1 UNIVERSITATEA MARITIM CONSTANA Lucrari de laborator DINAMICA FLUIDELOR POLIFAZICE POLUANTE CONSTANA2011 2 LUCRARE DE LABORATOR NR.1 1. Msurri n dinamica fluidelor polifazice Cercetrileexperimentalesistematice,delaborator(pemodel)inna-tur(peprototipsauinstalaiipilotindustriale)permitcunoatereandetaliua fenomenelorcomplexecaresepetrecninstalaiilehidropneumatice,deter-minareainterdependeneiparametrilorfuncionali,precizareaformelorhidro-dinamice optime din punctul de vedere al randamentului i al eficientei, precum irealizareaunoreconomiiimportantenexploatareamainilor.Problema tehnicuzualntlnitesteaceeaadeterminriicaracteristicilorgeometricei energeticealeuneiinstalaiidetransportnscopulrealizriiunorcosturide exploatare reduse. O instalaie experimental de transport hidrualic sau pneumatic respect organizareastructuralaprototipuluifiindalctuitdinsistemuldecrearea presiunii fluidului (aer sau ap), dispozitivul de alimentare cu material, conducta detransportisistemuldeseparareafazelorconstituente.Pentruefectuarea msurtorilorseprevdaparateidispozitivedemsurpentrupresiune, concentraiaamesteculuibifazic,debituldefluid(degreutatesaudevolum), vitezafluiduluindiversepuncteetc.Determinareaacestormrimisefacatt cuprocedeeclasicectimodernecadeexemplufotografia,filmareasau folosirea izotopilor radioactivi. 1.1. Msurarea vscozitii Vscozitatea,denumitimpropriuifrecareainternafluidelor,este proprietatea acestora de a prezenta tensiuni interne tangeniale la suprafaa de separaie dintre dou particule fluide n micare relativ una fa de alta. Pentru determinareacoeficientuluidevscozitatedinamicq )[N-s/m2]existn literaturadespecialitatemaimulteprocedeeiinstrumentebazatefiepe apreciereaforelordevscozitate,fiepetimpulnecesarcurgeriiuneianumite cantiti de fluid printr-un orificiu calibrat. n practic exist foarte multe aparate demsurpentruvscozitateiproprietatereologicdincarencelece urmeaz se prezintnumai dou. 1.1.1. Vscozimetre cu corp rotitor Micareafluidelorprintr-unspaiuinelardintredoicilindriconcentrici coaxialiesteunexempludecurgerevscoasturbulent,staionarafr gradientdepresiunepedireciacurgeriiprincipale.nregimulpermanent valorileprincipalealevariabilelorcurgeriidepindnumaidedistanapunctului fat de axa de rotaie i de energia micrii turbulente. MicareageneralserealizeazntredoicilindriconcentriciderazeR1 iR1,R2, 2 1R R < cusuprafeelelateralelustruite,careserotesccuvitezele perifericeu1 i u2. Cilindrii sunt presupui a fi teoretic infinii, astfel nct s nu apar efectul lungimii finite a suprafeei cilindrice i curgerea s fie omogen i identicntoateplaneletransversale,normalelaaxacilindrului.ntreceidoi cilindri se gsete fluidul care trebuie cercetat (metoda Couette). 3 Cilindrulrotitorpoatefipusnmicarecuturaiidiferiteideciaparatul poatedeterminacomportareafluidelorladiverseeforturideforfecare.De asemenea,momentuldetorsiuneaplicatcilindruluirotitorpoateficonstantn timp(efortultangenialdeforfecareconstant)ideciaparatulpoateservila cercetarea proprietilor reologice care variaz n timp (tixotropie, reopexie). Daccilindrulinteriorserotetecuvitezunghiulare =constant,iar celexteriorestefixvitezaunghiularlarazar,oarecarenfluid,este ( ) 02 1= = = =r r rR r R r e e e e , , .Gradientuldevitezlarazar este dr rd dr dv / / e = ,iarefortultangenial l r M22t t / = ,ncareMeste momentul aplicat cilindrului interior de lungime l. Din cele dou relaii de mai sus, pe baza expresiei lui Newtondr dv / q t = rezult( ) ttt edf dr21= , ecuaia diferenial care, prin integrare, conduce la calculul vitezei unghiulare ( ) tttett odfii}=221,ncare, / /e iR R t t o = =22212iar( ) dr dv f / = t (ecuaiade curgere). Corelaiadintrevitezaunghiulare iefortult sedetermin experimental din diagrama de eforturi (fig. 1). Fig. 1 Corelaia dintre efortul ti viteza unghiulare . n ipoteza c numai unul dintre cilindri este rotitorfluidul din vecintatea lui va fi antrenat prin adeziune, iar celelalte straturi inelare, concentrice, datorit forelor de vscozitate. n regim staionar, la echilibru, ntregul fluid sau amestec polifazic se rotete cu o vitez unghiular constante . Condiiacaunstratcilindric,inelar,defluid,srmnnmicare uniform este ca momentul motor - aplicat din exterior - s fie egal cu momentul rezistent - generat prin forele de vscozitate.4 Momentul rezistent este dat de expresia u K uR RR Rl M q q t =+=222122214 (1) n care / este lungimea cilindrului de raz R2 cure serotete cu vitezau, iar K este constant a aparatului. Momentulmotorsedeterminprinmsurareaunghiuluidetorsiunecu careestedeviatcilindrulrotitordinpoziiasainiial.Dinegalareacelordou cupluri rezult viscozitatea dinamic q . nfigura2seprezintvscozimetrulrotaionaldetipSearlelacare cilindrulmobilestepusnmicarederotaiedatoritunuicupluconstant generat de dou fore G egale. Aparatuleste dotat cu numrtor de turai deci sepoatedeterminatimpultnecesarfiecreirotaiicomplete.Vscozitatea dinamic este dat de relaia 2122212228 R RR RhMt =tq (2) Fig. 2. Vscozimetru rotaional:1 - cilindru exterior fix; 2 - cilindru interior rotitor;3-axulcilindruluimobil;4-pivotsuperior;5-pivotinferior;6-suportul aparatului. ncareMestecuplulaplicatdinexterior,iarhadncimeadescufundarea cilindrului mobil. Aparatul este dotat cu un fund fals, executat dintr-o plac cu orificii care asigurcondiiipracticconstantefiecreideterminriefectuateladiverse nlimihalecoloaneidelichid.Coreciapentruefectuldefundsedetermin prin dou iruri de experimentri. 5 n cazulnmolurilor, introduse n vscozimetrul rotaional, apare un strat da aplimpedenzonaadiacentcilindrului rotitorcarereduce efectul forelor tangeniale.nacestcazutilizareavscozimetruluirotaionalconducelaerori mari i se recomand folosirea vscozimetrelor cu tub capilar. 1.1.2. Vscozimetre cu tub capilar Cel mai simplu vscozimetru cu tub capilar este cel conceput de Ostwald (celelalte deriv din acest tip de baz). Aparatul (fig. 3) este conceput sub forma unui tub U cu ramuri inegale ca diametru, executat din sticl inelar rezistent la oc termic. Diametrul tubului capilar este standardizat la 0,4; 0,5; 0,7; 1,2 i 1,5 mm cu o eroare demm 1 0, , iar lungimea acestuia de circa 100 mm. Se umple bula rezervor (7) cu o cantitate cunoscut i precis determinat defluid.Seaspirfluiduldinrezervorul(7),prinracordareauneiperedin cauciuc la ramura (1), pn cnd lichidul ajunge cu meniscul tangent la reperul superior(4).Selasliberlichidulssescurgntreceledoureperedepe tubul capilar, cronometrndu-se timpul necesar. Vscozitatea lichidului cercetat este dat de relaia e e x x e xt t q q / = (3) Fig.3.Vscozimetrucutub capilar Ostwald:1-tubdeprelungireabulei rezervor;2-orificiucalibratla minimum 1,5 mm; 3 - rezervor; 4 - reper circular; 5 - tub capilar; 6 - poriunea curbat a tubului U ;7-rezervor;8-ramuramai larg a tubului. Fig.4 Vscozimetru cu tub caplilar: 1 rezervor de fluid; 2 vas de termostratare; 3dopdeumplereetan;4reductorde presiune;5manometru;6termometru central;7orificiucapilarcalibrat;8robinet golire; 9 rezisten pentru termostare. 6 ncare x x x t q,, i e e e t q , , ,reprezintvscozitateadinamic,timpulde scurgere i densitatea fluidului studiat (indicele x) respectiv ale lichidului etalon (indicele e). Pentruasigurareareproductibililiidatelor,precumiaprecizieide msurare,aparatultrebuiedotatcudispozitivdetermostratareicudispozitiv care asigur stricta verticalitate. Figura .4 prezint un alt tip de vscozimetru cu capilar dotat cu dispozitiv de termostatare exterior rezervorului de lucru. Rezervorul cu lichidul de cercetat seracordeazlaoinstalaiecugazinertcomprimatcareasigurtottimpul experimentriiopresiunedelucruconstant.Vscozitateasedeterminprin valoareaeirelativnraportcuaceeaiproprietatecunoscutaunuilichid etalon. 7 LUCRARE DE LABORATOR NR.2 2. Msurarea debitului fluidelor bifazice 2.1. Dispozitiv cu strangulare lateral Pentru a permite traversarea simultan a fazelor solide i a celor uoare (flotani, gaze, nmol etc), se execut ostrangulare pe lateral (fig. 5) care las liber partea inferioar i superioar a conductei. Fig. 1. Diafragm pentru fluide polifazate ; a) seciune n plan orizontal;b) seciune transversal. Strangulareasepoateexecutacusuprafeecilindricecareaudrept curbdirectoarearculdecerc.Sepotutilizabucideconductedediametru dorit,caresegsescgatafasonate,ngeneralpreferndu-sebucidin conducta respectiv. Debitul care parcurge instrumentul este dat de expresia ,opg mA QA= 224|.|

\|=Damt(1) undep A este pierderea de presiune creat de dispozitiv, iar coeficientuloare valori n funcie de raportulD a/ . Pentru cazul particularD a/ = 0,50 coeficientul dedebiteste= o 0,60658.Influenafazelordisperseducelaconcluziac prizele de presiune trebuie s fie amplasate n planul diametral orizontal. 2.2. Debitmetru de tip Venturi pentru suspensii V.Carlson(1948)nAngliaiP.Antikaian(1956)nU.R.S.S.au imaginatundispozitivdetipVenturipentrudeterminareadebituluidematerial solidtransportat.Debitmetrul(fig.6),secompunedintr-untubVenturicu robinete de purjare i dispozitiv cu plac i marc tensometric.Etalonarea dispozitivului se face prin comparaie cu un debitmetru pentru fluidicudeterminareagreutiidematerialtransportatprincntrire.n exploatarecitirilesefacsimultanattlatubulVenturictilamarca tensometricalecreiindicaiisuntproporionalecudebituldematerialsolid transportat care creeaz impactul; valorile debitului de material solid transportat secitescpediagramadeetalonare(fig..6).Dispozitivulsepoateutilizapentru 8 conductecudiametrulntre20....100mm,peverticalsauorizontal,pentru particule cu diametrul de circa 200m , la concentraii ale amestecului de 0,5... 1,4.Preciziadeterminrilorexperimentaleestedeordinula5%;pentru reelele industriale cu diametrul de 350...500 mm apar erori mari. Fig2.DebitmetrudetipVenturipentrususpensii:a)schemadispozitivului;b) curbedeetalonare;1-conductadetransport;2-tubulVenturi;3-orificii;4- robinetdepurjare;5-placdeimpact;6-dispozitivdecalibrare;7-marc tensometric; 8 - buc izolatoare. 2.3. Debitmetrul optic Debitmetruloptic,construitdePeskin,secompunedindoufireoptice dinsticlcudiametrulde0,2mm,amplasatencurentulfluidlaodistande 0,3mm.Trecereaparticulelorsolide,antrenatedecurentulfluid,printre marginilefibreloropticeprovoacapariiaunuisemnaldeatenuarealuminii care este amplificat de un fotoamplificator. n ipoteza unei distribuii constante a concentraieipeseciuneatransversaledecurgeresemnalulesteproporional cudebiluldematerialsolid.Prinetalonareadispozitivuluisepoatedetermina direct, pentru valoarea unui semnal, debitul de material solid. 2.4. Determinarea debitului hidromasei cu ajutorul coturilor Utilizareadebitmetrelorprezentate,nspecialninstalaiileindustriale, estedificildeoareceauoconstruciecomplicatioexploataregreoaie. Pentruaeliminaacestedezavantajeserecomanddeterminareadebituluicu ajutorulrezistenelorlocale.Pentruaceastasepotutilizacoturileexistenten instalaiadehidrotransport,chiardacacesteasuntexecutatedinelemente sudate.Pentrudeterminareapierderilordesarcinsepotfolosidouscheme deconectare(fig.7),fieprinracordareamanometruluinamonteinavalde cot,fieprinmsurareadifereneidepresiunentredoupunctesituatepe bisectoarea unghiului cotului. n acest ultim caz (fig.7,b) pierderea de presiune apare ca urmare a aciunii forei centrifuge, ceea ce provoac o neuniformitate a distribuiei de viteze i reducerea preciziei. n figura 7,c se prezint corelaia( ) h f Q A = pentru dou coturi de conducte cu diametrele de 100 mm i 20 mm. 9 Fig. 3. Determinarea debitului prin msurarea rezistenei locale la un cot de conduct:a)schemadeconectareamanometruluintredoupuncteamontei avaldecot;b)schemadeconectareamanometruluintredoupunctesituatepe bisectoareaunghiuluicotului;c)curbele( ) h Q pentrudoucoturide100i200mm (hidroamestec, o ap curat). Tratareacotului,cadispozitivdemsuradebituluisefacepeap curat,introducndu-seulteriorcoreciaprinraportulgreutilorspecifice amestecului i apei. Momentuldiferenialseracordeazlaprizeledepresiunestaticdepe conduct prin intermediul unor recipiente cuperete vitrat tampon prevzute cu pern de aer (fig. 8). n acest mod se evit colmatarea momentului diferenial. Fig.4. Recipient tampon cu pern.de aer: 1 - pahar din sticl; 2 - capac; 3 - garnitur de etanare; 4 uruburi de strngere; 5 tu. 10 LUCRARE LABORATOR NR.3 1. Msurarea densitii i concentraiei amestecului bifazic Determinareadensitiiicontrolulconcentraieiamesteculuibifazien instalaiiledetransportprezintodeosebitimportanpentrucorelarea acestora cu parametrii hidraulici sau pneumatici ai curgerii. Densitatea total a amestecului bifazie este dat de relaia ( )sC C n + =1 n care se cunosc s i (se pot determina sau se gsesc n tabelele generale de constante fizice). Rmn ca necunoscute concentraia C i densitatean a amestecului care se pot determina una n funcie de cealalt. Pentru determinarea numrului de particule n sistemele solid - fluid sau a numrului de bule n sistemele gaz - lichid exist o mulime de aparate, care constauprincipialdintr-osursdeenergieiundetector.Particulelecetrec printre cele dou dispozitive absorb parial sau integral energia provocnd astfel apariia unui semnal care este interpretat i msurat. 1.1. Metoda prelevrii probelor Determinareaconcentraieisepoatefaceprinrecoltaredeprobecu ajutorulunuitubintrodusncurent(fig.1).Probaextrasntr-unvasse analizeaz n laborator prin mijloacele clasice de separare i cntrire. Metoda de transvazare a probei de suspensie din acel punct este simpl, discontinu i creeaz dou surse posibile de erori, care se adaug la erorile msurtorilor de greutate i volum. Se consider cazul suspensiei care parcurge n sus conducta i intr n tubulderecoltare;vitezafluiduluiestee ,vitezarelativdesedimentarea particulelor n raport cu fluidul n micare se , i concentraia local C.ntimpult A ,prinseciuneatransversalA,intrnprobunvolumde fluidt AA e , iar volumul de particule solide care ptrunde n acelai interval de timp este( ) t ACsA e e . Astfel, concentraia probei extrase este mai mic dect concentraialocaldinconductcu factorul( ) e e e /s .Adouasurs posibil de erori este aceea c suspensia care ptrunde n proba, la o vitez mai mare dectviteza.localafluiduluineperturbat,provinedintr-osuprafamaimare dectceaegalcuariaseciuniitransversaletubuluiderecoltare.Pentrua reduceaceste eroriseintroduce un tubPilotcare permite msurareavitezelor locale ale fluidului la fiecare punct de recoltare a probei. Determinrile se fac n imediataapropiereapunctuluiderecolltareprecizndu-seastfelcoreciace trebuie aplicat la concentraia local permanent. 11 Fig. 1 Priz pentru recoltarea probelor 1.2. Metoda optic Metoda optic a fost folosit iniial de Yasui (1958). Dispozitivul optic( fig. 2 ) se compune dintr-o surs de lumin 1 concentrat prin intermediul unui colimator 2 i dirijat prn tubul optic vertical 3. La trecerea particulei solide sau abuleidegazsentreruperazadelumin,parialsautotal,ntreceledoutuburi optice. Astfel apare un semnal optic care este nregistrat de un detector saupeunecran.nregistrareacontinuasemnaluluiopticindiccuprecizie numrul bulelor au particulelor de prob. Metoda d un rspuns de tipul DA sau NUlantrebareadacnpunctulrespectivexistsaunuparticulesolide permind astfel numrarea acestora. Fig. 2. Dispozitiv optic determinarea concentraiei: 1 surs de lumin;2- colimator; 3 tub optic; 4 prism; 5 ecran sau detector. 2. Metoda electrostatic MetodaelectrostaticafostfolositpentruprimadatdeLanneau. Dispozitivulnesenuncondensator,secompunedindouplcimetalice conectatenexteriorlaosursdetensiuneconvenabil.Capacitatea condensatoruluiestedependentdeproprietiledielectricealemediuluifluid deciestefunciedeconcentraiaparticulelorsolidensuspensie.Sistemul 12 msoar concentraia n mod continuu . Condensatorulpoateficonstruitsubformaadouplciplanefasonate dup conduct sau sub forma unui cilindru exterior conductei i un fir central n interior.nprimulcazspaiuldeizolaredintreplcitrebuiesfiemicpentru mrirea preciziei de msurare. n cel de al doilea caz precizia de msurare este mult mai ridicat dect n situaia condensatorului plan, dar apare dezavantajul cfirulcentralpoatefideformatiuniformitateacmpuluielectrostatic perturbat. 2.1. Metoda transferului de cldur AplicatpentruprimadatdeMarshekiGomezplataarelabaz principiulanemometruluicufircald.Elementulsensibilconstdintr-un. conductorelectricnclzitlacareraportuldintreputereadenclzirei temperaturesteproporionalcucoeficientuldetransfer.Acestcoeficientse modificnstrnsdependencudebituldeparticulenmicareadin vecintatea elementului sensibil. 2.2. Metoda investigrii cu radiaie X MetodainvestigriicuradiaiiXafostaplicatpentruprimadatde RomeroiSmithpentrustudiulsistemelorcupatfluidizat.Pentrugrosimiale patuluifluidizatdeordinula200....300mmsepoateutilizaundispozitivde msur prezentat n figura 3. Radiaia X are o mare putere de ptrundere i Fig. 3. Dispozitiv cu radiaie X pentru determinarea concentraiei: 1 - surs;2 - colimator; 3 - pat fluidizat; 4 - detector i amplificator; 5 - ecran sau aparat fotografic. permite obinerea unui rspuns ntr-un interval de timp foarte scurt, de ordinul a 210s,sausuficientdescurtastfelnctparticulasnu-ischimbepoziia. Instalaianecesituncurentanodicdecirca300mAapropiatdelimita medical. Se poate folosi aadar aparatura medical cu 120 kV, la 1... 100 Hz pentru 0,05 s. n acest caz radiaia gamma nu poate fi utilizat deoarece este imposibil de realizat intensitatea necesar procesului. MetodadeinvestigarecuradiaieXncazulpatuluifluidizatpermite identificareaparticulelor(bulelor),estimareadimensiunii,vitezeiianumrului lor . 2.3. Metoda rezistenei la naintare Fora de rezistan la naintare a unei pari solide este dat de relaia ( )22s RRv v CF=(1) 13 variabilpentrususpensiideconcentraieredus,undecoeficientulde rezistenlanaintarendomeniullegiiluiStokesiNewtonestedatde expresia 313 0 16 3 24,Re , Re + =nCpentru numere Reynolds . WenYuaartatcforacareacioneazasuprauneiparticulentr-o suspensie de concentraie oarecare este dependent de aceasta, fiind mult mai maredectncazuluneigranuleizolate.Coeficientulderezistenlanaintare n cazul amestecului estedat de relaia lui Wen Yu. ()7 4, = =cRR RomC C f C C (2) unde 0 1 6 0 , ..... , = ceste fracia de goluri sau porozitatea suspensiei. Se noteaz cu dGs greutatea particulelor solide n conducta de transport cu lungime dL. Numrul de particule solide N este dat de relaia ( )633dgdGNst = (3) n care sGs svdLQ dG = (4) unde GsQ estedebituldegreutate.Prinnlocuireaexprese(8)n(7)rezult numrul de particule ( )s sGsvdgdL QN63t = .(5) ConcentraiaCaamesteculuibifazicnconductadelungimedLse obine din relaia: ( )s sGsv D gQdLDdNdL DC2 23 24146t tt t =||.|

\|||.|

\|= . (6) Fora total de rezisten pentruN particule n poriunea dL a conductei detransportseobineprinnsumareaderezistenpentrufiecaregranul individual. Aadar, din relaiile (7) i (9) rezult ( )( )( )( )7 42222414324, (((

==s sGss ss GsRsRom RTv DQg dvdL v v QCN v vdC Ft t.(7) Pierderea de presiune cauzat de rezistena particulei n gaz rezult din expresia 14 dLdFdLdpR R=sau( )( ) ( )7 42 22413, (((

=s sGss ss Gs R Rv DQg D dvv v Q CdLdp t .(8) Dac se introduce concentraia amestecului bifazic, definit prin relaia g v DQCGs t24= , expresia (12) devine ( )7 42241 3, ((

= sssRRCCdv vCdLdp.(9) ncondiiinormaledecurgerepierdereadepresiunetotalreprezint suma. termenilorcorespunztori deplasrii fluidului curat i datorit rezisteneiRp A . Fig. 4. Dispozitiv de msur a forei de rezisten local: 1 - conduct detransport; 2 - tub de dirijare; 3 - plac de impact; 4 - tij calibrat; 5 - marc tensometric; 6 - buc izolatoare; 7 - colector de particule; 8 - conduct de dirijare a particulelor. Pentru determinarea forei de rezisten total se folosete un dispozitiv reprezentat schematic n figura 4, construit de Gota i: Iinoya. Instalaia, pentru oconcentraiemicimedie,determinattnumrultotaldeparticuleprin nsumarea impacturilor ct i fora de rezisten la naintare cu ajutorul unei tije calibrate i al unei mrci tensometrice. Dup. impact particula solid, pierzindu-ienergia,cadencolectorulinferiordeundeestereantrenatnmicare datorit diferenei de presiune static. Totodat pe instalaie se poate determina cderea de presiunepe tronsonul de lungimedL n care se face determinarea experimental. MsurtorilefcutedeRichardsoniMcLemanauartatconcordana relaiilor prezentate mai sus cu realitatea fizic . 2.4 Metoda clasic bazat pe principiul blocrii Viteza medie a particulei solide, ca o component a amestecului bifazic,. poateficalculatprinraportareadebituluisolidlaariaseciuniitransversalea conducteidetransport.Aadar,dacseconsiderdebitulngreutateGsQ i densitatea fazei solide s , viteza materialului este dat de expresia A C Q vsGs s / = .(10) 15 Metodatehnicarelabazprincipiulcntririifluiduluibifaziccuprins ntr-o poriune de conduct de transport prin nchiderea simultan a seciunilor transversaledecurgeredelacapeteletronsonuluidemsur.Cantitatea masic q, cuprins n volumul blocat, conduce la determinarea concentraiei pe baza formulei lAqcs = (11) unde l este distana dintre cele dou seciuni transversale. Fig. 5. Schema dispozitivului de blocare pentru determinarea concentraiei:1 clapete; 2 resort; 3- bar de rezisten. Elementulfundamentalaldispozitivuluideblocareestemecanismulcu zvornecesarseparriivolumuluidecontrol(fig.5).Sistemuldeblocareeste construitdinbarasuperioarderezisten3,carecomandnchiderea clapetelor de la captul tronsonului de comand. Mecanismul de .acionare este cucomandmanual,baratransversal3fiindmeninutnpoziiadeschis datoritarculuisuperior2.Dispozitivulpoatefiechipatcudourobinetecu clapet,cunchidererapid,comandateprinbobinedetipsolenoidal.Prin comanduniccentralsenchidsimultanceledouclapete.Lamontajul dispozitivului se are n vedere reglarea poziiei zvorului astfel nct la comanda deacionaresseasigurereinereaunuivolumprinnchidereasimultana celordouclapetedenchidere.Aceastconstrucie,prinermetizareai simultaneitateablocriicelordouseciunidecurgerenamplasamentul blocajului,garanteazfurnizareaunordatecorecte.Metodaseparriiprin blocare,chiardacestesimpl,nuaredeficieneserioase.Metodaprezint avantajuldeafiexactncazulcntririicorecteaamestecului,darprezint inconvenientulperturbriicurgeriiiaimposibilitiideterminriiconcentraiei instantanee deoarece se obin valorile medii. Totodat metoda are deficiena de antrerupelucrriledecercetareideanecesitaoperaiisuplimentarepentru calcululdensitii,decimetoda.prezintdezavantaiuldeanuputeadaun rspuns rapid asupra rezultatelor msurtorilor. 16 LUCRARE DE LABORATOR NR.4 1.Metodadeterminriidensitiiiconcentraieipebaza utilizrii izotopilor radioactivi Dezavantajelemetodeiprezentateanteriorsuntnlturateprin procedeeledemsurarecontinuadensitiiiconcentraieipebazautilizrii izotopilor radioactivi. Metoda are la baz fenomenul fizicde absorbie i difuzie aradiaieidectremediulambiantpecareacestealparcurg.Astfel, intensitateafluxuluiradiantvariazdupolegeexponenialnfunciede densitatea,amesteculuimobil,careestedirectproporionalcuconcentraia. Aadar,existocorelaiedirect,univoc,ntreconcentraiaamestecului bifaziciabsorbiaintensitiifluxuluiradiantdeterminatcuajutorulunui indicator radioizotopic. Dacsenoteazcu i s , , icui s , , .densitilesolidului,apeii materialuluiconducteiicoeficieniideabsorbierespectiviatunciintensitatea radioactiv J msurat la detector este corelat cu cea primar a sursei Jo prin relaia ( )a s s s ox x J J o = exp (1) unde( )i i ix o 2 = exp iar i a sx x x,,reprezint grosimea n seciuneatransversal a solidului, apei i conductei. Intensitatea relativ a radiaiei gamma care trece n lungul seciuniitranversale a conductei poate fi dat de relaia ( ) ( )dl L LL}= o (2) ncareo estelogartimulatenuriiradiaieigammanlungulcoardeiexplorate, dat de relaiaJJoln = o ,- coeficientul de absorbie liniar, care este o funcie de densitate, L - variabil geometric, care n plan poate fi o funcie de douvariabile,xiy,nacestcaz( ) ( ) y x L , = undedistribuiapoatefi exprimatcaofunciepolinomialdeforma( )i i nnj iijy x a y x==0 ,, ,cu ija - coeficieni ce se determin prin calibrarea aparatului pe interiorul conductei. nfigura1seprezintschemainstalaieiexperimentalepentru determinareadensitiiamesteculuipebazaprincipiuluiabsorbieiradiaiei izotopuluicesiu-137.Conducta4princaretreceamesteculbifaziceste amplasatntrecentrulsurseideizotopiradioactivi5itraductorul- transformator 1 ale crui indicaii se citesc pe cadranul aparatului 2. Materialul solidtransportatabsoarberadiaiantr-ungradcuattmaimarecuct densitatea substanei particulei i concentraia acestei componente n amestec 17 este mai mare. Efectuldeecranareamaterialuluitransportat,ceinflueneaz intensitatearadiaieisurseideizotopi,senregistreazpeindicator. Sensibilitatea instrumentului de msur radioizotopic este dependent de masa specific a corpului absorbitor, mrime care se definete ca fiind caracteristica de radiaie a materialului. Pentrudeterminareadensitiloriconcentraiilor..mariseutilizeaz radiaia gamma, iar pentru valori medii - radiaia beta. Experimental s-a dovedit c radiaia beta conduce la rezultate satisfctoare pentru concentraie masic egal cu 3...4. Dac se nlocuiete sursa de radiaii beta cu alta de tip Roentgen se poate lrgi gama aparatului de msur. Avantajul principal al metodei este c sursa i detectorul pot fi deplasate independent.Dezavantajulacesteiaconstnputerearelativmarenecesar radiaiei pentru penetrarea prin materiale dense i la mari distane. Fig.1Schemadispozitivuluidemsuradensittiiamesteculuipecale radiometric: 1 - traductor; 2- indicator, 3 - cutie de rezisten pentru echilibrarea punii, 4 - conducta de transport,5 -surs de radiaii nindustrialesauexperimentalemetodademsurareradiometrica parametrilorhidrodinamicioferincontestabileavantajenspecialn fenomeneledetransporthidraulicalunorparticulesolide.Metodapermite determinarea distribuiei concentraiei i a densitii amestecului material solid-lichid fr ca prin aceasta s se introduc aparate n conducta de transport prin orificiispecialcreate,eliminareaperturbaieipecareocreeazunaparat introdusnconductladiversepunctefadeaxalongitudinal,dispariia risculuinfundriiaparatuluidemsur,cretereaprecizieimsurtorilor efectuate datorit numrului mare de puncte care pot fi amplasate nseciunea transversal a conductei. Metodaprezintundezavantajprincipalprinaceeacfolosindizotopi radioactivicuradiaiigammanecesitpersonalspecializatdenaltcalificare. nfigura1seprezintschematicprincipiulmetodeidemsurarecuizotopi radioactivi.Deoparteaconducteiseinstaleazuncontainerdinplumbcuo surs de radiaii, iar n partea diametral opus un detector de radiaii conectat la unradiometrucuajutorulcruiasepoatedeterminaintensitatearadiaiei emanat de surs i absorbit de sistemul conduct-amestec bifazic. Metoda radiometric de msur a vitezelor se bazeaz pe fenomenul de 18 dispersie a unor soluii de izotopi radioactivi n mediul fluid. Intensitatea radiaiei trasorilor se detecteaz cu ajutorul unor echipamente speciale; contori Geiger-Mler, sonde cu cristal de scintilaie, astfel nct se pot stabili vitezele n diverse punctealefluiduluinmicare.nfigura16seprezintmoduldemsurarea intensitii radiaiei. Se procedeaz la o rotaie a aparatului n jurul conductei cu vitezae , combinat simultan cu o apropiere spre axa conductei cu viteza v.Seexploreazastfelseciuneatransversalaconductemsurnd absorbia razelor gamma pe o direcie tangenial la o spiral arhimedic. Pentrudeterminareadensitiisemparteseciuneatransversala conductei ntr-o reea format dintr-o familie de drepte paralele cu axele Ox i Oyiapoiofamiliededrepteparalelecudireciaprimeibisectoarei perpendicularpe ea. Ecuaiile prezentatemaisus(2)i(3)suntrezolvatepe calculator rezultnd valorile densitiipe baza intensitii radiaiei msurate. Eroarea final depinde de imprecizia n msurarea fenomenului de amortizare. 2 .Stadiul micrii fluidelor polifazice cu dispozitive de tip laser Msurrileefectuatencurenii polifazicicu radiaieluminoaslaserpot furniza urmtoarele: a) determinarea repartiiei particulelor solide sau bulelor de gaz transportate de un curent fluid; b) configuraia geometric a corpurilor transportate de fluid; c) concentraia local a mediului polifazic i deci precizarea distribuiei deconcentraie din curentul polifazic; d) determinarea densitii particulelor transportate n raport cu cea amediului de dispersie; e) precizarea distribuiei de viteze a fluidului i mediului dispersat(msurarea vitezelor instantanee, locale etc.); f) determinarea vitezelor instantanee ale particulelor transportate i afluidului purttor. Msurareaparametrilorcinematiciaimediuluidispersat(corpsolidsau fazuoar)ntr-unfluidpurttordifercaprincipiu,nfunciedenatura particulelor.Uneleparticulesuntopaceireflectradiaialuminoaslaserde mare intensitate, iar altele au proprieti de transparen i o refract. Frontuldeundluminoasgeneratdeaparaturalasersereflectsau refract, funcie de natura particulei, pe suprafaa neted a unui corp,interfer i produce franje n spaiu. Forma acestora i zona din spaiu n care se produc Fig.2Schemainstalaieidemsur cu izotropi radioactivi: 1 surs; 2 conduct de transport; 3 detector. Fig.3Sistemdemsura distribuieidensitiispaiale:1 conduct; 2 surs; 3 - detector 19 estedependentderadiaialaserinciden,depoziia,natura,formai opacitatea corpului, precum i de caracteristicile cinematice ale particulei. Vitezacucarefranjeledeinterferentraverseazundetectordepinde liniardecomponentatransversalavitezeiparticuleicarereflectradiaia inciden. Ea se apreciaz pe direcia perpendicularei la axa de simetrie a dou radiaii incidente (4,a), Dac particula este transparent, dou radiaii incidente serefractdefiecaredatcndtrecdintr-unmediunaltul(fluid-granul, granul-fluid), (fig.4, b). Fig.4.Msurareaculaser,prinefectDoppler,prinutilizarearadiaieiluminoase reflectate i refractate: a) opac care reflect lumina; b) particul transparent. Fronturile de lumin reflectat ating acel punct din spaiul creat ntre cele doupunctealturateAiBdepesuprafaacorpuluiimicareacelordou punctecontribuieladetectareasemnaluluidetipDoppler.Distanax A dintre franjele de interferen este determinat de lungimea de und a radiaiei laser i de unghiul dintre dou radiaii reflectate opuse poziiei detectorului. { } { } | || sin 2 2= = AjB R iA R ijK K E x unde estelungimeadeundaradiaiei, k ijE -constant, RK -intensitatea radiaiei reflectate. n cazul particulelor transparente, prin efect Doppler apare o modificare a frecvenei radiaiei lumnoase, ceea ce conduce la apariia franjelor neliniare de interferen n spatele corpului. Configuraia i distana dintre franje sunt funcie de unghiul dintre radiaiile laser incidente i de lungimea lor de und, precum i demrimeacorpuluiidedireciadeobservare.Razasfereiceaproximeaz particula solid se poate msura prin distanax Adintre franje. Ca element de msurare se poate utiliza o fotodiod dubl cu distana dintre punctele sensibile de 2 mm. 20 Indicele de refracie relativ al corpului ce este traversat de radiaia laser joac un rol important n caracterizarea luminii care se propag n spaiu i d franje de interferen n spatele particulei. Dac mediul dispersat este mai dens, particula joac rolul unei lentile pozitive (de exemplu, picturi de ap n aer; fig. 5,a),iardac mediul dedispersieeste mai denssfera acioneazcaolentil negativ (de exemplu, cazul bulelor de gaz n lichid fig.5, b). Fig.5. Modul de refracie i reflexie a luminii pe particule transparente:a) mai dense; b) mai puin dense dect mediul. Fig.6.Schemablocasistemuluilaser-Doppleropticcusistemulelectronicde conversieasemnalelorideafiajpentrucurgerimonofazice:1-fotomultiplicator;2- colimator;3-generatorlaser;-zondecontrol-msurare;5-6-lentila;7-celule;8- prisme; 9 - filtru; 10 - decodificator; 11 - sistem de afiaj. nfigura6seprezintschematicundispozitivdemsurdetiplaser Doppleropticcusistemdeconversieasemnalelorpentrustudiulmicrii fluideloromogene,iarnfigura20sistemuladoptatmsurrilordindinamica curenilor bifazici. 21 Fig.7Schemablocasistemuluilaser-Doppleroptic,lacaretrebuieadugat sistemulelectronicdeconversieasemnalelorideafiaj,pentrumsurrincureni bifazici: 1 - generator laser; 2 - zon de control-msurare (domeniul de curgere a fluidului bifazic); 3 - lentil; 4 - celule; 5 - prisma; 6 - lentil; 7 - filtru optic; 8 fotomultiplicator. Figura.8prezintschemauneiinstalaiidecercetaredotatcuzoncu perete vitrat pentru studiul micrii fluidului polifazic. Instalaia trebuie dotat cu obancdefiltrepentrusemnalullaser-Dopplernscopulinterpretrii semnalului,care,ncazulcurgeriifluiduluibifazic,difernamplitudinesi frecven. Utilizarea combinat a dispozitivului pentru distingerea amplitudinii i acelordoufotodiodepermiteexperimentricomplexencurgereafluidelor bifazice cu particule de diverse dimensiuni. Fig.8.Schema instalaiei experimenale de transportpneumatic:1-generator pneumatic 2- filtru de aer; 3 - diafragm pentru msurarea debitului de gaz; 4 - prize pentru racordul manornetrului diferenial;5dispozitivdealimentarecumaterialsolid;6-dispozitivpentruuniformizarea curgerii; 7 - dispozitiv laser - sistem optic; 8 - zona de msurare n conducta de transport pneumatic; 9 - fotomultiplicator; 10 - ciclon pentru separarea fazelor; 11 - buncr cu material.