CC BY
85
УДК 66.063
Р. Б. Хабибрахманов, С. Г. Мухачев
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРФОРИРОВАННЫХ ОДНОЯРУСНЫХ МЕШАЛОК ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ АЭРАЦИИ
Ключевые слова: мешалка, перфорация, удельная мощность, аэрация, коэффициент мощности.
Исследована зависимость удельной мощности, затрачиваемой на перемешивание жидкой аэрированной среды, от типа мешалки с перфорированной поверхностью, скорости вращения вала перемешивающего устройства и интенсивности удельной аэрации. Установлено, что вид зависимости величины рассеиваемой мощности от удельной аэрации различен для разных диапазонов аэрации и меняется при изменении угла наклона рабочей поверхности мешалки.
Key words: agitator, perforation, specific power, aeration, power factor.
There was investigated specific power required for stirring liquid aerated media versus type of agitator with perforated surface, rotation speed of agitator shaft and intensity of specific aeration. It was found that the form of the dependence of power dissipation on the specific aeration differs for different ranges of aeration and varies with the angle of inclination of working surface of agitator.
Введение
В разработанном исследовательском биотехнологическом комплексе переработки растительного сырья и отходов переработки зерна [1] использованы два биореактора объемом 10 и 100 л, оснащенные дисковыми перфорированными диспергаторами газа, обеспечивающими интенсивные режимы микробного роста.
Эффективность перфорированных дисковых мешалок по отношению к открытым турбинным мешалкам исследовалась ранее применительно к процессу транспорта кислорода [2 - 4]. Однако, до настоящего времени не определены мощностные параметры перфорированных мешалок различных конструкций для условий аэрируемой жидкости. Целью работы являлось восполнение этого пробела на лабораторной модели.
Экспериментальная часть
Аппарат (биореактор) разборной
конструкции позволяет устанавливать различные типы мешалок с цанговыми зажимами. Геометрический объем аппарата составляет 6 - 9 л в зависимости от типа и количества устанавливаемых царг. Каждая царга имеет рубашку теплообмена, в которую в ходе экспериментов подавался теплоноситель (дистиллированная вода) из ультратермостата и8. Температура в аппарате измерялась с помощью датчика температуры многоканального прибора Мультитест и поддерживалась равной 30±1 °С. Аэрация жидкости в аппарате осуществлялась путем подачи сжатого воздуха компрессором УК40-2М. Расход воздуха на входе в аппарат измерялся ротаметром РС3, а на выходе - барабанным счетчиком РГ 7000. При необходимости изменения величины аэрации ротаметр тарировался до начала эксперимента по показаниям газового счетчика. Давление в аппарате стабилизировалось, измерение избыточного давления осуществлялось с помощью манометра (модель
11202, кл. 0,4). Скорость вращения вала мешалки измерялась тахометром-частотомером ВЕХА-Т. Мощность, рассеиваемая мешалкой, определялась по разности мощностей, замеренных при работе мешалки в среде и в воздухе (в пустом аппарате). Это позволяет исключить затраты энергии на трение в уплотнительном устройстве и в редукторе. Измерение мощности осуществлялось с помощью вольтметра и амперметра, установленных в цепи питания якоря двигателя постоянного тока. Для повышения точности измерения электрической мощности, двигатель охлаждался вентилятором с поддержанием температуры его корпуса в пределах 40 °С - 42 °С, а обмотка статора запитывалась от отдельного стабилизированного источника тока, что обеспечило постоянство теплопотерь и магнитного поля. Проверочные эксперименты по замеру момента на валу двигателя при варьировании скорости вращения были осуществлены с использованием динамометра. Мощность при этом рассчитывалась по формуле:
Wn = М • 2п • п (1)
где М — момент, п — скорость вращения.
После чего было найдено отношение прироста момента к величине тока якоря. Это отношение было использовано при расчете величин момента на основании замеренного тока якоря. Сравнение полученных данных расчета мощности по указанным выше двум способам показало, что разброс найденных значений мощности при всех режимах не превышает ± 5%.
Исследовано несколько различных конструкций мешалок: дисковые мешалки с отогнутыми секторами (№№ 1,2 и 3), имеющих отгибы секторов под углом соответственно 23°, 35° и 55°, радиально-гофрированная мешалка (№9 4) с частичными разрезами вдоль линий сгиба и турбинная шестилопастная мешалка (№ 5) с наклонными лопастями. Все мешалки имеют перфорированную поверхность. Перфорация имеет вид конических отверстий, обращенных большим
основанием конуса в направление вращения. Что вызывает сжатие струй, проходящих через отверстия перфорации. Вид мешалок представлен на рис.1.
Рис. 1 - Мешалки различной конструкции (№№ 1 - 5)
Геометрические параметры исследованных мешалок представлены в таблице 1. Поскольку затраты энергии на перемешивание среды пропорциональны проекции мешалки на вертикальную плоскость и числу лопастей (отгибов), были рассчитаны суммарные величины проекций всех лопастей для каждого варианта конструкции мешалки.
Таблица 1 - Геометрические параметры перфорированных мешалок
Мешалки № 1 № 2 № 3 № 4 № 5
Диаметр, мм 100 100 100 100 95
Угол наклона, град. 23 35 55 20 60
Площадь лопастей, см2 53,8 53,8 53,8 64,4 46,2
Доля площади
лопастей, % от общей площади 68,5 68,5 68,5 82,0 65,2
мешалки
Проекция лопастей на вертикальную 2 плоскость, см 21,0 30,9 44,1 22,0 40,0
Доля площади
перфорации 15,8 15,8 15,8 13,2 20,2
лопастей, %
Проекция не перфорированной поверхности на 17,7 26,0 37,1 19,1 31,9
вертикальную 2 плоскость, см
Результаты и их обсуждение
В качестве модельной среды в проведенных экспериментах использовалась дистиллированная вода. Мощностные характеристики мешалок замерялись для каждого значения удельной интенсивности аэрации и представлялись в табличной форме в зависимости от скорости вращения. В таблице 2 представлен вариант такой записи,
выполненной в среде Excel®. Информация в данной форме была получена для семи уровней значения удельной аэрации для каждой мешалки. На основании обработки этой информации был найден показатель степени в классическом выражении зависимости мощности мешалки W от угловой скорости вращения n [5]:
W = KM-p-d5-n2'74 (2)
где KN - коэффициент, зависящий от параметров конструкции мешалки, р - плотность перемешиваемой среды, d - диаметр мешалки.
Разброс найденных значений показателей степени приведен в таблице 2. Для дальнейшего анализа, было выбрано усредненное значение показателя степени, равное 2,74 для всех типов мешалок с перфорированной поверхностью.
После чего были рассчитаны коэффициенты мощности и получены сглаженные теоретические кривые затрат мощности для каждой мешалки при варьировании величины удельной аэрации.
Совокупность зависимостей мощности, рассеиваемой в неаэрированной жидкости, от скорости вращения для всех исследованных конструкций мешалок представлена на рис.2.
Таблица 2 - Показатели степени в выражении зависимости мощности мешалки от скорости вращения
Удельная аэрация, л/л.мин Мешалки
№1 №2 №3 №4 №5
0,0 2,90 2,82 2,49 2,88 2,69
0,5 2,92 2,85 2,43 2,89 2,86
1,0 2,85 2,84 2,53 2,86 2,72
1,5 2,89 2,84 2,83 2,87 2,89
2,0 2,90 2,75 2,86 2,91 2,69
2,5 2,83 2,57 2,70 2,63 2,78
3,0 2,33 2,30 2,41 2,57 2,86
Математическое ожидание 2,80 2,71 2,61 2,80 2,78
Рис. 2 - Изменение мощности в зависимости от скорости вращения
При включении аэрации среда становится сжимаемой и картина зависимости мощности от скорости вращения для всех конструкций мешалок существенно меняется. На рис.3 представлены графики зависимостей коэффициента мощности КМ = Км р^5 от интенсивности аэрации. На основании
полученных зависимостей можно сделать вывод о качественном различии характеристик мешалок, проявляющемся при изменении угла наклона рабочей поверхности (в). При величине в менее 30° вид указанных зависимостей выпуклый, а для мешалок с углом наклона рабочей поверхности более 30° изогнутый.
До некоторого значения величины аэрации, разной для каждой из мешалок (№2 1 и № 4), график практически линеен. Линейный начальный участок характерен и для других типов мешалок с большим углом наклона рабочей поверхности.
0,07
Я
о 0,06 о
&0,05 О
? 0,04 н
я 0,03
а
0,02 § 0,01 * 0
>———СТ^-^ меш.№5 у_ меш. № 3 ^ъНЗ"" меш. №4
а- д
меш. №2
1 1,5 2 2,5 Аэрация, л/л.мин
Рис. 3 - Зависимость коэффициента мощности км от удельной скорости аэрации
Однако, в диапазоне аэрации выше 1,5 л/л-мин на кривых возникает второй перегиб, за которым вновь восстанавливается линейность. Это позволяет сделать вывод об изменении состояния системы газ-жидкость при увеличении аэрации (переход от распределенных в сплошной среде пузырьков газа к пенному режиму).
Изменение характера зависимости коэффициента мощности от удельной аэрации наиболее наглядно можно представить на графиках изменения относительной величины коэффициента. За 1 принимается величина коэффициента мощности при отсутствии аэрации (рис.4).
Р 1,2 1
0,8
0,6
0,4
к 0,2
0,5 1 1,5 2 2,5 Удельная аэрация, л/л. мин
На рис.4 четко прослеживается изменение зависимостей мощностных характеристик мешалок при углах наклона меньших и больших 30°.
Выводы
При выборе режимов управления аэробными процессами культивирования микроорганизмов, очевидно, что при применении мешалок с углом наклона рабочих поверхностей более 30 град. в качестве регулирующего воздействия может использоваться величина удельной скорости аэрации. Для мешалок с меньшими углами эффективное регулирование возможно лишь с помощью варьирования скорости вращения вала. При построении многоярусных устройств перемешивания, обеспечивающих более предпочтительное равномерное введение мощности, потребуется регулятор скорости вращения. В то же время, большинство существующих промышленных биореакторов имеют мешалки с максимальным углом рабочей поверхности - 90 град. При этом, естественно, регулирование процесса
осуществляется путем варьирования величины аэрации. Однако, такая конструкция мешалок не позволяет ни увеличить число ярусов, ни увеличить диаметр мешалки, что влечет фактически точечный ввод энергии, снижающий энергетическую эффективность аппаратов, и не позволяет достичь высоких концентраций биомассы, особенно для культур, не выдерживающих высоких напряжений сдвига. Таким образом, для построения многоярусных перемешивающих устройств биореакторов можно рекомендовать использование дисковых перфорированных диспергаторов газа с малым углом атаки.
Литература
1. С. Г. Мухачев, М. Ф. Шавалиев, Р. Т. Елчуев, Р. М. Нуртдинов, А. М. Буйлин, А. А. Степанова, Б. В. Кузнецов, Р. Т. Валеева, Инновационные подходы к естественнонаучным исследованиям и образованию: материалы науч.-практ. конф. (Казань, 12-13 марта 2009, ТГГПУ). Казань, 2009. С. 241-244.
2. Пат. РФ 2021849 (1991).
3. Ш. Г. Еникеев, Р. И. Валеев, С. Г. Мухачев, С. А. Коршунов, А. М. Буйлин, Вестник Казан. технол унта, 4, 86-97 (2006).
4. А. М. Гурьев, Б. В. Кузнецов, С. Г. Мухачев, Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений - V Кирпичниковские чтения. Тезисы докладов. XIII Международная конф. молодых ученых, студентов и аспирантов. (Казань, Изд-во Казан. гос. технол. ун-та). Казань, 2009. С.341.
5. А. Г. Касаткин, Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд-е 12-е. ООО ТИД «Альянс», Москва, 2005.753 с.
Рис. 4 - Изменение относительной величины коэффициента мощности при варьировании аэрации
0
0,5
3
3,5
0
3
© Р. Б. Хабибрахманов - асп., ассистент каф. хим. кибернетики КНИТУ; С. Г. Мухачев - канд. техн. наук, зав. лаб. «Инженерные проблемы биотехнологии» КНИТУ, доц. той же кафедры, [email protected].
