Файл: Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник.pdf

Вязкость неньютоновских жидкостей

В целлюлозно-бумажном производстве имеется ряд жидкостей, которые не подчиняются закону вязкого течения Ньютона. Такие жид­ кости называются н е н ь ю т о н о в с к и м и . К их числу относятся целлюлозная, бумажная и древесная массы, шлам, пастообразный клей и другие подобные жидкости.

В отличие от вязких жидкостей, которые на любое малое касатель­ ное напряжение реагируют сдвигом слоев, некоторые суспензии и пастообразные жидкости под влиянием касательных напряжений т, которые меньше критических напряжений т„, только изменяют свою форму, подобно пластичным телам, но не текут, поэтому указанные

ст и ч н ы м т е ч е н и е м. Пластичное течение подчиняется

уравнению, аналогичному уравнению движения вязкой жидкости Ньютона,

В соответствии с этим графиком градиент скорости или относитель­ ное перемещение слоев возникают лишь при т > т 0. При т < т 0 гра­ диент скорости равен нулю и слои движутся с одинаковой скоростью.

На рис. 1-5 слева схематически показан профиль скоростей при параллельно-струйном течении пластичной жидкости по трубе, а справа — профиль касательных напряжений. Профиль касательных напряжений здесь аналогичен соответствующему профилю при вязком течении жидкости (см. рис. 1-2), но профили скоростей у них различны. Если при вязком течении любому изменению касательного напряже­

в области касательных напряжений от х0 до Tg, где xs — касательное напряжение на стенках трубы. При т-< т0 градиент касательных на­ пряжений не вызывает градиента скорости, и в центральной части трубы жидкость движется, как правило, с постоянной скоростью. Это наиболее характерная особенность пластичного течения.

Если какую-либо точку, например А, на линии пластичной жидко­

I Гос. публичная

?научно-техническая

то тангенс угла ее наклона будет численно равен вязкости пластичной жидкости (tg a = р). Величина р будет зависеть от положения точки

с увеличением касательных напряжений возрастают градиенты ско­ ростей и вязкость снижается. Таким образом, вязкость пластичной жидкости не является постоянной величиной. Это вторая характер­ ная особенность пластичного течения.

Зависимость вязкости пластичной жидкости от характерных пара­

нают течь, как и вязкие жид­ кости, при самых малых напряжениях т. Однако пластичность псевдопластичных жидкостей с увеличением касательных напряжений нелинейно возрастает от нуля и асимптотически приближается к пла­ стичности пластичных жидкостей. К неньютоновским жидкостям относятся еще так называемые дилатантные, тиксотропные, максвел­ ловские и некоторые другие жидкости.

Поверхностное натяжение

На границе с газом молекулы жидкости взаимодействуют как с мо­ лекулами газа, так и с молекулами внутри жидкости, причем притя­ жение со стороны молекул жидкости значительно большее, чем со стороны газа. В результате возникает давление, направленное внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности и стремящееся уменьшить объем и поверхность жидкости. Совершаемая при этом работа, отне­ сенная к единице поверхности, называется поверхностным натяже­ нием и обозначается а. Размерности поверхностного натяжения в еди­ ницах СИ — [от] = [дж!м%] = [н-мім2] = [«Awl; МКГСС — [a] =

=[кгмім]] СГС— [a] = [дин/см].

Сувеличением температуры жидкости величина поверхностного натяжения уменьшается. Поверхностное натяжение растворов зависит также от содержания растворенного вещества. Величины а можно найти в физико-химических справочниках. Поверхностное натяже­

ние белых щелоков можно определить по формуле

18

где с — общее содержание Na20, г/л; t — температура.

Поверхностное натяжение сульфатного черного щелока приведено в табл. 1-2.

Та бл ица 1-2

Поверхностное натяжение сульфатного черного щелока а, дин/см

Характеристики жидкостного потока

Перемещение жидкостей производится по открытым или закрытым каналам (трубопроводам), которые могут иметь самые различные кон­ фигурации поперечного сечения, и осуществляется за счет разности уровней жидкости в начале и конце канала или за счет работы насоса.

Напорное и безнапорное движение. Движение жидкости, не имею­ щей открытой поверхности, называется напорным движением. Напор­ ные потоки иначе называют еще сплошь заполненными, так как жид­ кость в этом случае заполняет весь объем закрытого трубопровода. Примером такого потока может служить поток жидкости по трубе от насоса или напорного бака.

Деиоісение жидкости с открытой поверхностью называется безна­ порным движением. Примером таких потоков является движение жид­ кости по лоткам, каналам, рекам и т. п., которое осуществляется за счет разности уровней.

Установившееся и неустановившееся движение. Движение жидко­ сти, при котором ее скорость в любой точке занятого жидкостью про­ странства не изменяется во времени, называется установившимся или стационарным движением. Иначе говоря, это такое движение, при ко­ тором совокупность всех факторов, влияющих на скорость движения (работа насоса, температурный режим и т. п.), не изменяется во вре­ мени.

Деиоісение жидкости, при котором ее скорость во всех точках за­ нятого жидкостью пространства изменяется во времени, называется неустановившимся или нестационарным движением.

Живое сечение и смоченный периметр. Поверхность, проведенная в пределах потока жидкости нормально к направлению движения, на­ зывается поперечным или живым сечением потока. Линия, по которой живое сечение соприкасается со стенками канала, называется смочен­

ным периметром. При напорных потоках смоченный периметр совпа­ дает с периметром сечения канала.

Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр. Отношение жи­ вого сечения потока F к смоченному периметру П называется гидрав­

лическим радиусом гТ, т. е. гг= — .

Для трубы круглого сечения с диаметром сі при напорном движе­

Учетверенный гидравлический радиус называется эквивалентным диа­ метром dBKB. Таким образом, эквивалентный диаметр равен

Средняя скорость потока и расход жидкости. Количество жидкости,

проходящее через живое сечение в единицу времени, называется расхо­ дом жидкости. Расход и производительность понятия равнозначные.

Скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жид­ кости через данное живое сечение, чтобы сохранился расход, соответст­ вующий действительному распределению скоростей в живом сечении, называется средней скоростью потока. Средняя скорость потока равна частному от деления расхода Q через данное живое сечение на площадь

В случае истечения жидкости из отверстия применяется термин средняя скорость истечения или просто скорость истечения, которая определяется в сжатом сечении струи. Данные о средних скоростях приведены в «Справочнике бумажника», т. III, М., 1966, с. 616—617.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ

В движущейся реальной жидкости действуют следующие силы, отнесенные к 1 м 3потока: массовые силы или силы тяжести, завися­ щие от плотности жидкости и ускорения свободного падения; силы давления, под которым находится жидкость; силы инерции, завися­ щие от скорости движения жидкости и ее плотности; силы внутреннего трения, зависящие от вязкости жидкости и ее скорости; силы внеш­ него трения, зависящие от скорости жидкости и шероховатости тру­ бопроводов.

Наиболее важными задачами гидродинамики является определе­ ние сопротивлений, возникающих при движении жидкости по трубам и химической аппаратуре для заданных величин расхода жидкости и ее средней скорости, и скоростей истечения жидкости из сосудов при известном напоре жидкости.

Эти задачи решаются с помощью основных уравнений гидродина­ мики, которые выводятся из баланса действующих на жидкость сил.

20