ВИРТ ЛАБ 1-2


Кузьмич Василий Васильевич
Снежко Эдуард Константинович
ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО КУРСУ
«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ УПАКОВОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ»
Настоящее учебное пособие разработано на базе учебного пособия «Виртуальный лабораторный практикум по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств» авторов Г.В.Алексеева, И.И.Бриденко и Н.И.Лукина, выпущенного издательством «ЛАНЬ» (Санкт-Петербург–Москва–Краснодар) в 2011 году и предназначенного для студентов, бакалавров и магистров. Данное учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 1362002 «Организация упаковочного производства». В пособии кратко изложены основные теоретические сведения важнейших разделов курса и приведены методические рекомендации по выполнению лабораторных работ в виртуальной реализации с помощью пакета прикладных программ Adobe Flash CS3 Professional. Прилагается соответствующее программное обеспечение. Компоновка учебного пособия позволяет использовать его как студентам заочной формы обучения, так и студентам дневного отделения для индивидуальной работы. Оно может быть полезно также при дистанционной форме обучения. Пособие может быть также полезно для студентов, аспирантов и преподавателей других технологических направлений.
Минск - 2012
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторный практикум играет важную роль в процессе обучения. Следует отметить, что учебный эксперимент не ставит самоцелью получение новых результатов, а лишь выполняет экспериментальную проверку существующих законов и гипотез, что позволяет более осознанно применять эти законы для решения практических задач. В этой связи преимущества «виртуального» эксперимента перед натурными опытами становятся особенно очевидными. К ним следует отнести:
·1. Простота приобретения компьютерного оборудования.
·2. Возможность моделирования физического процесса в широком диапазоне значений исходных параметров.
·3. Независимость от типоразмера и вида приборов, измеряющих параметры процесса. Цена деления шкалы манометра, например, может быть любая, которая необходима.
·4. «Чистота» эксперимента. Применение, например, ртутных дифманометров, связано с риском для жизни при авариях в водопроводной системе.·5. Работа выполняется студентом в индивидуальном режиме, а не бригадным способом. Активная позиция студента способствует лучшему усвоению материала и получению глубоких и прочных знаний.
·6. Используются современные средства для обработки результатов
эксперимента – электронные таблицы Excel.
Особенно ценны такие преимущества для систем открытого образования, где такой эксперимент зачастую является единственно возможным.
Для выполнения лабораторных работ необходимо иметь навыки работы с компьютером на уровне пользователя.
Компьютерные лабораторные работы входят как составная часть в информационную технологию обучения
Курс «Процессы и аппараты упаковочных производств» принадлежит к общеинженерным дисциплинам. Он является завершающим в цикле общепрофессиональных дисциплин, предваряющим специальную подготовку кадров высшей квалификации для организации упаковочных производств.
Курс является теоретической основой процессов изготовления современной упаковочной техники для множества изделий пищевой, фармацевтической и других видов промышленности. По определению профессора Г. А. Кука, курс по процессам и аппаратам производств создавался для того, «чтобы процессы были с возможной полнотой уяснены и обоснованы теоретически, чтобы опытные эмпирические данные дополняли и подтверждали выводы теории». Это можно назвать одной из основных задач курса.
Характерной особенностью курса является рассмотрение теоретических основ используемых физических процессов вне зависимости от конкретного производства.
Преимуществом единого подхода к изучению основных физических процессов различных видов производств является то, что будущий инженер получает широкую общетехническую подготовку, понимание общих закономерностей физических процессов, основанное на знаниях, полученных ранее при изучении физики, математики, физической химии, теплотехники, электротехники и других фундаментальных дисциплин.
Такой подход обеспечивает формирование теоретической основы для изучения специальных дисциплин по расчету и конструированию машин и аппаратов для упаковочных производств.
Указанные особенности курса позволяют формировать как общеинженерные, так и часть специальных компетенций выпускника политехнического вуза.
В рамках сформированных компетенций после изучения курса «Процессы и аппараты упаковочных производств» студент должен знать:
теоретические основы физических процессов;
основные конструкции машин и аппаратов;
методику расчета процессов и аппаратов, основных физических процессов;
области применения конкретных машин и аппаратов и их возможности.
Студент должен уметь:
обосновать применение машин и аппаратов в разрабатываемом технологическом процессе и оценить основные технико-экономические показатели их работы;
выполнять проектные и проверочные расчеты машин и аппаратов для основных физических процессов упаковочных производств;
планировать и проводить экспериментальные исследования на экспериментальном и промышленном оборудовании.
1.1.ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
1.1.1
Демонстрационная лабораторная работа № 1
Указания к выполнению лабораторной работы
Установите на своем компьютере программный пакет "Visual Basic 6 Professianal".
Запустите программу Demo_Dav.exe. Перед Вами появится стенд виртуальной лабораторной работы. На нем расположены: резервуар с водой и воздухом; слева сосуд с водой, который может перемещаться по вертикальным направляющим; жидкостные мановакуумметры (желтая жидкость - керосин, плотность =840кг/м3, синяя жидкость - вода, плотность =1000кг/м3); механические манометр и вакуумметр; и барометр для измерения атмосферного давления.
Потяните верхний ползунок вверх. При этом давление воздуха станет больше, чем атмосферное и в приборах появится разность уровней h1 по керосину и h2 по воде.
Запишите в соответствующие текстовые поля величины h1 и h2 в метрах и манометрические давления рм=gh (для вычислений вызовите системный калькулятор).
Сравните свои вычисления с показанием механического манометра.
Вычислите абсолютное давление воздуха по формуле:рабс = рат+рм (атмосферное давление определите по барометру).
Проделайте такой же опыт с разреженным воздухом (для этого потяните вниз нижний ползунок). В этом опыте подключается вакуумметр (его показание равно h3).
1.1.2
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ
Одним из типичных гидромеханических процессов является перемешивание. Перемешивание — это процесс многократного перемещения макрообъемов текучей среды друг относительно друга во всем объеме аппарата, протекающий за счет импульса, передаваемого среде механической мешалкой, струей жидкости или газа.
Процесс перемешивания широко используется в упаковочном производстве при приготовлении суспензий, эмульсий, для интенсификации процессов нагрева и охлаждения обрабатываемых систем, а также для интенсификации процессов массообмена в перемешиваемой среде.
Наибольшее распространение в настоящее время получили механические мешалки различных типов (лопастные, пропеллерные, турбинные, якорные, шнековые). При перемешивании такими мешалками возникает сложное трехмерное движение перемешиваемой среды. Основным является тангенциальное движение, которое вызывает в объеме аппарата радиальные и аксиальные потоки. Сложный характер движения среды в аппарате не позволяет получить аналитическое описание процесса, поэтому при установившемся режиме для этого используют различные критериальные уравнения, полученные методами теории подобия.
Важной характеристикой работы любой механической мешалки является расход энергии на вращение рабочего элемента при известных размерах мешалки и заданных физических свойствах среды. Мощность, потребляемая мешалками, зависит от многих факторов. Методы и расчетные формулы, принятые в настоящее время для определения мощности, еще не могут считаться достаточно полными. Это обстоятельство обуславливает необходимость проведения экспериментальных исследований, на основе которых получают необходимые критериальные уравнения.
Процесс перемешивания с гидродинамической точки зрения может быть рассмотрен как процесс внешнего обтекания тела потоком вязкой жидкости, следовательно, можно получить общее критериальное уравнение, описывающее процесс:
Euм = f(Reм, Frм, Г1, Г2,….Гк), (1.1)
где Euм = N/ρn3d5 – критерий Эйлера для перемешивания (определяемый критерий); Reм = ρnd2/µ - критерий Рейнольдса для перемешивания (определяющий критерий); Frм = n2d/g – центробежный критерий Фруда (определяющий критерий); ρ – плотность перемешиваемой средв, кг/м3; µ - коэффициент динамической вязкости среды, Па-с; g - ускорение свободного падения, м/с2; d – диаметр рабочего элемента мешалки, м; n – частота вращения мешалки, об/с; N – мощность, потребляемая мешалкой при установившемся режиме, Вт; Г1 = H/d – симплекс геометрического подобия; Г2 = D/d - симплекс геометрического подобия; H – уровень среды в аппарате,м; D – диаметр аппарата, м.
Таким образом, обобщенная зависимость для определения мощности на валу мешалки при условии геометрического подобия будет иметь вид:
Euм = сRekмFrmм, (1.2)
где c,k,m – экспериментально определяемые величины.
В случаях, когда на поверхности среды не образуется воронка (например, при установке отражательных перегородок или при погружении рабочего элемента мешалки на достаточную глубину), влиянием силы тяжести можно пренебречь и из уравнения исключить критерий Фруда. Тогда обобщенное уравнение для определения мощности, потребляемой мешалкой, примет вид:
Euм = с*Rekм, (1.3)
Откуда N = (ρn3d5)*c*Rekм (1.4)
Лабораторная работа № 2.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА МОЩНОСТИ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ
643255-846455 Рис. 2.1
Схема установки для исследования процесса перемешивания:
■ электродвигатель; 2 — ЛАТР; 3 — ваттметр; 4 — тахометр; 5 — станина; 6 — подъемный стол; 7 — корпус мешалки; 8 — ходовой винт; 9 — рабочий элемент мешалки; 10— вал; 11 — муфта; 12 — подшипники; 13 — плита; 14 — стойки; 15 — защитный экран; 16 — кожух; 17 — отражательные перегородки.Цель работы.Изучить основные конструктивные элементы аппарата с мешалкой и измерительную схему.
Получить обобщенное критериальное уравнение, описывающее работу одного типа мешалки.
Провести расчеты мощности по полученному критериальному уравнению и сравнить их с измеренными.
Описание установки.Схема установки для исследования процесса перемешивания приведена на рис. 2.1. Мешалка приводится в действие электродвигателем, изменение частот вращения которого осуществляется путем изменения напряжения питания с помощью линейного автотрансформатора (ЛАТР). Мощность, потребляемая электродвигателем, измеряется с помощью ваттметра.
Измеряют частоту вращения вала мешалки с помощью тахометра, который при измерениях устанавливается на торец вала электродвигателя и удерживается рукой. При измерениях к тахометру не прикладывается осевого усилия, так как в противном случае это может привести к искажению результатов измерения. На станине установлен подъемный стол, на котором закрепляется корпус мешалки. С помощью винта корпус мешалки может быть установлен на различном уровне по высоте относительно рабочего элемента. Уровень жидкости в корпусе мешалки Н, а также расстояние от нижней кромки лопасти до дна корпуса определяют по шкале, нанесенной на боковой поверхности корпуса. Сменные рабочие элементы мешалки крепятся к валу, который через муфту соединен с электродвигателем. Вал вращается в подшипниках, установленных в плите, которая стойками соединена со станиной. К плите крепится защитный экран, а также кожух с электродвигателем.
Методика проведения работы.
1. Перед пуском установки следует ознакомиться с содержанием работы и устройством установки.
2. Сначала необходимо включить и подготовить к работе систему измерения мощности (включить питание).
3. Регулятор напряжения питания электродвигателя установить на ноль.
4. В соответствии с заданием заполнить таблицу исходных данных
(табл. 2.1). Необходимые геометрические размеры измерять штангенциркулем.
5. В соответствии с заданием закрепить рабочий элемент мешалки заданного типа и размера на валу, установить корпус мешалки указанного типа на подъемном столе. Включить питание электродвигателя.
6. Провести рандомизацию опытов (табл. 2.2).
Для компенсации в известной степени систематической погрешности, а также для того, чтобы избежать некоторой неслучайной связи между результатами замеров в опытах, используется прием, называемый рандомизацией. Он заключается в том, что опыты проводятся в случайной последовательности, которая устанавливается с помощью таблицы случайных чисел. Для рандомизации из таблицы случайных чисел из любого столбца или строки выбирается последовательность случайных чисел и записывается в соответствующий столбец табл. 2.2. Замеры проводятся в порядке возрастания или убывания случайных чисел.
7. Произвести замеры потребляемой мощности на холостом ходу при заданных частотах вращения мешалки и заполнить табл. 2.2. Измерения проводить не менее трех раз, каждый раз последовательно изменяя частоту вращения.
Т а б л и ц а 2.1
Показатель Обозначение Единица измерения Значение
Диаметр мешалки d м Диаметр корпуса мешалки D м Высота слоя среды Н м Ширина лопасти Ъ м Перегородки у корпуса z штГлубина погружения рабочего элемента h м Температура среды t °с Плотность среды ρ кг/м3 Коэффициент динамической вязкости среды µ Н-с/м2Тип мешалки — — Исследуемая среда — — 8. Залить в корпус мешалки заданный объем исследуемой системы и замерить ее температуру. С помощью ходового винта установить заданную глубину погружения рабочего элемента мешалки в жидкость.
Таблица 2.2
№ опыта Мощность, ВтЧастота вращения, об/мин Среднее значение п, об/мин Рандомизация
1 2 3 Случайное число Последовательность замера
1 N1 n11 n12 n13. n1 70 7
2 N2 n21 n22 n23 n2 69 6
3 N3 n3 7 1
4 N4 34 2
5 N5 59 4
6 N6 61 5
7 N7 46 3
8 N8 n81 n82 n83 n8 75 8
9. В условиях установившегося режима работы мешалки провести замеры частоты вращения мешалки при заданных значениях мощности. Для получения надежных результатов провести не менее трех серий измерений, каждый раз, последовательно изменяя частоту вращения. Результаты измерений занести в табл. 2.2.
10. После окончания измерений вывести регулятор напряжения на ноль и выключить питание электродвигателя, выключить систему измерения мощности мешалки, опустить подъемный стол, снять корпус мешалки, слить исследуемую жидкость в сборник и промыть корпус, снять мешалку.
Обработка опытных данных и составление отчета.
1. Прежде чем перейти к обработке экспериментальных данных, необходимо убедиться, что результаты измерений воспроизводимы, т. е. установить, не было ли на них влияния неучтенных величин. С этой целью следует обработать данные параллельных опытов по измерению частоты вращения на основе экспериментально-статистических методов исследования. Для этого необходимо записать измерения частоты вращения в табл. 2.3.
Та б л и ц а 2.3
№ опыта Частота вращения Среднее значение п, об/мин Дисперсия, Sj1 2 3 1 n11 n12 n13 n1 S21
2 n21 n22 n23 n2 S22
j nj1 nj2 nj3 njS2j
8 n81 n82 n83 n8 S28
Таким образом, проведено е серий параллельных опытов (е = 8), включающих U измерений частоты вращения (U= 3).
Для каждой серии параллельных опытов вычислить среднее арифметическое значение измеренной частоты вращения:
nj-=1Ui=1Unjij=1,2,…..,e;i=1,2,…..,U.Затем для каждой серии вычислить оценку дисперсии:
Sj2=1(U-1)i=1U(nji-nj)2 Для проверки воспроизводимости опытов найти критерий Кохрена как отношение наибольшей из оценок дисперсий к сумме всех оценок дисперсий:
Gp=maxS2/i=1eSj2Значения критерия Кохрена GT приведены в табл. 2.4. Они соответствуют доверительной вероятности (Р = 0,95), с которой принимается гипотеза о воспроизводимости опытов.
Значения GT определить, исходя из числа степени свободы
f2 = e и f1 = (U - 1) по табл. 2.4.
Если выполняется условие GT ≥ Gp, то опыты считаются воспроизводимыми. В этом случае можно рассчитать генеральную дисперсию воспроизводимости:
Sвоспр2=ϓ=1eSj/e Если опыты невоспроизводимы, то можно попытаться достигнуть воспроизводимости выявлением и устранением источников нестабильности эксперимента, а также использованием более точных методов и средств.
Таблица 2.4
Значения критерия Кохрена GT
Степень Степень свободы f\-U - 1 свободы /2 = в 1 2 3 4 5 6
2 0,9985 0,9750 0,9392 0,9057 0,8584 0,8534
3 0,9669 0,8709 0,7977 0,7457 0,7071 0,6771
4 0,9065 0,7679 0,6841 0,6287 0,5895 0,5598
5 0,8412 0,6838 0,5981 0,5440 0,5063 0,4783
6 0,7808 0,6161 0,5321 0,4803 0,4447 0,4184
7 0,7271 0,5612 0,4800 0,4307 0,3907 0,3726
8 0,6798 0,5157 0,4377 0,3910 0,3595 0,3362
9 0,6385 0,4775 0,4027 0,3584 0,3286 0,3067

В общем случае рассмотренная методика оценки воспроизводимости опыта имеет универсальный характер и может быть использована при любых экспериментальных исследованиях. При этом минимальные значения величин е и U берутся от 2 до 4.
По данным экспериментов построить график зависимости мощности холостого хода Nx от частоты вращения мешалки: Nx = f(n).
Рассчитать полезную мощность, потребляемую мешалкой при перемешивании жидкости по заданной частоте вращения рабочего элемента (см. табл. 2.3). Nx определить из графика
N = Np- Nx.
Для каждого опыта рассчитать по формуле (1.3) значения критериев Еим и ReM.
На основании вычисленных значений Еим и ReM построить график зависимости lgEuM от lgReM и определить значение величин С и К, входящих в критериальное уравнение (1.3). Прологарифмировав уравнение (1.3), получить уравнение прямой линии в логарифмических координатах:
lg(EuM)=Кlg(ReM)+lg(C).(2.1)

Рис. 2.2
Зависимость lgEuM = /(lgReM)
Показатель степени определяется как тангенс угла наклона φ к оси абсцисс (рис. 2.2). Так как угол находится во второй четверти, то тангенс этого угла — отрицательная величина, а следовательно, и К — отрицательная величина.
Постоянная С находится как отрезок, отсекаемый прямой на оси координат, или из уравнения (2.1) при известном К. Если С определяется с помощью уравнения (2.1), то необходимо рассчитать 3-5 значений С и найти среднее.

lgEuMПримечание. При построении графика по рис. 2.2 необходимо выполнить следующие условия: 1) оси координат должны начинаться от нуля; 2) масштабы по осям должны быть одинаковые
Таблица 2.5
№ опыта Частота вращения п, об/с Мощность холостого
хода Nx, Вт Потребляемая мощность N, Вт
1
2
3 № опыта Eu м lgEuм Rем lgReм N рас, Вт∆
1
2
3 Данные расчетов внести в отчетную табл. 2.5.
Записать полученное критериальное уравнение, подставив в него экспериментально определенные величины С и К. Рассчитать по формуле (1.15) мощность, потребляемую мешалкой при заданной частоте вращения, и сравнить с экспериментально полученными значениями (табл. 2.5).
Оценить адекватность полученного критериального уравнения. Рассчитать отношение, которое позволит оценить погрешность полученного критериального уравнения в %:
∆ = ((Nрас – N) / Nрас)100 (%)
Построить корреляционный график зависимости Vpac == f(N).Правила и порядок выполнения виртуальной работы.Виртуальная установка по воспроизведению процесса перемешивания и определению расхода мощности включает сосуд с водой, электродвигатель с мешалкой, укрепленной на валу, линейный автотрансформатор с возможностью регулировать напряжение, подаваемое на электродвигатель, измеритель мощности потребляемого при этом тока и тахометр для измерения числа оборотов вала двигателя (рис. 2.3).
Сосуд имеет четыре перегородки для локализации возмущений и предотвращения возможности образования воронки. Двигатель и тахометр установлены на штативах и при помощи специальных ручек могут перемещаться по вертикали.Кроме того, виртуальная работа содержит две измерительные линии по оси X и по оси У, при помощи которых можно проводить измерение размеров высоты погружения двигателя с мешалкой в сосуд, размеров сосуда и мешалки. Для перемещения линий достаточно поместить курсор в область красного круга и, нажимая при этом левую кнопку мыши, перемещать ее в нужном направлении. Таким же образом можно перемещать двигатель по штативу и тахометр.
Y, (мм); О
215265381000

Y, (мм); О
Y, (мм); О
Рис. 2.3
Виртуальная установка для перемешивания
Начинать выполнение работы следует с наведения курсора на сетевой выключатель «Вкл» JIATPa. При этом в центре экрана появится панель с данными, которые необходимо переписать в табл. 2.2 и 2.3 соответственно (см. рис. 2.4). Не включая двигатель, провести геометрические обмеры сосуда и мешалки и занести данные в табл. 2.5. После включения JIATPa измерение по оси X будет заблокировано, так как ширину лопасти мешалки при ее вращении без погрешности измерить уже невозможно.
Далее можно включить ЛАТР и при помощи ползунка регулировать подаваемое на двигатель напряжение. Обратите внимание, что ваттметр имеет 150 делений, но измеряемая максимальная мощность при этом составит 75 Вт, следовательно, необходимо определить цену деления ваттметра.
Для измерения мощности холостого хода следует переместить двигатель вверх, так чтобы рабочий элемент мешалки оказался над водой. Измерение частоты вращения провести в нескольких точках диапазона потребления (не менее 8), например от 5 до 45 Вт с шагом 5 Вт. Результаты измерений занести в табл. 2.6. Частоту вращения необходимо измерять тахометром, для чего достаточно поместить курсор в красную область круглой ручки тахометра и, нажимая -
215265381000Рис. 2.4 Панель с данными
левую кнопку мыши, перемещать ее вниз до соприкосновения нижней части оси тахометра с осью двигателя. При этом на табло тахометра будет отражаться число его оборотов (рис. 2.5).
Последовательность измерений определяется рядом ранее полученных случайных чисел, например, по возрастанию их значений, а измерение частоты вращения должно проводиться не менее трех раз и усредняться. Далее по данным табл. 2.5 можно будет построить график зависимости мощности холостого хода Nx от частоты вращения мешалки.
Следующий этап выполнения виртуальной работы — это измерение расхода мощности при перемешивании жидкости. Для проведения эксперимента следует опустить двигатель с мешалкой на заданную преподавателем глубину h, например 65 мм.
Далее следует повторить серию измерений так же, как при измерении мощности холостого хода и добавить еще8 пунктов в табл. 2.5 в той же последовательности (в соответствии с теми же случайными числами), но другими значениями потребляемой мощности, например от 25 до 60 Вт с шагом 5 Вт (задает преподаватель).
Заполнив табл. 2.5, можно переходить к анализу воспроизводимости результатов измерений, для этого необходимо переписать измеренные частоты вращения в табл. 2.6 и рассчитать генеральную дисперсию воспроизводимости.
Затем следует выполнить расчеты по п. 2-7 (раздел «Обработка данных и составление отчета»).
-3810381000Рис. 2.5 Измерение частоты вращения вала мешалки тахометром.

Приложенные файлы

  • docx 11316177
    Размер файла: 358 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий