do pomiaru ciśnienia dynamicznego służy rurka Pitota.

CDE

F

2

Bibliografia:

notatki własne z wykładów.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

9

8. Opory przepływu, równania

Autor opracowania: Paulina Mosiołek

1.

Opór definiuje się, jako stratę ciśnienia. Podczas ruchu płynu rzeczywistego w przewodzie
występuje zjawisko tarcia międzycząsteczkowego, które pochłania w sposób nieodwracalny
część energii płynu. Spadek ciśnienia

∆ wywołany tarciem płynu w prostych cylindrycznych

przewodach jest proporcjonalny do energii kinetycznej płynu i długości rurociągu

oraz

odwrotnie proporcjonalny do średnicy wewnętrznej przewodu

. Zależność tę opisuje

równianie Darcy – Weisbacha:

Δ 9 ·

2 · F ·

gdzie λ jest bezwymiarowym współczynnikiem oporu zależnym od Re i szorstkości względnej

powierzchni rury ε:

λ = f ( Re; ε/d ).

Podane równanie Darcy-Weisbacha obowiązuje dla przepływów na prostym odcinku.

Natomiast opory miejscowe wynikające z zamontowania na odcinku przepływu kolanka,

zaworu, termometru itp. Obliczymy ze wzoru:

Δ

L5-

∑

N

,

,

F

2

2

gdzie

N to bezwymiarowy współczynnik dla danego oporu miejscowego, np. kolanka.

2.

Współczynnik oporu λ:

dla przepływu laminarnego (Re <2100) gdzie a dla przewodów o przekroju kołowym wynosi 64

9

6

Re

dla przepływu burzliwego i przejściowego, gdzie Re > 2100

9 0,316 · Re

'>,?

Współczynnik oporu λ jest funkcją λ = f ( Re; ε/d ), gdzie ε to szorstkość bezwzględna [mm]. Dla

przepływu laminarnego λ nie zależy od ε, tutaj dla określenia λ stosujemy wzory podane w punkcie 2.

Natomiast dla Re>3000 (wraz ze wzrostem burzliwości) rośnie zależność λ od ε/d. W takich

przypadkach wartość właściwego λ w funkcji( Re; ε /d) odczytujemy z odpowiedniego wykresu.

3.

Jeśli przekrój poprzeczny nie jest kołowy to w podanych równaniach oraz we wzorze na Re
w miejsce średnicy wewnętrznej d należy przyjąć tzw. średnicę zastępczą

O

,

O

4P

Q

gdzie:

P to pole przekroju poprzecznego strumienia płynu, Q to obwód zwilżany przez płyn

Natomiast wartość a zależy od kształtu przekroju poprzecznego przewodu:

kołowy przekrój poprzeczny a=64;

kwadratowy przekrój poprzeczny a=57

trójkąt równoboczny w przekroju poprzecznym a= 53

pierścień w przekroju a=92.

4.

Opory:

nie występują jeśli brak przepływu;

im ich więcej tym większa szybkość przepływu;

za opory odpowiedzialne jest ciśnienie dynamiczne.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów.

10. Zasada działania pompy tłokowej, charakterystyka tej pompy, wady i zalety

Autor opracowania: Joanna Waleńska

Pompy tłokowe należą do pomp wyporowych. Głównym elementem pompy jest tłok. Ich działanie

polega na wymuszeniu przez mechanizm korbowy ruchu tłoka, który powoduje przesyłanie cieczy

porcjami z przewodu ssącego do przewodu ciśnieniowego.

i tłoczny), które zapobiegają cofaniu się cieczy i pozwalają na jej przepływ tylko w jednym kierunku.

Najprostszym przykładem tego typu pompy jest strzykawka.

1. tłoczysko 2. tłok 3.cylinder 4.zawór ssawny 5. zawór tłoczny

Wydajność pomp tłokowych nie jest zależna od wytwarzanego przez nie

Zalety:

Może wytwarzać wysokie ciśnienie;

Małe pompy tłokowe można

wykorzystywać jako dozowniki,

ponieważ znana jest objętość cylindra;

Zdolność do samozasysania;

Praca przy dużej wysokości ssania;

Stałość wydajności przy zmiennej

wysokości pompowania;

Stosunkowo duża sprawność;

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

R.Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pd

2009/02/0

Zasada działania pompy tłokowej, charakterystyka tej pompy, wady i zalety

Autor opracowania: Joanna Waleńska

należą do pomp wyporowych. Głównym elementem pompy jest tłok. Ich działanie

polega na wymuszeniu przez mechanizm korbowy ruchu tłoka, który powoduje przesyłanie cieczy

porcjami z przewodu ssącego do przewodu ciśnieniowego. Pompa ma dwa zawory zwrotne (ssa

i tłoczny), które zapobiegają cofaniu się cieczy i pozwalają na jej przepływ tylko w jednym kierunku.

Najprostszym przykładem tego typu pompy jest strzykawka.

1. tłoczysko 2. tłok 3.cylinder 4.zawór ssawny 5. zawór tłoczny

Wydajność pomp tłokowych nie jest zależna od wytwarzanego przez nie ciśnienia.

oże wytwarzać wysokie ciśnienie;

Małe pompy tłokowe można

wykorzystywać jako dozowniki,

ponieważ znana jest objętość cylindra;

Zdolność do samozasysania;

Praca przy dużej wysokości ssania;

Stałość wydajności przy zmiennej

wysokości pompowania;

Stosunkowo duża sprawność;

Wady:

Pracuje w trybie pulsacyjnym;

Ze względu na obecne zawory nie

może być używana do pompowania

cieczy zanieczyszczonych;

Mała wydajność;

Duża liczba części;

Nierównomierność wytwarzanego

ciśnienia;

notatki własne z wykładów,

R.Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”.

Właściwość
pompy
ciśnienie
strumień
konstrukcja
medium
lepkość cieczy
stabilność pracy
dokładność

ka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

10

Zasada działania pompy tłokowej, charakterystyka tej pompy, wady i zalety

należą do pomp wyporowych. Głównym elementem pompy jest tłok. Ich działanie

polega na wymuszeniu przez mechanizm korbowy ruchu tłoka, który powoduje przesyłanie cieczy

Pompa ma dwa zawory zwrotne (ssawny

i tłoczny), które zapobiegają cofaniu się cieczy i pozwalają na jej przepływ tylko w jednym kierunku.

ciśnienia.

w trybie pulsacyjnym;

Ze względu na obecne zawory nie

może być używana do pompowania

czyszczonych;

Duża liczba części;

Nierównomierność wytwarzanego

Pompa tłokowa

duże/średnie
mały
ciężka
czyste, bez zawiesin
dowolna
pulsacyjna
bardzo dobra

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

11

11. Pompa perystaltyczna

Autor opracowania: Anna Machi

Pompa przewodowa (też pompa perystaltyczna) jest typem pompy wyporowej o specjalnej

konstrukcji. W pompie przewodowej ciecz przepychana jest przez elastyczny przewód za pomocą

karbowanego paska, karbowanego wałka, toczących się rolek lub wirnika z krzywkami

przesuwającego się po przewodzie. W przypadku zastosowania wirnika z krzywkami stosuje się płyn

smarujący zmniejszającego tarcie i ułatwiającego odprowadzania ciepła na korpus pompy.

Schemat przykładowej pompy przewodowej przedstawia rysunek. Trójrolkowy wirnik (1) obracając się powoduje

przetaczanie się rolek (2) po elastycznym przewodzie (3) ułożonym w korpusie pompy (4), które przepychają porcje

Konstrukcja pompy perystaltycznej zapewnia szereg zalet:

bardzo delikatne tłoczenie (bez naruszenia struktury pompowanego medium),

skuteczne tłoczenie cieczy o różnych lepkościach (i niskich – jak woda oraz wysokich jak mięso

mielone),

jedynym elementem roboczym jest wąż (brak innych elementów eksploatacyjnych),

różne wykonania materiałowe węża zapewniają szeroki zakres stosowalności pomp (można mieć

jedną pompę z różnymi wężami dla różnych cieczy),

szybka wymiana węża (minimalne przestoje, ale także możliwość pompowania np. różnych

kolorów farb – każdy wąż dedykowany jest do jednego koloru i nie ma problemów z myciem),

skuteczne pompowanie cieczy zanieczyszczonych ciałami stałymi (np. zużyty olej z opiłkami

metalu),

brak jakichkolwiek uszczelnień dynamicznych, a co za tym idzie brak wycieków i awarii,

bardzo łatwe do mycia (nie mają żadnych elementów wymagających do mycia prócz węża),

możliwość pracy na sucho,

samozasysanie, bez konieczności zalewania (bardzo przydatne np. przy rozładunku beczek) –

zasysanie nawet do 9 metrów,

odporne na media agresywne i ścierne,

mogą tłoczyć mieszaniny ciecz z gazem (np. mocno napowietrzone białko – piana),

wykonania higieniczne (dostępne są węże z dopuszczeniami PZH),

możliwość pracy w obu kierunkach (po obróceniu kierunku pracy silnika pompa pracuje w drugą

stronę bez konieczności zamiany węży – ciekawe rozwiązanie gdy jedna pompa używana jest do

załadunku i rozładunku cystern),

zmiana wydajności może się odbywać wariatorem lub falownikiem,

dozowanie z dokładnością nawet do ±1% (dzięki temu, że każdy obrót pompy daje dokładnie taką

samą porcję cieczy),

mogą zapewniać stosunkowo duże ciśnienia (są dostępne wykonania nawet do 15 bar),

wydajność pompy jest niezależna od przeciwciśnienia w dużym zakresie.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

12

15. Odstojnik Dorra

Autor opracowania: Laura Lichtarska

1. Wprowadzenie.

Aparaty stosowane do rozdzielania zawiesin można podzielić na trzy grupy w zależności od sposobu

oddzielania cząstek ciała stałego od cieczy:

aparaty, w których oddzielenie to odbywa się pod działaniem sił ciężkości - odstojniki.

aparaty, w których oddzielenie następuje przez zatrzymanie cząsteczek ciała stałego na
przegrodzie porowatej- filtry

maszyny i aparaty, w których oddzielenie odbywa się pod działaniem siły odśrodkowej-
wirówki i hydrocyklony.

Odstojniki pracują w sposób:

okresowy-aparaty typu zbiornikowego, o przekroju kołowym, zaopatrzone w szkła zwierne
króćce równomiernie rozmieszczone w pewnych odległościach na odpowiedniej wysokości.
Zawiesinę o objętości równej objętości odstojnika doprowadza się do nich jednorazowo.
W miarę opadania cząstek ciała stałego pod działaniem sił ciężkości wzrasta wysokość
warstwy cieczy klarownej w górnej części odstojnika. Ciecz klarowna odprowadza się
okresowo umieszczonymi w ścianie odstojnika króćcami, zaopatrzonymi w zawory. Osad w
postaci szlamu odprowadza się króćcem, umieszczonym na dnie odstojnika po
odprowadzeniu całkowitej objętości cieczy klarownej.

półciągły- doprowadzenie zawiesiny i odprowadzenie cieczy klarownej odbywa się w sposób
ciągły, natomiast osad odprowadza się w sposób okresowy.

ciągły- doprowadzenie zawiesiny, jak i odprowadzenie cieczy klarownej i osadu odbywa się w
sposób ciągły. Ten sposób pracy dominuje w warunkach przemysłowych.

Podczas pracy w odstojniku wyróżnić można strefy:

wypadania- strefa środkowa , gdzie podawany jest surowiec,

zagęszczania- strefa dolna, trafia do niej surowiec ze strefy wypadania,

przelew- strefa górna, dopływa do niej ciecz klarowna.

Odstawanie (sedymentacja) polega na swobodnym opadaniu cząstek ciała stałego w cieczy, pod

wpływem sił ciężkości z prędkością zależna od ich rozmiaru i stężenia. Urządzenia służące do

odstawania noszą nazwę odstojników.

Teorie opadania cząstek w środowisku ciekłym lub gazowym pod działaniem sił ciężkości podał

Newton, została ona uzupełniona przez Allena, Stokesa i Rittingera.

Rys.1. Odstojnik (osadnik): 1-przelew cieczy klarownej, 2-mieszadło grabowe

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

13

2. Rozwiązania konstrukcyjne odstojników.

Wydajność odstojnika określa zdolność aparatu do zagęszczania zawiesiny lub klarowania cieczy

i jest proporcjonalna do pola jego powierzchni:













−

=

2

1

1

x

x

u

m

A

L

z

ρ

gdzie:

−

Z

m

strumień masy zawiesin

−

u

prędkość cieczy w odstojniku

−

L

ρ

gęstość cieczy

−

2

1

, x

x

stężenie ciała stałego w zawiesinie na wylocie i odpływanie z odstojnika

Wielkość odstojnika zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatężenia. Wysokość pozostałych

stref wynosi 0,6-1,0 m. Średnica odstojników kołowych, metalowych jest mniejsza od 25 m,

betonowych natomiast dochodzi do 100m. Mieszadło grabowe wykonuje 2,5-20 obr/min.

Szybkość sedymentacji cząstek stałych z cieczy może być zwiększona kilkakrotnie przez zainstalowanie

w odstojnikach nachylonych półek pod kątem 30-60

o

, które noszą wówczas nazwę lamelowych.

Przybliżona liczbę płyt w odstojnikach lamelowych współprądowych i przeciwprądowych obliczyć

można ze wzoru:

h

B

n

α

sin

=

gdzie:

h

- odległość między płytami

B

-szerokość płyt

α

- kąt pochylenia płyt

W przemyśle stosuje się różne typy odstojników, do najczęściej spotykanych należy odstojnik Dorra.

Jest to aparat o działaniu ciągłym. Jest to cylindryczny zbiornik o dużym przekroju poprzecznym i o

malej wysokości. Ciecz z zawiesiną doprowadza się w sposób ciągły rurą 2 do zasilacza 3 , z którego

spływa on do odstojnika. Wzdłuż obwodu zbiornika biegnie rynna, do której poprzez krawędź

przelewowa przelewa się ciecz klarowna. Wzdłuż osi pionowej aparatu umieszczony jest wał 7, którego

dolna cześć zaopatrzona jest w grabie mieszające 8 nachylone pod pewnym kątem w celu przesuwania

w czasie obrotu osadu do otworu znajdującego się na dnie zbiornika 6. Dno zbiornika jest stożkowe.

Rys. 2. Odstojnik Dorra. /1- krawędź przelewowa, 2- wał napędowy, 3- grabie mieszające, 4- dopływ

cieczy z zawiesina, 5- odpływ osadu, 6- odpływ cieczy klarownej/

Odstojniki buduje się ze stali, betonu lub drewna. W celu lepszego wykorzystania miejsca w

budynkach fabrycznych buduje się odstojniki wielokomorowe, składające się z kilku odstojników o

malej wysokości, umieszczonych jeden na drugim.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

www.nirvana.interq.pl/pokoj254/studia/referat.doc (2008/01/24)

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

14

17. Płukanie placka filtracyjnego

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

W wyniku filtracji chcemy otrzymać czysty osad. Placek filtracyjny powstaje w czasie każdej filtracji.
Zawiera ziarenka porowatego osadu. W jego porach gromadzi się ciecz filtratu. Przez to osad jest
zanieczyszczony. Wyróżnia się dwie metody płukania, w celu jego oczyszczenia:

Tłokowy sposób płukania. Do płukania używa się czystej wody. Nanosi się ja na powierzchnię

placka i wtłacza w miejsce zatrzymanej cieczy filtratu w placu filtracyjnym. Metoda bardzo

wydajna. Zużywa mało cieczy: wystarczy jednokrotne tłoczenie objętości wody równej

objętości zatrzymanej w palcu. Rzadko stosowna, ponieważ nie zawsze skuteczna. Zawodzi

gdy placek zawiera pęcherz powietrza (nie zawsze widoczny z zewnątrz) lub placek osadu jest

spękany. Wówczas tłoczona woda przechodzi przez placek nie wypierając zatrzymanego

filtratu. Osad pozostaje zanieczyszczony.

Repulpacja. Placek z osadem przenosi się do naczynia z rozpuszczalnikiem. Dzięki temu

nastąpi rozcieńczenie zatrzymanego roztworu filtratu z placka. Ponownie filtrowanie osadu.

Tym razem ciecz zatrzymana w osadzie jest już bardziej czysta, bo bardziej rozcieńczona.

Kolejno powtarza się rozcieńczanie placka w rozpuszczalniku i filtrację. Dopóki osiągnie się

zadowalający poziom czystości osadu, co jest zaletą. Wadą jest duże zużycie rozpuszczalnika,

a przez to problem zagospodarowanie ścieków, dodatkowe koszty.

18. Rodzaje i przeznaczenie wirówek

Autor opracowania: Marta Woźna

Rozdzielanie substancji w procesach sedymentacji czy filtracji przebiega w ciśnieniach
umiarkowanych. Procesy te trwają długo lub nie zapewniają wymaganego rozdzielenia.
Skuteczniejszą metodą są procesy prowadzone w polu sił odśrodkowych, np. wirowanie. Stosując
wirowanie, możemy rozdzielić emulsje albo cząsteczki ciała stałego z zawiesin. Wartość
przyspieszenia odśrodkowego jest dużo większa od przyspieszenia ziemskiego, np. wirówki
laboratoryjne osiągają wartości kilkuset g (przyspieszenie ziemskie), natomiast ultrawirówki mogą
osiągnąć nawet 40 000 g. Są to wartości niezwykle duże, dlatego ze względów bezpieczeństwa przy
obsłudze wirówek należy zachować szczególna ostrożność.
1. Wirówki filtracyjne
Wartość siły odśrodkowej działającej na dana cząsteczkę zależy od odległości tej cząsteczki od osi
obrotu

R

S

L23

R

S

– siła odśrodkowa [N], m - masa cząsteczki [kg], n- częstość obrotów

[min-1], r- promień [m] Miara siły odśrodkowej jest stosunek: Z = F

c

/ F

g

(F

g

– siła ciężkości).

W wirówkach filtracyjnych zapewnia się możliwość przepływu filtratu przez ścianę bębna. Realizuje
sie to przez stosowanie perforowanych bębnów pokrytych od wewnątrz tkanina filtracyjna lub
bezpośrednie wykorzystanie ścianki bębna jako przegrody filtracyjnej (siatki o bardzo drobnych
oczkach). Wirówki mogą pracować jako aparaty o działaniu okresowym lub ciągłym:

Okresowo – wyróżniamy 4 fazy:

Doprowadzenie rozdzielanej zawiesiny (w wyniku przebiegającego procesu narasta

placek filtracyjny i jednocześnie uzyskuje się filtrat).

Rozdział zawiesiny znajdującej sie ponad plackiem (zachodzi przy braku zasilania

zawiesina).

Odwirowanie cieczy z placka filtracyjnego i usuniecie z placka cieczy znajdującej się
miedzy ziarnami.

Przedmuch powietrzem bębna w celu usunięcia z niego osadu

W sposób ciągły – poszczególne fazy zachodzą jednocześnie, ale w różnych miejscach bębna.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

15

2. Wirówki sedymentacyjne
Wirówki te maja bęben lity (bez perforacji), a uzyskane w nich w wyniku rozdzielania strumienie
wyprowadzane są do zbiorników. Zazwyczaj wirówki sedymentacyjne pracują w sposób ciągły.
Rozdzielone fazy są w jednym naczyniu. Ruch cząstki także odbywa się w nich pod wpływem siły
odśrodkowej. Znalazły zastosowanie w przemyśle mleczarskim do oddzielenia tłuszczu z mleka
pełnego. W wirówkach sedymentacyjnych poprzez odwirowanie mleka możemy otrzymać np.
śmietanę. Wirówki do rozdzielania emulsji są zazwyczaj pionowe, a do rozdzielania zawiesin poziome.
Przy rozdzielaniu zawiesin często używa się „ślimaka” do wypychania osadu z bębna.
3. Hydrocyklon

Nie jest to do końca wirówka: separacja zachodzi dzięki
poruszaniu sie osadów indukowanemu poprzez odpowiednie
wprowadzenie materiału do rozdzielenia, którym jest
zawiesina (ciało stałe w cieczy). Zasada działania
hydrocyklonu opiera się koncepcji prędkości osiadania
cząsteczki w polu wirówki. Materiał do rozdzielenia zostaje
wprowadzony do cylindra pod ciśnieniem i przemieszcza się
na zasadzie "cyklonu" stycznie do ścian wewnątrz cylindra.
Pole wirowania wywołane przez wysokie prędkości
cyrkulowania materiału, tworzy słup powietrza w osi
cylindra, który jest wydłużony poprzez dolne wyjście stożka
oraz górny odpływ. Aby zachodził proces separacji siła
odśrodkowa w cylindrze musi być kilkanaście razy większa
niż siła grawitacji. Cząsteczki o większej gęstości niż ciecz pod
wpływem tej siły przemieszczają sie wzdłuż ścianek cylindra
w kierunku dolnego wyjścia stożka. Zagęszczony osad tworzy
sie na ściankach cylindra i jest następnie usuwany poprzez dolne wyjście jako stały strumień. Drobne
cząsteczki oraz przeważająca cześć cieczy przemieszczają sie w górnym kierunku do centralnie położonego
odpływu. Tak wiec sprawność rozdzielająca hydrocyklonu zależy od różnic w gęstościach składników
zawiesiny.

4. Cyklony

Cyklony są urządzeniami podobnymi do hydrocyklonów (również nie są wirówkami, ale wykorzystują do
rozdziału substancji siłę odśrodkową) z tym, że służą do odpylania gazów – do usuwania cząsteczek ciała
stałego z gazu. Znajdują zastosowanie w przemyśle drzewnym, meblarskim, chemicznym, tytoniowym,
spożywczym oraz wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba separacji z zapylonego powietrza frakcji o
określonej granulacji (cząsteczek ciała stałego – pyłów). W cyklonie klasycznym gaz zapylony
wprowadzany jest stycznie do obudowy cylindrycznej. Jej kształt powoduje zawirowanie strugi gazu, która
ruchem spiralnym przesuwa sie w dół urządzenia. Powstająca na skutek ruchu wirowego siła odśrodkowa
odrzuca ziarna pyłu zawarte w gazie na ścianki zewnętrzne urządzenia, po których zsuwają się one do
zbiornika pyłu. Struga gazu w dole cyklonu zmienia kierunek o 180° i ruchem spiralnym poprzez przewód
wylotowy wychodzi z urządzenia

.

Sprawność odpylania wzrasta ze:

zwiększeniem średnicy i gęstości cząstek,

zmniejszeniem średnicy cyklonu przy zachowaniu odpowiednich proporcji pozostałych wymiarów,

zwiększeniem prędkości gazu,

wzrostem przyczepności cząstek do ścian cyklonu.

Większa sprawność odpylania można uzyskać stosując szereg małych cyklonów zamiast jednego dużego.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

R. Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”, 1998.

www.spm.pl/~karas/AOS_projekt_sem4/cyklonkaras.doc (2009/02/01)

www.lenntech.com/polski/Wirowanie-i-wirowki.htm (2009/02/01)

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

16

19. Flotacja

Autor opracowania: Agata Białas

Flotacja jest to proces rozdzielania drobnoziarnistego układu wielofazowego, wykorzystujący różnicę

w zwilżalności ziaren składników tworzących poszczególne fazy. Spośród różnych rodzajów flotacji

najbardziej rozpowszechniona jest flotacja pianowa.

Miarą zwilżalności danej substancji przez określoną ciecz jest tzw. kąt zwilżania θ.

Schematy przykładów słabej [a] i dobrej [b] zwilżalności.

Źródło: R. Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”, 1998

Substancja słabo zwilżana charakteryzuje się dużą wartością kąta θ, który teoretycznie może wynosić

nawet 180°. W praktyce kąt θ zawarty jest w przedziale 90 - 110°. Substancja dobrze zwilżana przez

daną ciecz wykazuje małą wartość kąta zwilżania, mniejszą od 90°.

Jeżeli ziarno zawieszone w cieczy zetknie się z pęcherzykiem powietrza, to w zależności od

zwilżalności danego ziarna mogą zaistnieć dwa przypadki, przedstawione schematycznie na

powyższym rysunku. Dla ziarna źle zwilżanego obwód jego zetknięcie z pęcherzykiem powietrza

będzie duży, a tym samym siła napięcia powierzchniowego odpowiednio duża. Jeżeli siła napięcia

powierzchniowego będzie większa od pozornej siły ciężkości ziarna, to utworzy się w miarę trwały

agregat pęcherzyk powietrza-ziarno. Jeżeli ponadto siła wyporu działająca na pęcherzyk powietrza

będzie większa od pozornego ciężaru ziarna, agregat taki wypłynie na powierzchnię cieczy. Dla ziarna

dobrze zwilżanego obwód zetknięcia się pęcherzyka z ziarnem będzie mały i siła napięcia

powierzchniowego będzie zbyt słaba, aby powstał w miarę trwały agregat pęcherzyk powietrza-

ziarno. Zatem w wyniku flotacji ziarna źle zwilżane są wynoszone na powierzchnię cieczy, natomiast

dobrze zwilżane osiądą na dnie aparatu flotacyjnego.

Naturalną zdolność do zwilżania materiałów przez wodę a tym samym selektywność procesu, można

modyfikować, dodając do zawiesiny tzw. kolektory. Ich zadaniem jest odpowiednia hydrofobizacja

składników rozdzielanego układu. Do najpopularniejszych kolektorów należą ksantogeniany. Stężenie

stosowanych kolektorów jest niewielkie i z reguły nie przekracza 0,01%.

Pęcherzyki powietrza wraz z wyniesionymi ziarnami tworzą na powierzchni pianę trójfazową.

Właściwości uzyskiwanej piany są bardzo istotne dla przebiegu flotacji. Piana powinna mieć nośność

wystarczająco do utrzymania wyniesionych ziaren, umiarkowaną trwałość i być elastyczną. Uzyskuje

się ją poprzez dodawanie do układu flotacyjnego określonych czynników pianotwórczych. Kolektory

muszą prawidłowo współdziałać ze spieniaczem w momencie przyłączania się ziarna do pęcherzyka

powietrza. Ponadto dla skutecznego przebiegu flotacji do układu dodaje się odczynniki modyfikujące,

których zadaniem jest stworzenie odpowiednich warunków do selektywnego działania kolektora,

utrzymywanie odpowiedniego Ph itp.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

17

Biorąc pod uwagę hydrodynamikę przepływu w układzie dwufazowym powietrze-ciecz, szczególnie

korzystne dla realizacji flotacji są drobne pęcherzyki powietrza. Ze względu na siłę wyporu działającą

na taki pęcherzyk, która musi być większa od pozornego ciężaru ziarna, materiał poddawany flotacji

musi być odpowiednio drobno zmielony. Wielkość ziaren surowca rozdzielanego w procesie flotacji

określa się doświadczalnie, przy czym najczęściej ich średnica zawarta jest w przedziale 0,3 – 1 mm.

Zalecane stężenie zawiesiny wprowadzanej do flotacji wynosi 25 – 35% mas. Ziarna powinny być

utrzymywane w stałym przemieszaniu, tak aby mogły zetknąć się z przepływającymi pęcherzykami

powietrza i utworzyć agregaty pęcherzyk-ziarno.

Ilość powietrza stosowana w procesie flotacji wynosi 20-120 m

3

/(h·m

3

zawiesiny). W warunkach

przemysłowych flotację prowadzi się w sposób ciągły we flotownikach, które muszą zapewniać

utrzymywanie ziaren w zawieszeniu, wytwarzanie pęcherzyków powietrza, przepływ zawiesiny oraz

odbiór produktów rozdzielania.

Ze względu na sposób mieszania układu rozróżnia się flotowniki pneumatyczne i mechaniczne. We

flotownikach pneumatycznych sprężone powietrze jest doprowadzane do dystrybutora i wytworzone

pęcherzyki powietrza zapewniają przemieszanie układu. Aparaty tego typu wychodzą już z użycia.

Cechą charakterystyczną flotowników mechanicznych jest mieszadło zasysające i dyspergujące

powietrze oraz wytwarzające wymaganą turbulencję w układzie. Aparaty takie budowane są jako

jedno- lub wielokomorowe.

Schemat flotownika mechanicznego.

Źródło: R. Koch, A. Noworyta „Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej”, 1998

W przemyśle flotację wykorzystuje się do rozdziału kopalin przez wodę. Przed flotacją kopalinę

rozdrabnia się. Kamień jest dobrze zwilżalny, więc opada na dno. Natomiast (cenne) minerały są źle

zwilżalne, więc unoszą się do góry i zatrzymują się na powierzchni dzięki pianie. Skąd są zbierane

i poddawane obróbce w hucie.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

18

20. Przewodzenie ciepła, równania

Autorzy opracowania: Ewa Suska i Mateusz Jędrzejewski

Przewodzenie to transport ciepła przez nieruchomą materię. Siła napędową jest różnica temperatur.

Dla jednorodnego przewodzenia ciepła przez cienką ściankę ustawioną w kierunku prostopadłym:

T 9P

U

V W

Po scałkowaniu wzoru

W, przewodzenie opisuje równanie Fouriera:

T

9

X PΔU

gdzie:

T to natężenie przepływu ciepła (ilość ciepła wymieniona w jednostce czasu),

9 to współczynnik przewodzenia ciepła, P to powierzchnia wymiany ciepła,

X to grubość ścianki przewodnika ciepła, ΔU to różnica temperatur po obu stronach przewodnika.

Y

Z

[T

9

X

PU

U

T

9

X

PU

U

\

] ^

Y

_

Z

_

[

`

a

b

c

b

d

U

U

`

a

e

c

e

d

U

U

\

] ^

`

a

b

c

b

d

H

`

a

e

c

e

d

U

U

\

^ T

a

b

c

b

a

e

c

e

a

b

c

b

fa

e

c

e

PU

U

\

T

b

gb

hb

f

b

ge

he

PU

U

\

Dla ustalonego przepływu ciepła przez ściankę cylindryczną rury, równanie przyjmuje postać:

T

2

ln

C

e

C

b

9ΔU

gdzie: d2,d1 – średnica odpowiednio średnicę po stronach chłodniejszego i cieplejszego medium,

L - długość rury.

W ciałach izotropowych temperatura

U zależy linowo od grubości przewodnika X. Dobre przewodniki

ciepła dają mały spadek temperatury przy przewodzeniu. Złe przewodniki dają duże spadki

temperatury przy przewodzeniu, ponieważ mają małe współczynniki

9.

21. Charakterystyka ciał ze względu na właściwości przewodzenia ciepła

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

Zdolność substancji do przewodzenia określa współczynnika przewodnictwa ciepła (

9). Wyróżniamy:

przewodniki – ciała dobrze przewodzące ciepło to głównie metale, np. miedź,

Temperatura jest miarą energii wewnętrznej. Materia o dużej gęstości, ma dużą gęstość

upakowania materii, będzie dobrym przewodnikiem. Cząsteczki blisko siebie, ułatwione

przekazywanie wewnętrznym drgań materii.

izolatory – ciała źle przewodzące ciepło, np. gazy, ceramika, plastik.

Mała gęstość to słabe przewodzenie ciepła. Próżnia jest idealnym izolatorem, brak materii to

brak przewodnictwa ciepła.

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

19

22. Wnikanie ciepła, równania

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

Ruch (transport) ciepła

Siła napędową jest różnica temperatur. Wyróżniamy trzy rodzaje we względu na mechanizm:

promieniowanie – ruch ciepła przez emisję i absorpcję energii do/z przestrzeni. Każde ciało

mające wyższą temperaturę od zera bezwzględnego promieniuje.

przewodzenie – ruch ciepła w nieruchomym przewodniku.

wnikanie – ruch materii.

Inny podział ruchu ciepła:

ruch ciepła ustalony, gdy rozkład temperatury w przestrzeni nie zależy od czasu,

ruch ciepła nieustalony, gdy rozkład temperatury w przestrzeni zależy od czasu.

Wnikanie ciepła (konwekcja)

Transport ciepła przez transport masy (ruch materii). Wnikanie opisuje

równanie Newtona:

T kPU

d

U

l

gdzie:

T to strumień ciepła (ilość ciepła T w jednostce czasu),

k współczynnik wnikania, U

d

temperatury ciała A,

U

l

temp. ciała B.

Rysunek:

obszar turbulencji (z lewej) – stała temperatura

U

d

, obszar

nieruchomego powietrza (przewodzenie), powierzchnia (z prawej) o temperaturze

U

l

.

23. Sposoby intensyfikacji wnikania ciepła

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

Z równania Newtona na wnikanie ciepła:

T kPU

d

U

l

wynika, że strumień ciepła

T zwiększy się gdy:

wzrośnie różnica temperatur

U

d

U

l

, np. regulacja temperatury w suszarce do włosów,

wzrośnie powierzchnia wymiany ciepła

P, np. zastosować chłodnicę płaszczowo-rurkową,

wzrośnie współczynnik wnikania ciepła

k, który zależy wprost proporcjonalnie od liczby

Reynoldsa, czyli charakteru przepływu.

T~k~Re

Im przepływ bardziej burzliwy (turbulentny), np. większa szybkość przepływu, tym większy

współczynnik wnikania. Współczynnik

k wyznacza się z tablic inżynierskich.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

Tadeusz Hobler, Ruch ciepła i wymienniki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1979.

U

d

U

l

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

20

24. Przenikanie ciepła, równania

Autor opracowania: Mateusz Jędrzejewski

Przenikanie do kombinacja (zestawienie) przewodzenia i wnikania, np. gorąca woda w grzejnikach,

kaloryfer, powietrze w pokoju.

Z równania Newtona na wnikanie ciepła:

T kPU

d

U

l

Z równania Fouriera na przewodzenie:

T

a
c

PU

d

U

l

Dla stanu ustalonego:

T

nd

T

o

T

nl

Z rysunku wiadomo, że:

U

d

p U

p U

p U

l

q

T

nd

k

d

PU

d

U

T

o

a

c

PU

U

T

nl

k

l

PU

U

l

] ^

Y

__

Z

__

[U

d

U

T

nd

k

d

P

U

U

T

o

a

c

P

U

U

l

T

nl

k

l

P

] ^ U

d

U

l

T

P r

1

k

d

H

1

a

c

H

1

k

l

s

T

t

u

f

g

h

f

t

v

PU

d

U

l

T wPU

d

U

l

gdzie:

w to współczynnik przenikania ciepła, P to powierzchnia wymiany ciepła.

U

l

U

U

d

U

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

21

25. Współprąd i przeciwprąd

Autor opracowania: Anna Baleja

Współprąd: przepływ w tym samym kierunku strumieni substancji wymieniających masę lub ciepło.

△T

1

=

Tg1

-

Tz1

;

△T2=

Tg2

-

Tz2

Tg1>Tg2

Tz1<Tz2

Przeciwprąd : przepływ w przeciwnych kierunkach strumieni substancji wymieniających masę,

reagujących lub wymieniających ciepło.

Tz2>Tz1

Tg1>Tg2

△T1=

Tg1

-

Tz2

;

△T2=

Tg2

-

Tz1

Tg1

- temperatura wody gorącej przy wejściu do wymiennika

Tg2

- temperatura wody gorącej przy wyjściu z wymiennika

Tz1

- temperatura wody zimnej przy wejściu do wymiennika

Tz2

- temperatura wody zimniej przy wyjściu z wymiennika

Q

.

= K* A*

△T

Q

.

– ciepło [W] K – współczynnik przenikania ciepła [W/m

2

*K] A - powierzchnia wymiany ciepła [m

2

]

△T=

△y'△y

z{

△|b

△|e

; zmiana temperatury substancji w wymienniku [K]

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

22

Bilans ciepła w wymienniku:

Q

g

.

= m

.

* C

pc

* (T

g1

-T

g2

) – oddaje ciepło

Q

z

.

= m

.

* C

pc

* (T

z2

–T

z1

) – pobiera ciepło

Q

g

.

= Q

z

.

– jeżeli nie bierzemy pod uwagę strat

Q

.

- ciepło [J/s] [W]

m

.

– natężenie masowe przepływu cieczy [kg/s]

Cp - ciepło właściwe cieczy [J/kg*K]

T

1,2

– temperatura początkowa i końcowa wody, odpowiednio zimnej jak i ciepłej [K]

△T

log

=

△y'△y

z{

△|b

△|e

△T

arytm

=

△yf△y

Gdy różnica temperatur jest większa niż 2 stopnie to nie należy stosować średniej arytmetycznej.

Wzory dotyczą wymiennika współprądowego jak i przeciwprądowego, zmianie ulega jedynie wartość

odpowiednio

△T1 i △T2.

Przeciwprąd jest zawsze lepszy od współprądu z punktu widzenia wielkości użytej powierzchni
wymiennika.
W przeciwprądzie zimny czynnik może się podgrzać do wyższej temperatury niż we współprądzie.

Bibliografia:

notatki własne z wykładów,

http://www.mech.pg.gda.pl/ktc/wyklady/wyklad9.pdf (2009/01/31)

e-notatka inzynieria bioprocesowa 1.pdf

2009/02/03 19:45

23

Zadania egzaminacyjne

Wtorek, 3.02.2009 r., godz. 17.00-18.00

Pytania egzaminacyjne oraz szkice rozwiązań.

Grupa „białe kartki”

zad. 1. Przytocz prawo ciągłości strugi.

L

L

zad. 2. Omów opory instalacji.

Opór przepływu to strata ciśnienia. Opór na prostym odcinku rurociągu opisuje równanie D-W:

Δ 9 ·

2 · F ·

Opór miejscowy opisuje równanie:

Δ

L5-

∑

N

,

,

F

2

2

zad. 3. Omów wnikanie ciepła.

Wnikanie ciepła (konwekcja) to transport ciepła przez ruch masy, opisuje równanie Newtona:

T kP∆U

zad. 4. Omów pracę pompy tłokowej, jej budowę i zastosowania.

zad. 5. Przez wymiennik ciepła przepływa

L

$

cieczy a, która jest ogrzewana od temperatury

U

d

do

temperatury wrzenia

U

nd

, następnie jest odparowywana i pary są przegrzewane do temperatury

U

d

.

Medium grzewczym jest nasycona para wodna, która ulega kondensacji w temperaturze

U

o

.

Narysować zmianę temperatury w wymienniku ciepła, równanie bilansowe oraz równanie
przenikania dla wymiennika.

T

d

L

$

-

~$

U

nd

U

d

T

nd

L

$

$

T

d

L

$

-

$

U

d

U

nd

T



L





Bilans:

T



T

d

H T

nd

H T

d

Równanie wymiennika:

T



wPU

#

Grupa „różowe kartki”

zad. 1. Budowa i opis działania zaworów.
zad. 2. Równanie Bernoulliego.
zad. 3. Sedymentacja pojedynczej cząstki.
zad. 4. Przewodnictwo cieplne.
zad. 5. Bilans dla cieczy chłodzonej i ogrzewanej z uwzględnieniem skraplania i wrzenia.

U

o

U

d

U

d

U

nd

U

o

U

d

U

d

U

nd

U

o

U

d

U

d

U

nd