NENEWTONSKÉ KAPALINY A DISPERZE V HYDRODYNAMICKÝCH PROCESECH

1. NENEWTONSKÉ KAPALINY A DISPERZE V HYDRODYNAMICKÝCH PROCESECH KAMIL WICHTERLEVŠB-Technická univerzita Ostrava 70833 Ostrava - Poruba, tř.17.listopadu 15 596 994 304, Fax: 596 918 647, e-mail: wih15@vsb.cz

2. OBSAH • Potřebujeme k návrhu procesu a zařízení viskozitu ? • Co je „zdánlivá viskozita“ kapaliny ? • Index toku, konzistence, Reynoldsovo číslo • Režim proudění a jeho předpověď pro nenewtonské kapaliny • Smyková rychlost při laminárním a turbulentním režimu • Velikost turbulentních vírů • Problém viskozity při vysokých Re • Testování vlastností tekutin, viskometrie a reometrie • Kdy nám znalost tokových vlastností nestačí

3. Potřebujeme znát viskozitu ?

4. Laminární proudění • Viskozita je podstatná při malém Reynoldsově čísle : • Odpor proudění v potrubíje úměrný viskozitě • Příkon pomaloběžných míchadelje úměrný viskozitě • … a proto i ostatní procesy v takových zařízeních závisejí na viskozitě : • Sdílení tepla • Homogenizace • …..

5. Turbulentní proudění • Viskozita je druhořadá při velkém Reynoldsově čísle : • Odpor proudění v potrubínezávisí na viskozitě • Příkon rychloběžných míchadelnezávisí naviskozitě • … avšak některé procesy na viskozitě zde závisejí: • Sdílení tepla • Homogenizace • Dispergace (suspendace, emulgace, aerace) • …..

6. Rozpoznání režimu proudění Reynoldsovo číslo: obecně : v potrubí přechod 2 000-20 000 pro rotační toky : u míchadel přechod 10-100

7. co je nenewtonská kapalina ?

8. rychlost U síla F x d y v x d y x síla F Jednoduchý smykový tok

9. viskozita m = konst.NEWTONSKÁ KAPALINA t = m g

10. zdánlivá viskozita mnekonstantní -NENEWTONSKÁ KAPALINA t = m g

11. Na čem závisí nenewtonská zdánlivá viskozita t / g = mzd ? • …na spotřebě energie v jednotce objemu e = P/ V = t g = mzdg2 = t2/mzd • …tedy mzd= f(e) • …takže je možno také psát třeba t= f(g) • …například mocninový model t=K gn • n…index toku, K…koeficient konzistence

12. Rozpoznání režimu proudění Reynoldsovo číslo pro mocninovou kapalinu z rozměrové analýzy: obecně : pro rotační toky :

13. Metzner a Otto 1957 zdánlivá viskozita – zdánlivá smyková rychlost gzd = k N mzd VISKOZITA A MÍCHÁNÍ Rushton et al. 1950 - příkon Turbulentní proudění, kde k určení příkonu viskozitu nepotřebujeme Plouživé laminární proudění, kde k určení příkonu viskozitu potřebujeme A CO NENEWTONSKÉ KAPALINY ? k = 11 pro rychloběžná míchadla

14. zdánlivá smyková rychlostgzd = k N Řeší vše ? Stěží ! Funguje totiž jen pro plouživé laminární proudění ! Umožňuje pouze stanovit příkon pro nízká Re a určit přibližně hraniciRe, jímž je tato oblast vymezena !

15. Střední smyková rychlost v míchané vsádce Když už příkon známe, střední hodnota gse dá určit ze vztahu t g= P/ V Pro mocninové kapaliny t= Kg n

16. Nerovnoměrnost disipace energie v prostoru nádoby Průměrná hodnota estř = P / V = Po (d3/V)r N3 d2(typicky 1 kW/m3) gstř = N ( Po ReM d3/V )1/(1+n) U míchadla při Re>10gM = (5.3n +1)1/nNReM1/(1+n) Obvykle tedy:gM /gstř > 15 U stěnygW = a (d/D)2/nNReM1/(1+n) Obvykle tedy:gW /gstř = 1 A nepochybně všude jinde: g<<gstř

17. Když už tlakovou ztrátu známe, střední hodnota gse dá určit ze vztahu Střední smyková rychlost při proudění v potrubí Pro mocninové kapaliny t= Kg n

18. Reynoldsovo číslo při střední smykové rychlosti při proudění v potrubí

19. Reynoldsovo číslo při střední smykové rychlosti v míchané nádobě

20. Dx Du Kolmogorov: předpoklad charakteristický rozměr víru Mezní vrstva na míchadle: předpoklad tloušťka Smyková rychlost g( gradient rychlosti) při turbulentním režimu Ve vířivém proudění gradient rychlosti střídá znaménko

21. Problém proměnné viskozity • Standardní míchací zařízení jsou odzkoušena především pro běžné (newtonské) kapaliny • Při jakékoliv nerovnoměrnosti viskozity ve vsádce zpravidla chybějí jak teoretické návody k návrhu míchacího zařízení tak i praktické zkušenosti

22. Reologie – nauka o deformaci a toku • mechanika kontinua – co nejdokonalejší popis pro popis jakéhokoliv materiálu v jakékoliv situaci • fyzikální chemik – co nejdokonalejší popis pro vystižení chování konkrétních tekutin v jednom typu situací • inženýr – co nejjednodušší popis chování tekutin, slušně přiléhavý a poměrně obecný

23. Viskometrie - Reometrie nauka o měření tokového chování • jedno měření – jedna hodnota viskozity • více měření s různou rychlostí proudění nebo různou velikostí a tvarem přístroje – při shodné výsledné viskozitě jde o kapalinu newtonskou • více měření s různou rychlostí proudění nebo různou velikostí a tvarem přístroje – při odlišné výsledné viskozitě jde o kapalinu nenewtonskou • závislost měřené viskozity na čase a na historii namáhání – slabá naděje na spolehlivé teoretické modelování technických problémů

24. Viskometrie - Reometrie instrumentace : • improvizované, levné, drahé nebo velmi drahé viskozimetry • měření za jediných definovaných podmínek nebomožnost práce v širším rozsahu smykové rychlosti; diskrétně nebo spojitě měněná rychlost anebo geometrie • programované měření za měnících se podmínek • velikost vzorku a možnost pracovat s hrubší disperzí • možnosti termostatování, tlakování, udržování atmosféry

25. Změny viskozity • Závislost na okamžitém namáhání (nenewtonské – zobecněné newtonské kapaliny) • Závislost na historii namáhání (viskoelasticita, tixotropie,...) • Závislost na teplotě • Závislost na koncentraci homogenních směsí • Závislost na velikosti částic heterogenních směsí, na jejich objemovém zastoupení a na jejich koloidních interakcích • Závislost na rozměru zařízení, interakce se stěnami

26. Je možno nahlížet na disperzní soustavy jako na nenewtonské kapaliny ? Kdy ne ? • DISPERZE : • Nanometrické ++ • Mikrometrické +? • Makroskopické ? -

27. TĚŽŠÍ ČÁSTICE (SUSPENZE) LEHČÍ ČÁSTICE (BUBLINY) Obtok tělesa(např. listu míchadla)

28. ZÁVĚRY • Pro laminární režim existují spolehlivé postupy přenosu dat z laboratoře do provozu, podporované dnes vysoce spolehlivým software • Zásadní význam má viskozita, případně další pozorovatelné reologické vlastnosti • Poznatky o homogenních nenewtonských kapalinách jsou do jisté míry použitelné i pro posouzení procesů s disperzemi (suspenze, emulze, pěny, pasty, krémy,...) • Víme poměrně dost o smykové rychlosti a jejím rozdělení i při vyšších Re; něco jsme schopni říci i o rozměru vírů • Optimizmus, se kterými jsme před 40 lety předpokládali, že pomocí koncepce nenewtonských kapalin s tužkou a papírem budeme navrhovat provozní aparáty i pro vysoká Re , byl poněkud planý • Dobře provedený laboratorní výzkum reologického chování umožní rozhodnout, zda je či není nezbytné ještě ověřovat vhodnost provozního řešení dalšími modelovými zkouškami

29. Na vaše dotazy milerád odpovím

31. Děkuji za pozornost