Изучение гидродинамических явлений

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

В ТАРЕЛЬЧАТОЙ КОЛОННЕ

Цель работы:

 

- практическое ознакомление с устройством тарельчатой колонны и гидравлическими режимами ее работы;

- экспериментальное определение зависимости гидравлического сопротивления сухой и орошаемой тарелки от скорости газа в колонне;

 

Описание установки

Установка (рисунок 3) состоит из колонны 1диаметром D_K = 200 мм с двумя колпачковыми тарелками, воздуходувки 2, измерителя расхода воздуха 3(диафрагменного типа), расходомера для жидкости 4, системы воздушных вентилей а, б, дифманометров 5аи 5б(с электрическим выходом) и обслуживающей ЭВМ 6с дисплеем.

 

 

1 - цилиндрическая обечайка; 2 - колпачковая тарелка;

3 - трубопровод подачи воздуха; 4 - трубопровод подачи воды;

5 - расходомер; 6 – брызгоотбойник

Рисунок 3 - Схема лабораторной установки

Воздух воздуходувкой 2через измеритель расхода 3 подается в колонну 1. Вентилем а регулируют подачу воздуха. При испытании неорошаемой колонны вода не подается, при испытании орошаемой колонны через расходомер 4подается определенный расход воды. Дифманометры 5аи 5бзамеряют соответственно перепад давления воздуха в колонне и расход подаваемого воздуха. В ЭВМ 6эта информация преобразуется и выдается в цифровом и графическом виде зависимости гидравлического сопротивления тарелки неорошаемой (сухой) колонны Р_с = f(w_K) и орошаемой колонны Р_ор = f(w_K).

 

3Порядок выполнения работы

Содержание экспериментальной части заключается в определении:

- гидравлического сопротивления на диафрагме, Па и скорости газа по формуле

 

V=2(ΔP_диаф)^0,5 , м³/ч; (8)

 

- гидравлического сопротивления Р_С сухой тарелки в зависимости от скорости газа w_K;

- полного гидравлического сопротивления орошаемой тарелки ΔРпри заданном орошении в зависимости от скорости газа w_K;

- визуальном наблюдении за изменением характера работы колпачковой тарелки: переходом от неравномерной работы колпачков к режиму равномерной работы; постепенным увеличением интенсивности образования брызг в межтарельчатом пространстве с ростом скорости газа w.

Поскольку в проводимом эксперименте нагрузка по жидкости остается постоянной, смена режимов на рисунке 2 будет происходить по линии MN.

При испытании сухой тарелки орошение колонны водой не производится. Определяют значения гидравлического сопротивления сухой тарелки Р_С для ряда скоростей газа вначале в режиме увеличения расхода газа, а затем - в режиме уменьшения расхода.

При испытании орошаемой тарелки по расходомеру 4(рисунок 3) устанавливают определенный расход жидкости, а затем, как и при испытании сухой тарелки, фиксируют значения полного сопротивления орошаемой тарелки Р для ряда скоростей газа.

На основании полученной распечатки по экспериментальным точкам строят графики зависимостей Р_С = f(w_K) и

На каждой тарелке экспериментальной колонны расположены 10 колпачков, каждый из которых имеет по 15 прямоугольных щелей размером b_щ - ширина щели (0,003), м; h_ш - высота щели (0,008), м. b -длина сливной перегородки=0,132 м. h_п =0,03 м.

т = 6400 - коэффициент расхода водослива

 

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

- схему установки;

- схему тарелки, колпачка, с указанием основных размеров;

- основные формулы для определения гидравлического сопротивления тарелки;

- таблицу экспериментальных данных по и ;

- графики Р_С = f(w_K) и Р_ор = f(w);

- результаты определения коэффициента ;

- расчет для избранной скорости газа w* и сопоставление с .

Таблица 1 - Экспериментальные данные по и ;

Сухая колонна	Орошаемая колонна (Qж = кг/ч)
Перепад на диафрагме, Па	Расход воздуха , м3/ч	Перепад давления Па	Перепад на диафрагме, Па	Расход воздуха , м3/ч	Перепад давления , Па

Эксперименты на сухой и орошаемой тарелке определяют при одинаковых значениях скорости воздуха (перепада на диафрагме)

Вопросы для самоконтроля

1 Какие типы тарелок существуют?

2 Для каких процессов применяют тарельчатые колонны?

3 Нарисуйте ректификационную колонну

4 Устройство тарелки с переливами.

5 Диапазон устойчивой работы тарелки

6 Какие гидравлические режимы наблюдаются в тарельчатых колоннах при увеличении расхода газа?

7 От каких параметров зависит гидравлическое сопротивление сухой тарелки?

8 Какие параметры определяют сопротивление орошаемой тарелки?

 

 

Лабораторная работа № 2

 

НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ

Цель работы:

- ознакомление с устройством и работой насадочной колонны;

- экспериментальное и расчетное определение зависимости гидравлического сопротивления слоя насадки от скорости газа в колонне для сухой и орошаемой насадки;

- определение экспериментальным и расчетным путем скорости захлебывания.

Описание установки

Установка (рисунок 1) состоит из насадочной колонны 1 с насадкой из керамических колец Рашига, воздуходувки 2, измерителя расхода воздуха 3 (диафрагменного типа), расходомера для жидкости 4, системы воздушных вентилей а и б, дифференциальных манометров 5 а и 5б (с электрическим выходом) и обслуживающей ЭВМ с дисплеем 6. Воздух через брызгоуловитель 7 удаляется в атмосферу.

Воздух воздуходувкой 2 через измеритель расхода 3 подается в колонну 1. Вентилем а регулируют подачу воздуха. При испытании неорошаемой колонны вода не поступает; при обследовании орошаемой колонны через ротаметр 4 подается определенный расход воды. Дифференциальные манометры 5 а и 5 б замеряют соответственно перепад давления в колонне и расход подаваемого воздуха. В ЭВМ эта информация преобразуется и выдается в цифровом и графическом виде зависимости гидравлического сопротивления насадки от скорости воздуха в колонне. Диаметр колонны - 200 мм, высота слоя насадки - 600 мм, размеры колец - 15x15x2 мм, удельная поверхность насадки а = 330 м²/м³, удельный свободный объем насадки = 0,6 м³/м³.

 

1 – колонна; 2 – воздуходувка; 3 – измеритель расхода воздуха; 4 - ротаметр;

5 – манометр; 6 – ЭВМ; 7 – брызгоуловитель; а, б – регулировочные вентили

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки

 

Порядок проведения работы

Экспериментальная часть работы состоит из двух серий опытов:

- гидравлические испытания сухой неорошаемой насадки;

- гидравлические испытания орошаемой насадки.

Измерения гидравлического сопротивления слоя насадки проводят при различных расходах воздуха (по указанию преподавателя от 10 до 12 измерений).

Устанавливают заданный преподавателем расход воды и при расходах воздуха (зафиксированных при испытании сухой насадки) производят замеры гидравлического сопротивления орошаемого слоя насадки.

Расход воздуха устанавливается вентилем а по показаниям цифрового прибора на стенде. Расход воды - по расходомеру 4. В процессе испытания орошаемой насадки визуально фиксируют момент захлебывания насадки (появления слоя жидкости над насадкой) и скорость воздуха, подаваемого в колонну.

Все результаты записывают в лабораторный журнал и оформляют в виде таблицы 3.

Таблица 3 – Результаты замеров

Сухая колонна	Орошаемая колонна (Qж = кг/ч)
Перепад на диафрагме, Па	Расход воздуха , м3/ч	Перепад давления Па	Перепад на диафрагме, Па	Расход воздуха , м3/ч	Перепад давления , Па

Эксперименты на сухой и орошаемой тарелке определяют при одинаковых значениях скорости воздуха (перепада на диафрагме)

 

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

– схему экспериментальной установки;

– таблицу экспериментальных данных;

– перечень расчетных уравнений и формул;

– перечень значений физических свойств воды и воздуха, геометрических размеров колонны и насадки;

– графики экспериментальных и расчетных зависимостей.

По полученным результатам делаем выводы.

Вопросы для самоконтроля

 

1. В каких случаях используют насадки?

2. Какие типы насадок применяют в насадочных колоннах?

3. Назовите основные характеристики насадок.

4. Что понимают под скоростью газа в колонне и скоростью газа в каналах насадки?

5. Какие гидравлические режимы работы насадочных колонн наблюдают в зависимости от скорости газа?

6. Как определить гидравлическое сопротивление в насадке

 

Лабораторная работа № 3

 

Описание установки

Схема лабораторной установки показана на рисунке 1. Она состоит из цилиндрической обечайки 1 диаметром 200 мм, колпачковой тарелки 2, брызгоотбойника 6, трубопровода подачи воздуха 3 и трубопровода подачи воды 4. На тарелке 2 происходит контакт двух фаз: воздуха и воды. На трубопроводе подачи воздуха установлена диафрагма, по перепаду давления до и после которой определяют массовый G и объемный V расходы воздуха.

Массовый расход воды определяется по расходомеру 5.

Установка оборудована термопарами для замера следующих температур:

t_ж^н - начальная температура воды (при входе на контактное устройство), °С;

t_ж^к - конечная температура воды (при выходе с контактного устройства), °С;

t_в^н - начальная температура воздуха, входящего на контактное устройство, °С;

φ^н- начальная влажность воздуха, %

t_в^к- - конечная температура воздуха, покидающего контактное устройство, °С;

φ^к- конечная влажность воздуха, %

 

 

 

1 - цилиндрическая обечайка; 2 - колп

 

 

1 - цилиндрическая обечайка; 2 - колпачковая тарелка;

3 - трубопровод подачи воздуха; 4 - трубопровод подачи воды;

5 - расходомер; 6 – брызгоотбойник

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

 

Порядок выполнения работы

Включают воздуходувку и устанавливают определенный расход воздуха. Открывают вентиль подачи воды и устанавливают определенный ее расход. После достижения устойчивого режима барботажа на колпачковой тарелке, записывают рабочие параметры процесса в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты измерений и расчетов

№	Перепад на диафрагме, Па	Расход воды, кг/час	tжн 0С	tжк 0С	t вн 0С	φн %	tвк, 0С	φк %

 

1 Определение влагосодержания воздуха перед контактным устройством у_н и после контактного устройства у_к.

Влагосодержание воздуха у кг влаги/кг сухого воздуха определяют по диаграмме Рамзина (Приложение А)

Таким образом, по значению температуры перед контактным устройством находят влагосодержание воздуха перед тарелкой у_н, а по значению (после контактного устройства определяют влагосодержание воздуха после контакта с жидкостью на тарелке у_к.

Равновесное значение влагосодержания и находим по линии насыщенного воздуха (100% влажность)

2 Среднюю движущую силу процесса массообмена у_ср рассчитывают по уравнению:

(6)

где - влагосодержание воздуха, предельно насыщенного водяными парами при температуре находят по диаграмме на линии насыщенного воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха;

- влагосодержание воздуха, предельно насыщенного водяными парами при температуре находят по диаграмме на линии насыщенного воздуха, кг влаги/кг сухого воздуха;

3 Коэффициент массопередачи (равный коэффициенту массоотдачи в газовой фазе) вычисляют по уравнению.

 

(7)

 

F_б - площадь барботажа (контакта воздуха и воды) тарелки, равная 0,028 м²;

L_и -расход компонента - массовый расход испарившейся воды в воздух:, кг влаги/ч.

 

L_и=G(у_к-у_н) (8)

 

где G=ρ_Г*V - массовый расход воздуха, кг/ч.

4 Коэффициент теплопередачи (равный коэффициенту теплоотдачи в газовой фазе) вычисляют по уравнению

 

(9)

 

5 Уравнение теплового баланса контактного устройства имеет вид:

 

Gприх = Gуход

 

(10)

 

где Gс_г - поток тепла с приходящим воздухом, кДж/ч, где с_в – теплоемкость

воздуха;

Lс_ж -- поток тепла с приходящей водой, кДж/ч, где с_ж - теплоемкость воды.

Gс_г - поток тепла, уходящий с воздухом, кДж/ч;

(L-L_и)с_ж - поток тепла, уходящий с водой, кДж/ч;

L_и(r_ж+с_п ) - поток тепла, уходящий с испарившейся жидкостью, кДж/ч,

где r_ж - теплота испарения воды, равная 2493 кДж/кг;

с_п - теплоемкость водяного пара, равная 1,97 кДж/(кг °С);

Q _п - потери тепла в окружающую среду.

L - массовый расход воды.

Определим количество потери тепла в окружающую среду из теплового баланса.

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

- цель работы;

- краткий конспект теоретической части;

- схему установки;

- таблицу данных эксперимента;

- расчеты и результаты расчетов у_н, у_к,, К_м, К_т., материального и теплового баланса

Примечание. Если по заданию преподавателя число опытов больше четырех, то отчет дополняют графиками зависимостей К_уср = f(w), K_T = f(w), где w -скорость газа в колонне, м/с.

По полученным результатам делаем выводы.

 

Вопросы для самоконтроля

1 Общие признаки массообменных процессов.

2 Напишите основное уравнение массопередачи и теплопередачи.

3 Виды массопередачи

4 В чем сходство и отличие процессов массо и теплопередачи?

5 Каков физический смысл коэффициента массопередачи

6 Чем объясняется сходство уравнений массопередачи и теплопередачи?

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Таблица 1 – Физические свойства воды

T, о С	Плотность относительная ρ, кг/м3	Динамическая вязкость µ·10-3 , Па·с	Коэфф-т поверх. натяж. σ·10-3, Н/м	Удельная теплоемкость, Дж / (кг . К)
		1,519	-
	999,95	1,473	-
	999,9	1,428	-
	999,85	1,386	-
	999,8	1,346	-
	999,7	1,307	74,11
	999,6	1,271	-
	999,	1,236	-
	998,9	1,203	-
	998,7	1,171	-
	998,6	1,140	-
	998.5	1,111	-
	998,4	1,083	-
	998,3	1,056	-
	998,25	1,030	-
	998,2	1,002	72,58
	997,8	0,981	-
	997,6	0,958	-
	997,3	0,936	-
	997,1	0,914	-
	996,9	0,894	-
	996,6	0,874	-
	996,4	0,855	-
	996,1	0,836	-
	995,8	0,818	-
	995,7	0,798	71,03

 

 

Таблица 2 - Физические свойства сухого воздуха

при атмосферном давлении

T, о С	ρ, кг/м3	Динамическая вязкость µ·10-6 , Па·с	Удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж / (кг . К)	Удельная теплоемкость влажного воздуха, кДж / (кг . К)
	1,293	17,17		1030,1
	1,247	17,66
	1,205	18,15
	1,165	18,64
	1,128	19,13

 

 

Рисунок 1 - Влагосодержание воздуха у кг влаги/кг сухого воздуха определяют по диаграмме Рамзина

1 Физические свойства влажного воздуха

Для расчета воздушных сушилок необходимо знать основные характеристики влажного воздуха (смесь воздуха с водяными парами): температуру, относительную влажность, влагосодержание, энтальпию. Температура воздуха или дымовых газов, используемых для сушки, выбирается в зависимости от свойств высушиваемого материала и может изменяться в широких пределах.

Относительной влажностью воздуха называется отношение массы водяного пара, фактически находящегося в воздухе, к массе насыщенного водяного пара, который мог бы быть в данном объеме при той же температуре. Эта величина изменяется от нуля для абсолютно сухого воздуха до 100 % (или единицы, если относительная влажность измеряется в долях единицы) для насыщенного.

Масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ воздуха, численно равна плотности водяного пара р_п, находящегося в перегретом состоянии, а максимально возможное его содержание равно плотности насыщенного пара р_н при данной температуре воздуха. Следовательно,

Из уравнения состояния газов следует, что

и

откуда

(1)

Относительная влажность является показателем работоспособности воздуха при сушке: чем больше величина отличается от единицы, тем больше влаги может перейти из высушиваемого материала в воздух. При = 100 % воздух полностью насыщен и влага больше не может испаряться в воздух. При нагревании и охлаждении воздуха величина изменяется вследствие изменения величины Р_н при изменении температуры [см. уравнение (1)].

Характерным параметром влажного воздуха является его влагосодержание х, т.е. масса влаги в килограммах, приходящаяся на один килограмм сухого воздуха (кг/кг сухого воздуха). Эта характеристика не изменяется при нагревании и охлаждении воздуха.

В соответствии с уравнением состояния газов можно записать следующие выражения:

- для водяного пара

- для сухого воздуха в том же объеме V

Отсюда массы водяного пара и воздуха в объеме V будут равны

и

Согласно определению влагосодержания, исходя из вышеприведенных уравнений, получим

(2)

Поскольку общее давление системы π равно сумме парциальных давлений водяного пара р_п = φ·Р_н и сухого воздуха р_в, уравнение (2) можно записать следѵюшим образом:

(3)

Плотность влажного воздуха определяют из выражения

Энтальпию влажного воздуха Н, отнесенную к 1 кг сухого воздуха при температуре t (за начало отсчета принята температура 0 °С), определяют по уравнению

, (4)

где С_в — средняя теплоемкость сухого воздуха в интервале температур от 0 до t,

Н' — энтальпия водяного пара.

При температурах до 250 - 300 °С средняя теплоемкость воздуха может быть принята равной С_в = 1 Дж/(кг·°С), или 0,24 ккал/(кг·°С). В этих же пределах температур можно с достаточной точностью считать

,

С учетом этого энтальпия влажного воздуха (в ккал/кг) может быть определена по следующему уравнению:

 

)

 

2 Равновесная влажность и виды связи влаги с материалом

 

Практически любой твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Это зависит от соотношения величин давления водяного пара во влажном материале р_м, обусловленного присутствием влаги и температурой, и парциальным давлением водяного пара р_п в окружающей среде. Процесс сушки протекает при условии, что р_м > р_п. Если р_п > р_м, то материал будет поглощать влагу.

Давление водяного пара во влажном материале р_м зависит от влажности материала, температуры и вида связи влаги с материалом. При увеличении температуры и влажности материала величина р_м возрастает

 

3 Диаграмма Н-х для влажного воздуха

 

Диаграмма Н—х (энтальпия - влагосодержание влажного воздуха), предложенная Л.К. Рамзиным, приведена на рисунке 1. Диаграмма построена в косоугольных координатах: на оси ординат отложена энтальпия воздуха Н, на оси абсцисс, проведенной под углом 135° к оси ординат, - влагосодержание воздуха x.

Величины х, отложенные на оси абсцисс, спроектированы на вспомогательную горизонтальную ось. Поэтому линии х = const на диаграмме вертикальные, а линии Н = const наклонены к оси ординат под углом 45°. Для построения изотерм на диаграмме используется уравнение (4), которое при постоянной температуре t представляет собой уравнение прямой линии в координатах Н-х.

Для построения линий φ = const используется уравнение (3). При относительной влажности φ задаются рядом температур, для которых определяют давление насыщенного водяного пара (по таблицам) и соответствующие влагосодержания. По полученным данным для соответствующих х и t строят линии φ = const, которые на диаграмме представляют расходящийся пучок выпуклых кривых, проходящих через начало координат.

На диаграмме Н-х, приведенной на рисунке 1 для случая, когда общее давление в системе равно атмосферному, кривые φ = const заканчиваются при пересечении с изотермой 99,4 °С и далее проведены вертикально вверх.

Указанная изотерма соответствует температуре кипения воды при атмосферном давлении; при этой и более высокой температуре параметр "относительная влажность" теряет смысл, так как при таком давлении смеси воздуха с водяным паром могут существовать в любых соотношениях.

При помощи диаграммы Н-х можно по любым двум заданным параметрам влажного воздуха найти точку, соответствующую данному состоянию воздуха, и определить остальные два параметра. Например, при температуре воздуха t = 50 °С и относительной влажности φ = 70 % определяют точку А (рисунок 2), для которой находят влагосодержание х = 0,0608 кг влаги/кг сухого воздуха и энтальпию Н = 207,25 кДж/кг сухого воздуха.

Рабочим полем диаграммы является область, лежащая выше кривой φ = 100 % (насыщенный влагой воздух).

С помощью диаграммы Н-х легко графическим путем определить точку росы и предел охлаждения воздуха в изоэнтальпийных условиях.

Точкой росы называют ту температуру, охлаждаясь до которой при постоянном влагосодержании воздух достигнет полного насыщения водяными парами, и происходит конденсация водяных паров, содержащихся в газе или воздухе.

На рисунке 3 приведено графическое построение точки росы В для воздуха с начальными параметрами, отвечающими точке А. Точка росы определяется как изотерма t_p, проходящая через точку пересечения В линии φ = 100 % и влагосодержания х₁.

Температура мокрого термометра. При изотермическом взаимодействии воздуха с влажным материалом воздух будет охлаждаться, отдавая свое тепло материалу и одновременно пополняя свою энтальпию за счет энтальпии водяных паров, переходящих из влажного материала в воздух. В этих условиях температура понижается, а энтальпия остается постоянной. Этот изоэнтальпийный процесс будет протекать до полного насыщения воздуха водяными парами, т.е. до температуры, при которой φ = 100 %. На диаграмме Н-х (рисунок 4) из точки А проводят линию Н = const до пересечения в точке В с линией φ = 100 %. Изотерма t_мт, проходящая через точку В, соответствует пределу охлаждения воздуха в изоэнтальпийных условиях и называется температурой мокрого термометра.

Рисунок 1 – Диаграмма Н-х для влажного воздуха

Потенциалом сушки ε называется разность между температурой воздуха t_B и температурой мокрого термометра t_мт

Рисунок 2 - Определение параметров влажного воздуха с помощью диаграммы Н -х по двум заданым параметрам

 

Рисунок 3 - Определение точки росы на диаграмме Н – х

Рисунок 4 - Определение температуры мокрого термометра

на диаграмме Н - х

Потенциал сушки характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала. Чем больше потенциал сушки, тем выше скорость испарения влаги из материала. При полном насыщении воздуха влагой t_B = t_мт потенциал сушки ε становится равным нулю.

 

 

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

В ТАРЕЛЬЧАТОЙ КОЛОННЕ

Цель работы:

 

- практическое ознакомление с устройством тарельчатой колонны и гидравлическими режимами ее работы;

- экспериментальное определение зависимости гидравлического сопротивления сухой и орошаемой тарелки от скорости газа в колонне;