Warszawa, 20.03.2014r

Badanie procesu mieszania płynnych produktów spożywczych

Prowadząca: dr hab. Agata Marzec Wykonawcy:

Gr. 6

Ziemska Dominika

Łukaszewicz Urszula

Łyżwa Melanie

Maksymowicz Dorota

Milewska Dorota

Kochanowski Paweł

Barańska Emilia

Wójciuk Natalia

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie wpływu podstawowych parametrów procesu mieszania płynnych produktów spożywczych na ich moc mieszania w stanie pracy ustalonej, wyznaczenie charakterystyki mocy mieszadła łapowego oraz określenie efektywności mieszania.

1. Wpływ lepkości roztworu na moc mieszania

Do określenia lepkości użyte zostało mieszadło turbinowe zamknięte oraz roztwór wody

i trzy roztwory karboksymetylocelulozy o różnym stężeniu przy liczbie obrotów mieszadła

n = 300 $\frac{1}{\min}$ = 5$\ \frac{1}{s}$ .

Zestawienie pomiarów:

Roztwór	Stężenie [%]	Lepkość - µ [Pa•s]	Gęstość ƍ [$\frac{\text{kg}}{m^{3}}$]	Moc - N [W]
Mieszanie jałowe	-	-	-	5,2
Woda	0	1 • 10^−3	1000	5,3
CMC	0,5	50 • 10^−3	1267	5,7
CMC	1,2	725 • 10^−3	1297	7,1
CMC	1,7	300 • 10^−2	1310	10,1

Do obliczeń korzystaliśmy ze wzoru na moc: N = Nr – Nj

gdzie : N – moc mieszania

Nr – moc robocza

Nj – moc jałowa

Obliczenia:

N₁ = 5,3 W – 5,2 W = 0,1 W

N₂ = 5,7 W – 5,2 W = 0,5 W

N₃ = 7,1 W – 5,2 W = 1,9 W

N₄ = 10,2 W – 5,2 W = 5,0 W

1. Wpływ liczby obrotów na moc mieszania

Do pomiarów użyliśmy mieszadła turbinowego zamkniętego i roztworu karboksymetylocelulozy o stężeniu 1,7%.

Zestawienie pomiarów:

n $\lbrack\frac{1}{\min}$]	100	150	200	250	300	350	400
Nj [W]	3,6	4,0	4,3	4,7	5,2	5,5	6,0
Nr [W]	5,4	6,5	7,4	8,4	9,4	10,7	11,8

Charakterystyka mieszadła:

Obliczenie liczby Reynoldsa ze wzoru $R_{M} = \frac{ndd^{2}}{u}$

1. R_M100 = $\frac{1,67 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 3,177

2. R_M150 = $\frac{2,5 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 4,755

3. R_M200 = $\frac{3,33 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 6,334

4. R_M250 = $\frac{4,17 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 7,93

5. R_M300 = $\frac{5 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 9,5106

6. R_M350 = $\frac{5,83 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 11,089

7. R_M450 = $\frac{6,67 \bullet 1310 \bullet \left( 0,066 \right)^{2}}{300 \bullet 10^{- 2}}$ = 12,687

Obliczenie liczby Froud’a ze wzoru $\text{Fr}_{M} = \frac{n^{2}d}{g}$

1. $\text{Fr}_{M100} = \frac{\left( 1,67 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,0188$

2. $\text{Fr}_{M150} = \frac{\left( 2,5 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,042$

3. $\text{Fr}_{M200} = \frac{\left( 3,33 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,0746$

4. $\text{Fr}_{M250} = \frac{\left( 4,17 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,117$

5. $\text{Fr}_{M300} = \frac{\left( 5 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,168$

6. $\text{Fr}_{M350} = \frac{\left( 5,83 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,229$

7. $\text{Fr}_{M400} = \frac{\left( 6,67 \right)^{2} \bullet 0,066}{9,81} = 0,299$

Obliczenie liczby Eulera ze wzoru $\text{Eu}_{M} = \frac{N}{dn^{3}d^{5}}$

1. $\text{Eu}_{M100} = \frac{2,4}{1310 \bullet \left( 1,67 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 236, 99

2. $\text{Eu}_{M150} = \frac{2,5}{1310 \bullet \left( 2,5 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 93,63

3. $\text{Eu}_{M200} = \frac{3,1}{1310 \bullet \left( 3,33 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 51,02

4. $\text{Eu}_{M250} = \frac{3,7}{1310 \bullet \left( 4,17 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 31,18

5. $\text{Eu}_{M300} = \frac{4,2}{1310 \bullet \left( 5 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 20,48

6. $\text{Eu}_{M350} = \frac{5,2}{1310 \bullet \left( 5,83 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 15,97

7. $\text{Eu}_{M400} = \frac{5,8}{1310 \bullet \left( 6,67 \right)^{3} \bullet \left( 0,066 \right)^{5}}$ = 12,34

C =$\frac{\text{Eu}_{m}}{\text{Fr}^{B}}$ B=0 C=Eu_M

1. Wpływ rodzaju mieszadła na moc przy obrotach n = 300 $\frac{1}{\min}$ = 5$\ \frac{1}{s}$ przy użyciu roztworu karboksymetylocelulozy o stężeniu 1,7%.

Zestawienie pomiarów:

Rodzaj mieszadła	Nj – moc jałowa [W]	Nr – moc robocza [W]
śmigłowe	4,9	13,6
łapowe	5,0	36,4
turbinowe otwarte	5,0	19,7
ramowe	5,1	23,3 (silnik się wyłączył)
turbinowe zamknięte	5,2	9,4

1. Wnioski

Mieszanie cieczy jest to wzajemnie przemieszczanie się składników prowadzące do uzyskania jednorodności w jedno- lub wielofazowym układzie pod względem stężenia, gęstości oraz wielu innych właściwości mieszaniny. Jest to sposób intensyfikacji procesów wymiany ciepła i masy oraz przyspieszenia reakcji chemicznych.

• Wpływ lepkości na moc mieszania

Lepkość jest istotnym czynnikiem wpływającym na moc mieszania cieczy. Razem z gęstością jest zaliczana do parametrów fizykochemicznych. Im większa lepkość cieczy, tym większe są opory, które musi pokonać mieszadło w celu utrzymania prędkości, a co za tym idzie zwiększa się zapotrzebowanie mocy, co doskonale widać w zestawieniu wyników w tabeli oraz na wykresie przedstawionym w sprawozdaniu.

• Wpływ liczby obrotów na moc mieszania

Wraz ze wzrostem liczby obrotów rośnie moc mieszania a co za tym idzie zmienia się liczba Reynoldsa, z której wynika, iż przepływ cieczy podczas mieszania przy pierwszych 5 prędkościach jest laminarny a przy prędkości 350 i 400 obrotów/min przechodzi w przepływ przejściowy. Liczba obrotów ma także wpływ na liczbę Eulera oraz liczbę Freude’a.

• Wpływ rodzaju mieszadła na moc

• śmigłowe: mieszadło to dzięki swojej konstrukcji zapewniło wydajną pracę w roztworze o dużej gęstości, gdzie opory przepływu są duże oraz wykazało się niezbyt wysoką różnicą mocy roboczej do mocy jałowej.

• łapowe: mieszadło łapowe jako mieszadła o najprostszej budowie pracowało najgorzej, gdyż stosunek mocy roboczej do jałowej jest największy, co w praktyce oznaczałoby największe zużycie energii.

• turbinowe otwarte: mieszadło pracowało na średnim poziomie zużycia energii przy zadowalających rezultatach w porównaniu z innymi mieszadłami

• ramowe: podczas pracy tego mieszadła wystąpił problem z silnikiem napędzającym mieszadło, który uległ przeciążeniu i wyłączył się . Było to spowodowane dużymi oporami jakie wywierała ciecz na mieszadło.

• turbinowe zamknięte: mieszadło, które cechuje się najmniejszym stosunkiem mocy roboczej do mocy jałowej, co oznacza, iż jest ono najbardziej ekonomiczne oraz bardzo dobrze radzi sobie z oporami jakie wywiera ciecz na mieszadło.