Центрифугирование: определение относительного центробежного ускорения (RCF) в зависимости от диаметра ротора и скорости вращения

Центрифугирование — это метод, используемый для разделения неоднородных, дисперсных систем на фракции. Этот метод позволяет разделить вещества по плотности, путем воздействия на смесь центробежной силой. Метод осуществляется с использованием специализированного оборудования — лабораторных центрифуг.

Важнейшей  частью центрифуги является ротор, который вращается двигателем. Благодаря мощному двигателю создается центробежная сила. Чем выше скорость, тем меньше времени будет затрачено на разделение компонентов смеси.

Принцип центрифугирования основывается на том, что частицы различной плотности и размера перемещаются по направлению от центра к периферии. При этом они вытесняют компоненты с более низкой плотностью, которые, в свою очередь, перемещаются к центру.

Центростремительное ускорение объекта, находящегося внутри центрифуги и подвергающегося воздействию центростремительной силы, зависит от расстояния между объектом и осью вращения, а также от угловой скорости. Оно увеличивается линейно, как функция расстояния относительно оси вращения, и квадратично, как функция угловой скорости. Чем больше радиус в камере ротора, чем выше скорость, тем выше центростремительное ускорение. Но и силы, воздействующие на ротор, также увеличиваются.

Центробежное ускорение, как физическая величина, имеет выражение в единицах ускорения свободного падения — это установленное число, которое равняется 980 м/с². Эти величины нужны для того, чтобы определить относительное центробежное ускорение.

Относительное центробежное ускорение (RCF) — это физическая величина, которая даёт возможность   сопоставить различные роторы в зависимости от скорости их вращения и радиуса. Формула для расчёта RCF:

RCF = 11,18 × 10^-6 × r × n²,

где r — радиус (см), n — скорость вращения (об/мин), RCF — безразмерная величина.

Рис. 1 Минимальный и максимальный радиусы бакетного ротора

Для определения RCF ротора необходимо знать максимальную скорость и максимальное расстояние от центра вращения до дна пробирки или бакета (см. рисунки ниже).

 

Рис.2  Минимальный и максимальный радиусы углового ротора

Если даны два значения, то третье значение определяется посредством решения этого уравнения. При последующем изменении скорости или радиуса вращения относительная центробежная сила будет автоматически пересчитана. Соответственно, при изменении относительной центробежной силы будет пересчитана скорость вращения с учетом заданного радиуса.

На номограмме зависимости RCF от скорости вращения и от радиуса ротора отображаются взаимозависимые отношения между скоростью, радиусом и относительной центробежной силой.

Рис. 3 Номограмма зависимости RCF от скорости вращения и радиуса ротора