Обработка опытных данных

 

Определить скорость движения воды в стеклянной трубе, через массовый расход воды:

 

w =

 

где: G - массовый расход воды, кг/ с;

r - плотность воды, кг/м³

d _{BH -} внутренний диаметр стеклянной трубы (d = 20 мм), м.

Массовый расход воды определяется из уравнения расхода:

G = V r

где: V - объемный расход воды, м³/сек.

Вычисляют число Re и определяют режим течения:

 

 

где: ν - кинематический коэффицент вязкости.

Определить число Рейнольдса для случаев прохождения жидкости через прямоугольное и квадратное сечения трубопроводов со сторонами "a" и "b". Значения сторон выдается преподавателем каждому студенту. При этом для определения скорости воды можно использовать экспериментальные значения расхода воды.

Результаты наблюдаемые, опытные и расчетные данные заносят в отчетную таблицу.

Таблица 2.1 Протокол наблюдений

№ п/п	Расход воды G, кг/с	Температура воды, tу, 0С	Скорость движения воды w, м/с	Число Рейнольдса Re	Состояние подкрашенной струйки	Режим потока

2.5 Контрольные вопросы

1. Какое течение называется ламинарным?

2. Как определить среднюю скорость потока движущегося ламинарно?

3. Какое течение называется турбулентным?

4. Какого соотношение между средней и максимальной скоростями потока при турбулентном течении?

5. Что такое эквивалентный диаметр и гидравлический радиус?

6. Что такое число Рейнольдса? Каков его физический смысл?

7. В каком интервале числе Рейнольдса наблюдают "переходную" область?

8. От каких параметров зависит значение Re для змеевиков?

 

Лабораторная работа № 3

 

Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя (ПС)

Цель работы: Получение экспериментальной зависимости гидравлического сопротивления от фиктивной скорости газа; определение скорости начала псевдоожижения; скорости свободного витания; веса слоя.

Теоретическая часть

 

В настоящее время целый ряд процессов в химической технологии осуществляется при взаимодействии газа или жидкости с мелкораздробленными твердыми частицами (абсорбция, сушка, обжиг и др.) в аппаратах с так называемым взвешенным (кипящим, псевдоожиженным) слоем. В таких аппаратах указанные процессы существенно ускоряются. В целом в настоящее время свыше пятидесяти технологических процессов используют технику псевдоожижения в промышленной практике, что обусловлено следующими их достоинствами:

1. Интенсивное перемешивание твердой фазы, которое приводит к выравниванию температур и концентрации в объеме ПС.

2. Высокие коэффициенты эффективной теплопроводности и теплоотдачи от ПС (или, наоборот) к поверхностям теплообмена, значит малые площади необходимой поверхности теплообмена.

3. Возможность использования твердых частиц малых размеров, т.е. твердой фазы с развитой удельной поверхностью. Это приводит к повышению производительности аппаратов для сорбционных, тепловых, каталитических и других процессов.

4. Подвижность (текучести) ПС позволяет создать аппараты с непрерывным вводом и отводом твердых частиц.

5. Небольшое гидравлическое сопротивление и независимость его от скорости газа (жидкости).

6. Простое устройство аппарата и легкая механизация и автоматизация.

Наряду с достоинствами принципу псевдоожижения присущи следующие недостатки:

1. Неравномерность времени пребывания частиц в аппарате.

2. Истирание и унос газом хрупких частиц.

3. Агломерация и спекание мелких частиц.

4. Эрозия труб и стенок аппаратов в результате абразивного действия частиц.

Несмотря на серьезные недостатки, существенные экономические преимущества ПС обусловили его успешное использование в промышленности.

Гидродинамическая сущность процесса взаимодействия газовой фазы с твердыми частицами заключается в следующем: если через слой зернистого материала, расположенного на решетке, пропускать снизу вверх поток газа, то состояние слоя твердого материала будет различным в зависимости от скорости потока.

При относительно небольших скоростях движения газа, рассчитанной на полное сечение аппарата (фиктивная скорость) зернистый слой остается неподвижным, перепад давления при этом увеличивается линейно с ростом скорости.

Однако, когда скорость достигает некоторой критической величины, слой перестает быть неподвижным и весь слой твердых частиц переходит во взвешенное состояние, напоминающий кипящий (псевдоожиженный) слой, ограниченный ясно выраженной верхней границей раздела фаз. В таком слое твердые частицы интенсивно перемешиваются в потоке в различных направлениях. В этом режиме перепад давления на слое сохраняет практически постоянное значение и зависимость D P = f ( w) выражается прямой линией, параллельной оси абсцисс.

Скорости газа (жидкости), при которой неподвижный слой зернистого твердого материала переходит в псевдоожиженное состояние, называется скоростью начала псевдоожижения (или первой критической) - w_ПС.

Скорость газа (или жидкости) при которой начинается массовый вынос частиц из слоя, называется скоростью уноса или иначе, скоростью свободного витания - w_СВ. При w > w_СВ частицы уносятся из слоя, их весовое количество в слое падает в результате уменьшается энергия, необходимая для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии. По этой причине ∆Р_сл точки В понижается.

Явление массового уноса твердых частиц используют в промышленности для перемещения сыпучих материалов (пневмотранспорт).

Опыты по определению перепада давления D P, а также веса слоя зернистого материала G_сл. Показывают, что критическая скорость w_кр. Отвечает соотношению:

G_сл. = D P. S (3.1)

 

где: G_{сл. -} вес зернистого слоя, кг;

S - площадь поперечного сечения аппарата, м².

Поскольку уравнение (3.1) выражает силу гидравлического сопротивления слоя, можно отметить, что состояние псевдоожижения возникает при скорости потока, которая соответствует силе гидравлического сопротивления слоя, равного весу слоя. Рабочие скорости потоков при проведении процессов с применением псевдоожиженного слоя зернистого материала выбирается в пределах:

w_p = nw_кр. = (2 ¸ 10) w_кр (3.2)

 

где: n - число псевдоожижения, характеризующее отношение рабочей скорости потока газа и критической скорости (начала псевдоожижения).

При достижении скорости газа некоторого значения w_у (точка В) псевдоожиженный слой практически прекращает свое существование, так как начинается процесс пневмотранспорта материала.

Переход твердых частиц неподвижного слоя во взвешенное состояние будет происходить тогда, когда сила F динамического воздействия потока на частицу станет равной весу ее за вычетом подъемной (архимедовой) силы R:

 

 (3.3)

 

где: r_Т, r_С - плотность твердой частицы и среды, соответственно, кг/м³.

Отношение рабочей скорости w_раб (в пределах w_{ПС -} w_СВ) к скорости начала псевдоожижения w_ПС называется числом псевдоожижения

 

 (3.4)

K_W - характеризует интенсивность перемешивания частиц и состояния ПС. Опытным путем найдено, что во многих случаях интенсивное перемешивание достигает при K_W = 2, хотя оптимальные значения устанавливаются практически для каждого конкретного процесса.

Отношение высоты псевдоожиженного слоя (H_CП) к первоначальной высоте неподвижного слоя (H₀) называется степенью расширения

 

 (3.5)

 

В системах капельная жидкость - твердые частицы (например, процессы экстракция, адсорбция) увеличение скорости потока выше w_ПС приводит к спокойному, постепенному расширению слоя. Образование больших пузырей или неоднородности не наблюдается. Такой ПС называется однородным слоем.

Обычно система газ - твердые частицы (например, сушка, адсорбция, и т.п.) ведет себя совершенно иначе. При увеличении скорости потока выше w_ПС наблюдается неоднородный ПС в виде пузыреоброзования (ПС разделяется на отдельные части газовыми "пробками"); каналообразование (значительное количество газа проскакивает через один или несколько каналов) и фонтанирующий слой (характерен для аппаратов конических и коническо-цилиндрических с малым диаметром у основания).

Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц является его порозность:

 

 (3.6)

 

где: V_СЛ - общий объем, занимаемый слоем, м³;

V_Т - объем, занимаемый только твердыми частицами материала, м³.

Для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диаметра порозность равна e = 0,4 независимо от диаметра частицы. Для взвешенного слоя порозность с увеличением скорости газа будет повышаться, так как V_СЛ при этом возрастает. При скорости газа w_у, предельной для взвешенного слоя можно считать, что V_СЛ >> V_Т и e = 1.

Порозность псевдоожиженного слоя ε_ПС можно определить из зависимости:

H_{0 (}1- ε₀) = H_{ПС (}1- ε_ПС) (3.7)

 

где: ε - порозность

H₀, H_ПС - высота неподвижного и псевдоожиженого слоев, соответственно.

Для расчета аппаратов со взвешенным слоем необходимы расчетные уравнения, устанавливающие зависимость между физическими свойствами газа и твердых частиц, скоростью газа и порозностью слоя e.

Такие эмпирические уравнения удобно представлять в виде зависимостей между обобщенными безразмерными переменными, так называемыми числами подобия, которые включают все физические величины, оказывающие влияние на рассматриваемый процесс.

В гидравлике взвешенного слоя очень удобной для расчетов является графическая зависимость между числами Лященко Ly и Архимеда Ar: Ly = f ( Ar, e).

Число Лященко

 

 (3.8)

 

Число Архимеда

 

 (3.9)

 

где: m_С - динамический коэффициент вязкости среды, Па^. с.

Для удобства расчетов зависимость дана в логарифмических координатах. Этот график дает возможность найти любую из трех величин: Ly, Ar, e /2, с.108/.

Описание установки

 

Установка состоит из смонтированной на щите колонны К₁ (рис.3.2) с внутренним диаметром 50 мм. В колонне имеется четыре металлических сеток. На каждой сетке находится слой твердых частиц (силикагель).

Воздух, подаваемый компрессором, проходит под нижнюю сетку колонны. Вентиль В₂ служит для выпуска воздуха в атмосферу. Гидравлическое сопротивление измеряют дифференциальным манометром Д₂, который через переключатель П₁ может быть подключен для измерения перепада давления либо в одной нижней секции (положение 1), либо в других секциях (положение 2 и 3), либо во всей колонне (положение 4).

Расход воздуха, проходящего через колонну, определяют по показаниям диф. манометра Д₁, присоединенного к диафрагме с диаметром отверстия 9 мм.