Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

В’язкість - властивість рідин (або газів) чинити опір взаємному переміщенню

їх частинок під впливом прикладенної до них сили. В'язкість для техніки —

величина особливо важлива. Перетікання рідких продуктів через апарати

пов'язане з розглядом ряду задач з гідравліки. Процеси тепло- і масообміну

тісно пов'язані з гідродинамічними явищами, а останні визначаються тим, що

реальні рідини, які перетікають через апарати, значно в'язкіші, ніж вода.

Із закону внутрішнього тертя в рідинах Ньютона випливає,

що величина в'язкості залежить лише від властивостей рідини і

не залежить від тиску

де Т — сила внутрішнього тертя, Н;



— коеффіцієнт абсолютної або динамічної в'язкості, Па-с;

S — площа дотику двох шарів рідини,

;

— гоадієнт швидкості руху рідини, 1/с.

Для характеристики в'язкості рідин найчастіше користуються не

коефіцієнтом абсолютної в'язкості, а так званим коефіцієнтом кінематичної

в'язкості

Так само, як і динамічний, кінематичний коефіцієнт в'язкості залежить не

тільки від рідини, а й змінюється для тієї самої рідини залежно від

температури. Кінематичний коефіцієнт в'язкості з підвищенням температури

в рідинах зменшується, а в газах (наприклад, повітрі), навпаки, збільшується.

Причину його різної поведінки можна пояснити, виходячи з кінетичної

теорії.

Дані про в'язкість рідин і газів наводяться в довідниках і спеціальній

літературі. Якщо немає експериментальних даних, коефіцієнт в'язкості

можна обчислити за емпіричними формулами:

Тї'ачтпгтк гячотшх сумішей за наближеною формулою

- о'бємні частки газів з коефіцієнтами кінематичної

в'язкості

В'язкість суміші взаємнонерозчинних рідин

- в'язкість окремих компонентів;

мольні концентрації компонентів у суміші;

В'язкість розведенних суспензій

— в язкість чистої рідини,

— о'бємна концентрація твердої фази в суспензії.

Крім в'язкості для характеристики рідин використовують поверхневий натяг



, Н/м, який характеризує здатність рідини взаємодіяти з твердим тілом та

уявляє собою запас вільної поверхневої енергії даної системи.

Величина поверхневого натягу дорівнює вільній енергії, що припадає на

одиницю площі поверхні поділу фаз. Поверхневий натяг можна визначити як

роботу при зворотному ізотермічному процесі, яку треба виконати для

збільшення поверхні поділу фаз на 1

Поверхневий натяг вимірюється або в одиницях сили на одиницю довжини

(Н/м), або величиною енергії на одиницю площі (Дж/

). Методи

визначення величини поверхневого натягу достатньо прості. Це методи

капілярного підняття, максимального тиску бульбашок (метод Ребіндера),

підрахунку краплин (сталаг-мометричний метод), відриву кільця, втягування

пластинки (метод Вільгельмі).

Кожна чиста рідина при сталій температурі має сталий коефіцієнт

поверхневого натягу, величина якого залежить від природи речовини.

Величина поверхневого натягу тим більша, чим більша полярність молекул

рідини, вона також залежить від здатності молекул утворювати водневі

зв'язки та ін. При цьому величина поверхневого натягу води в порівнянні з

поверхневим натягом інших рідин має найбільшу величину (табл. 1.4).

Таблиця 1.4

Поверхневий натяг чистих рідин при 20 °С

Рідина

Поверхневий натяг





Н/м (Дж/ М )

Вода 72,75

Бензол 28,9

Оцтова кислота 27,6

Хлороформ 27,1

Ацетон 23,7

Етиловий спирт 22,3

н-Гексан 18,4

Етиловий ефір 17,0

Поверхневий натяг багатьох рідин практично лінійно зменшується з

підвищенням температури. Виходячи з цієї закономірності,

Д.І. Менделєєв, встановив, що при певній критичній температурі величина

поверхневого натягу дорівнює нулю.

Питома теплоємність — кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 кг

речовини на 1 С(Дж/кг-К). Питома теплоємність залежить від багатьох

факторів, важливіші з яких є температура і концентрація. Іноді в

теплотехнічних розрахунках, що не потребують високої точності, зокрема,

коли йдеться про явища, які відбуваються в області порівняно невисоких

температур, зміну теплоємності від температури не беруть до уваги,

вважаючи, що значення теплоємності однакові в усіх інтервалах

температурної шкали.

Коефіцієнт теплопровідності



характеризує здатність речовини проводити

теплоту. Числове значення



залежить від складу речовини, температури,

тиску, густини і вологості. Цей параметр входить в рівняння теплообміну, в

деякі числа подібності Nu і Рг. При технічних розрахунках значення

коефіцієнтів теплопровідності вибирають з довідкових таблиць. Коефіцієнти

теплопровідності газів лежать у межах



= (0,0058...0.175) Дж/(м-с-К), з

підвищенням температури вони зростають. Коефіцієнти теплопровідності

рідин знаходяться в межах



= (0,0093...0,7) Дж/(м-с-К), з підвищенням

температури вони зменшуються (за винятком води). Коефіцієнти

теплопровідності теплоізоля-ційних матеріалів перебувають в межах



—

(0,023...2,9) Дж/(мс-К), з підвищенням температури вони зростають, крім

того, залежать від структури, вологості і шпаруватості самих матеріалів.

Фізико-хімічна депресія — це підвищення точки кипіння розчину порівняно

з температурою насиченої пари розчинника (води). Усі водні розчини мають

меншу пружність пари, ніж пружність пари чистої води при тій самій

температурі. Тому при одному й тому самому тиску температура кипіння у

випарюваних розчинів буде вищою, ніж у чистої води. Це впливає на

величину корисного перепаду температур у випарному апараті. Підвищення

температури кипіння — індивідуальна властивість кожної окремої речовини.

Величина фізико-хімічної депресії для даної речовини залежить від її

концентрації і тиску над розчином; вона зростає разом із зростанням

останніх.

Молекулярно-кінетична теорія встановлює такі зв'язки між харак-

теристиками стану речовин:

_ Туї принято такі позначення:

с— швидкість звуку, м/с;

l — середня відстань між молекулами, м;

— питома теплоємність при сталому о'бємі, Дж/кг-К;

D — коефіцієнт дифузії,

/c.

Для сипких тіл їх властивості доповнюють насипна густина або о'бємна маса

та кут природного нахилу. Шпаруватістю називають відношення порожнин

між частинками твердого тіла до всього о'бєму, який займає сипке тіло

де

,— о'бєм всього продукту,

;

— о'бєм, який займають тверді частинки,

Насипна густина визначається як маса частинок, що знаходяться в одиниці

об'єму

Кут природного нахилу (укосу) — кут



твірної конуса, що утворюється,

коли сипке тіло знаходиться на площині. За величину кута укосу визначають

сили тиску тертя

Рівняння для визначення шпаруватості можна записати так:

Його можна використати для розрахунку шпаруватості нерухомого шару, а

також для визначення середньої шпаруватості. Псевдозрідженого шару, якщо

в нього підставити середню масову концентрацію твердої фази.

Об'ємна концентрація (

ММ

) характеризує об'єм твердої фази, яка

міститься в одиничному об'ємі шару сипкого матеріалу

Насипна густина. Якщо сипкому тілу дати можливість вільно падати з

невеликої висоти, то видима густина називатиметься насипною. Оскільки під

час падіння і вкладання кулькоподібних частинок у цьому випадку всі

положення кульок рівноможливі, за

теорією імовірностей можна було б вважати, що об'єм речовини сипкого тіла

становитиме середнє арифметичне об'єму при мінімальному і максимальному

ущільнені. Проте досвід показує, ідо значення насипної густини ближче до

мінімальної видимої густини.Значення нясипної густини можна обчислити з

таких рівнянь :

виходячи з справжньої густини

виходячи з шпаруватості:

Фізичне моделювання. Виробничі дослідження здійснюють на фізичних

моделях, які дозволяють дешевше, зручніше визначити певні співвідношення

між оригіналом (промислова установка) та моделлю (лабораторна установка).

Для цього потрібно щоб модель і оригінал відповідали так званим умовам

однозначності, які визначають стале відношення фізичних величин (лінійні

розміри, властивості, тощо). Умови однозначності дозволяють виділити

вивчаєме явище із інших цього самого класу. Сукупність деякиих фізичних

ознак, які визначають числами подібності (критеріями) та називають їх

іменами видатних вчених (див. табл. 1.5).

Таблиця 1.5.

Основні числа подібності

Число Позначення величин Застосування

1 2 3

Механічяа подібність

Ньютона

Ne=



К- сила

р- густина

l- лінійний розмір

υ - швидкість

Загальний критерій

механічної подібності

Фруда

Fr=



g- прискорення сили

тяжіння

Подібності у системах,

що перебувають у

гравітаційному полі

Ейлера

Еu=





- різниця тиску у

потоці

Характеризує дію сили

тиску в потоках

Архімеда

Ar=





v- кінематична в'язкість

- густина

середовища в двох

точках потоку

Системи, в яких

визначальними силами

є сили в'язкого тертя і

сили Архімеда

Рейнольдса

Re=











Ті самі



- динамічна в'язкість

Системи, в яких

визначальною є сила

в'язкого тертя у в'язкій

рідині

Теплова подібність

Нусельта

Nu=



а- коефіцієнт

теплопередачі



- теплопровідність

середовища

Процес теплообміну

між середовищем і

стінкою

Прандтля

Рг=





(в системі СІ)

с- теплоємність

середовища

Визначає фізичні

властивості теплоносія

Пекле

Ре =



а- температуро-

провідність

Міра відношення

теплоти перенесеної

конвекцією, до теплоти

перенесеної за рахунок

теплопровідності

Кутателадзе

Кu=



г- теплота пароутворення або конденсації

Характеризує процес при фазовому переході

Дифузійна подібність

Нусельта (диф)

Nu’=



- коефіцієнт

масовіддачі

D- коефіцієнт дифузії

Характеризує процес

масопередачі

Прандтля (диф)

Рг =

Ті самі Характеризує фізичні

властивості середовища

Оскільки числа подібності є відносними величинами, то вони є

безрозмірними. Будь-яка залежність між змінними, що характеризують якесь

явище може бути подана у вигляді залежності між числами подібності, у

вигляді узагальненого або критеріального рівняння. Це означає, що коли під

час дослідження якогось процесу одержана залежність між кількома

фізичними і геометричними величинами, то її можна виразити критеріальним

рівнянням, до якого входять кілька критеріїв, складених з самих величин.

Кількість цих критеріїв визначають з рівняння

де n — кількість величин, яка входить до вихідної залежними,

K- кількість первинних величин (довжина, час, маса).

Тоді

Перевага критеріальних рівнянь полягає в зручності їх засування. Обробка

експериментальних даних у формі узагальнених критеріальних рівнянь дає

можливість значно доцільніше використати дослідні дані.

У техніці такі рівняння дістають, застосовуючи переважно метод аналізу

розмірностей, який полягає в тому, що після вивчення якогось явища

визначають фізичні величини, що впливають на його перебіг.

Розглянемо процес тепловіддачі на поверхні тіла певної геометричної форми,

яке омиває потік рідини. Інтенсивність цього процесу визначається

коефіцієнтом тепловіддачі



, розмірність якого Дж/(

Кс



) або в

загальному вигляді Дж/(

KT 

)

Досліджуючи механізм цього явища, можна прийти до висновку, що на

перебіг його впливають такі параметри: розмір тіла l, швидкість руху

середовища v, його густина р, кінематична в'язкість V, теплоємність С,

теплопровідність



. Припустимо, що залежність



від цих величин

виражається степеневим рівнянням

Таке припущення можна оогрунтувати тим, що більшість закономірностей

техніки виражається степеневим рівнянням. Далі вибираємо первинні

величини, за яких найзручніше взяти одиниці довжини l, маси М, часу



температури Т, теплоти — Дж. Розмірність решти величин можна виразити

через первинні величини. Ці розмірності такі:

лівої частини мають бути однаковими. Це зівняння розмірностей у такому

вигляді:

дає підстави записати

Після цього зрівнюють показники всіх одиниць вимірювання лівої і правої

частин рівняння в такому вигляді

щх викладених загальних положеннях про характеристики та вимірювання

фізичних властивостей матеріалів покладено всі засоби визначення

характеристик у всіх галузях науки і техніки.

Контрольні запитання до 1-го розділу

1. Загальна характеристики промисловості України.

2. Кількість основних промислових виробів на душу населення в Україні.

3. Транспортні мережі України.

4. Природні ресурси України.

5. Втрати енергії в народному господарстві.

6. Основні одиниці виміру фізичних величин (СІ)

7. Похідні одиниці фізичних величин.

8. Теплофізичні властивості речовин та робочих агентів.

9. Густина, в'язкість та поверхневий натяг рідин.

10. Основні поняття про фізичне моделювання.

11. Числа подібності фізичних величин.

12. Критеріальні рівняння.

Розділ 2. Теоретичні засади технології

2.1. Основні технологічні поняття та визначення

Технологія як самостійна галузь знання виникла в кінці XVIII на початку

XIX століття в зв'язку зі зростанням машинного виробництва. Умовно

технологію ділять на механічну та хімічну, хоча в сучасній промисловості

важно провести чітку границю між цими двома видами технології. Механічна

технологія розглядає процеси, що пов'язані зі зміною фізичних властивостей

та форми перероблюємих матеріалів, а хімічна — процеси, що пов'язані з

хімічними перетвореннями. Умовність такого поділу зв'язана з тим, що при

всіх хімічних перетвореннях мають місце фізичні зміни, а зміна фізичних

властивостей майже завжди пов'язана з хімічними, а в деяких випадках і з

біохімічними перетвореннями.

Найбільше узагальнено розглядають технологію як хімічну, яка дуже

розгалужена і ділиться на технологію органічних та неорганічних речовин.

Однією зі стародавніх гілок технології органічних речовин є харчова.

Харчова технологія була однією з перших технологій, а млин був першим

харчовим підприємством. Однією з особливостей харчової технології є

переробка сировини рослинного та тваринного походження. В зв'язку з цим

помітну роль у харчової технології відіграють біохімічні процеси.

У своєму розвитку хімічна технологія як наука пройшла чотири етапи або

періоди. На першому, найбільш ранньому етапі хімічна технологія була

зібранням рецептів та описів проведення окремих технологічних операцій без

будь-якого суворого обґрунтування причин вибору того чи іншого способу

переробки. Наука на цьому етапі носила описовий характер. Вибір тех-

нологічних операцій та їх послідовності виконання проводили тільки на

основі порівнювання різних варіантів.

На наступному другому етапі крім опису методів та технологічних засобів

визначались спроба аналізу фізико-хімічних явищ та обґрунтування причин,

що визначають вибір технологічного засобу. Наука на цьому етапі носила

якісний характер, який дозволяє визначити технологічні процеси на основі

якісного аналізу без достатнього кількісного обґрунтування.

На третьому етапі розвитку технологія базується на знаннях про одиничні

процеси, що загальні для багатьох технологічних засобів в різних галузях

хімічної та харчової технологи. Одиничні процеси узагальнює наука

"Процеси та апарати".

Цей період характеризується більш суворим кількісним обґрунтуванням

вибору технологічних засобів та режимів. З'явилась можливість

розраховувати розміри, режими, потужність та інші характеристики машин

та апаратів.

Третій найважливіший етап розвитку технології почався тоді, коли були

винайденні вакуум-випарні апарати, ректифікаційні колони, холодильні

машини, електричні двигуни, фільтри безперервної дії, промислові способи

адсорбції, екстрагування. На початку XX ст. в результаті узагальнення

виробничого досвіду виконання окремих технологічних операцій виникла

наука про процеси і апарати. В цей же час значним внеском в технологію

можна вважати вдосконалення способів одержання низьких температур

(-185 °С) зверхвисокого тиску (200 МПа) виробництва сплавів, що мають

хімічну стійкість, механічну міцність, тощо.

В зв'язку з суперечністю вимог до машин та апаратів (наприклад, при

мінімальних витратах енергії устаткування може мати дуже низьку

потужність) їх характеристики на цьому етапі розвитку технології

однозначно не визначились тобто могли б тільки визначитись на основі

досвіду та високої кваліфікації проектантів.

Нарешті, на четвертому сучасному етапі розвитку технологія як наука

використовує не тільки теоретичні основи процесів та апаратів, тобто теорію

одиничних процесів, але і методи теорії систем, теорії оптимізації та

математичне моделювання.

Теоретичні основи процесів та апаратів дозволяють визначити кінетичні

закономірності, теорія систем дозволяє розглядати кінетичні закономірності

на кожній технологічній операції, на кожній технологічній дільниці в

сукупності та узгоджувати їх з позицій кінцевої мети функціонування всієї

технологічної лінії. Теорія оптимізації дозволяє вибрати оптимальний, тобто

найкращий в якомусь розумінні варіант технологічної операції, дільниці,

лінії і т.д., спираючись на методи математичного моделювання. Сукупність

цих методів дозволяє вибрати таке сполучення технологічних операцій, яке

забезпечує найменші витрати на одержання продукту заданої якості.

Звідціль витікають важливі висновки, що при аналізі діючого або при

проектуванні нової технологічної лінії необхідні не тільки знання фізико-

хімічних основ явищ, які і відбуваються в конкретній технології, методів

розрахунку процесів та апаратів, але і методів оптимізації, що засновані на

математичному моделюванні та використанні обчислювальної техніки.

В зв'язку з широким впровадженням в технологію автоматичних та

автоматизованих систем управління з'явилась необхідність вивчення явищ та

одержання кількісної оцінки ще однієї сторони технологічних процесів — їх

специфічних властивостей як об'єктів управління. Оскільки автоматизація

можлива тільки на основі суворої формальної кількісної оцінки перехідних

процесів та якості функціонування об'єктів управління, якості продукції, то

з'явилась необхідність в розробці методів формалізації. Це в свою чергу

потребує більш глибокого вивчення фізико-хімічних явищ, удосконалення

принципів розрахунку процесів та апаратів і т. і. Таким чином, широке

впровадження автоматизації обумовлює також розвиток та удосконалення

чисто технологічних засобів, методів і процесів, тобто сприяє розвитку

технології як науки.

Зараз технологія перебуває на п'ятому етапі свого розвитку і може

розглядатися як кібернетична інформаційна система, що узгоджує не тільки

внутрішні проблеми технології (якість, собівартість продукції, тощо) а і

зовнішні — постачання сировини, збут продукції, поява конкурентів т. і.

Технологія як наукова дисципліна відноситься до числа прикладних галузей

знання і кожна її галузь відрізняється від інших об'єктом, предметом і

завданнями. Об'єктом технології є окремі операції, лінії та комплексні

технологічні процеси виробництва різних виробів: тканин, металу, лугів,

кислот, добрив, миючих засобів, борошна, хліба, м'яса, молока, цукерок,

вина, консервів тощо.

Предмет технології можна розглядати як систему уявлень, категорій,

принципів та законів синтезу (проектування) ефективних технологічних

процесів, які склалися в технології в процесі її становлення і розвитку. До

предмету технології належить віднести специфічні найменування процесів,

продуктів та напівфабрикатів, методи визначення їх якісних та кількісних

характеристик, конкретні проявлення законів фундаментальних наук в техно-

логії, закономірності технологічних процесів (швидкість, рівновага та ін.), їх

моделі (ідеальні об'єкти). Окремі складові предмету технології поняття

можуть бути використані і іншими науками, але тільки їх сукупність, зведена

в систему, яка має системні, тобто найбільш загальні для технології ознаки з

однаковим способом їх вимірювання і є предметом технології.

Технологія, як і будь-яка інша прикладна наука, є синтетичною

(інтегральною, поліпредметною) і заснована на теоретичних

засадах фундаментальних наук, які з'ясовують та описують окремі явища, що

проявляються при виконанні технологічних операцій (теплообмін, хімічна

реакція, тощо).

Теоретичні основи технології включають параметричні, морфологічні

(субстратні) та функціональні описи. Параметричний опис властивостей,

ознак та співвідношень не з'ясовує закономірності технологічних процесів, а

тільки фіксує їх (графічне чи інше зображення технологічної схеми, машини,

апарату, характеристики потоків продукту та робочих агентів і т. ін.).

Морфологічний опис визначає взаємозв'язки властивостей, ознак і їх

співвідношень кожної технологічної операції окремо. Це так звані зв'язки

побудови окремих елементів технологічної лінії. До морфологічного опису

треба віднести статичні, кінетичні та інші закономірності якісного або

кількісного характеру, за допомогою яких встановлюють технологічні

режими та динамічні властивості окремих стадій виробничого процесу

(технологічних операцій), та конструктивні параметри машин та апаратів.

Функціональний опис установлює взаємозв'язки між технологічними

операціями (елементами) технологічної лінії та може бути одержано

експериментально або аналітично. Це зв'язки структури виробничого

процесу. Морфологічні та функціональні описи складають зміст будь-якої

технології як науки, формалізують статичні, кінетичні та динамічні

закономірності окремих стадій та всієї структури виробничого процесу,

складають необхідні передумови для використання методів та законів фун-

даментальних наук, які описують окремі явища. Ця формалізація неможлива

без спрощення (ідеалізації) об'єкту, відкинення неістотних для розв'язання

даного завдання характеристик, тобто без побудови ідеальних об'єктів

(моделей) технології.

Головна мета технології може бути досягнена тільки при наявності кількісної

оцінки довершеності процесу та якості продукту. Одержати ці оцінки можна

тільки сукупністю методів з використанням перелічених трьох видів опису,

що засновані на різних модельних уявленнях. Таким чином технологія

користується двома типами моделей: ідеальні об'єкти фундаментальних наук,

на базі яких сформульовано найбільш загальні закони та закономірності

природознавчих наук та ідеальні об'єкти власне самої технології, на базі яких

складено морфологічні описи окремих стадій (технологічних операцій) та

функціональні описи структури технологічних ліній.

Таким чином, основним методичним засобом технології як науки є

визначення найбільш істотних зв'язків між параметрами окремих