Файл: Лабораторная работа пиапп.docx

- трубы-сушилки, =0,9 – 0,95.

В отличие от описанной выше идеальной кривой псевдоожижения ОАВС, на рис. 2б представлена реальная кривая псевдоожижения для монодисперсного слоя, на которой четко виден пик перепада давления в слое. Характерно, что пик наблюдается только при возрастании скорости воздуха (прямой ход - кривая 1 на рис. 2б). При убывании скорости воздуха (обратный ход - кривая 2) пик исчезает. Если вновь увеличивать скорость воздуха, то пик также не наблюдается. Это объясняется тем, что плотность упаковки частиц в неподвижном слое до начала псевдоожижения несколько выше, чем в неподвижном слое после псевдоожижения. Поэтому при первоначальном увеличении скорости воздухадополнительные затраты энергии необходимы для преодоления сил инерции частиц, взаимного сцепления (когезии) частиц и трения их о стенки аппарата. При вторичном увеличении скорости воздуха эти силы незначительны. Величина пика давления зависит от свойств твердых частиц, геометрической формы аппарата и конструкции опорно – распределительной решетки. В аппаратах постоянного поперечного сечения=(0,3 - 0,5)∙∆Р_сл, в конических – значительно больше.

Достоинствами псевдоожиженного слоя являются увеличения поверхности контакта фаз и их относительных скоростей движения, уменьшение внутри диффузного сопротивления твердой фазы в масообменных процессах. К недостаткам следует отнести снижение движущей силы процессов, обусловленное выравниванием полей температур и концентраций в слое; поршнеобразование, каналообразование, истирание твердых частиц и трудность равномерного распределения воздуха по сечению аппарата, особенно в аппаратах промышленного масштаба.

Описание экспериментальной установки

Установка для комплексного изучения параметров взвешенных слоев показана на рисунке 3. Она имеет общий вентилятор 1, аппарат кипящего слоя 2, аппарат фонтанирующего слоя 3 и циклон 4, снабженный сборником уловленного материала 5. Расход воздуха на псевдоожижение регулируется поворотным клапаном 6 и измеряется с помощью трубки Пито-Прандтля 8, подключенной к блоку U- образных манометров 10. Слой сыпучего материала находится на

газораспределительной решетке 11.

1 – вентилятор; 2 – аппарат кипящего слоя; 3 – аппарат фонтанирующего слоя; 4 – циклон; 5 – сборник уловленного материала; 6,7 – поворотные краны; 8,9 – трубки Пито-Прандтля; 10 – блок U-образных манометров; 11 – газораспределительная решётка; 12,13 – сетки; 14 – мерная линейка

Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки

Методика выполнения работы

Сыпучий материал засыпается в аппарат кипящего слоя 2 сверху, замеряется высота неподвижного слоя Н₀по линейке 14. Затем включается вентилятор 1 при полностью открытом кране 6. Снимаются 2-3 точки в режиме псевдоожижения, постепенно уменьшая расход воздуха краном 6, при этом перепад давления в слое остается постоянным. Важно найти точку, соответствующую переходу псевдоожиженного слоя в фильтрующий (уменьшается перепад давления в слое). В режиме фильтрации снимаются также 2-3 точки, уменьшая расход воздуха до нуля.

Для каждой точки измеряют следующие параметры: расход воздуха V_в(трубки а-б на блоке манометров 10) с помощью тарировочного графика, размещенного на установке; перепад давления в слое ∆P_сл(g-); высоту слоя Н_сл

с помощью мерной линейки 14. Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты измерений

Обработка результатов измерений

По данным таблицы 1 строится кривая псевдоожижения – зависимость перепада давления в слое от фиктивной скорости воздуха:

w_ф=v_в/(0,785∙D²).

По кривой псевдоожижения определяются первая критическая скорость и соответствующий ей перепад давления в слое, по которому рассчитывается масса слоя М_слпо формуле (3).

Из равенства (4) находится текущая порозность слоя , строится график зависимостии наносится на кривую псевдоожижения.

Используя график зависимости (рис.4), определяют средний диаметр частиц слояdи вторую критическую скорость – скорость уносаw_ун. Для этого по скоростиw_псрассчитывается критерий Лященко:

Затем при=0,4 находится соответствующее значение критерия Архимеда:

,

из которого определяется искомый диаметр. По данному значению Arпри=1 определяется другое критическое значениеLy_ун, из которого находится искомая скоростьw_ун.

Расчетные значения заносятся в таблицу 2.

Таблица 2 – Расчетные значения

Необходимые данные для расчета:D=0,147 м;ρ_в=1,2 кг/м³; ρ_м=1280 кг/м³; ν_в=15,06∙10^-6м²/с.

Рисунок 4 – Зависимость

Контрольные вопросы

1.Что называется псевдоожижением?

2.Чем отличается псевдоожиженный слой от фильтрующего?

3.Что называется порозностью слоя?

4.Что называется кривой псевдоожижения?

5.Чем обусловлено наличие пика давления на реальной кривой псевдоожижения?

6.Почему кривая псевдоожижения снимается на обратном ходе?

7.Что такое число псевдоожижения?

8.Как зависит порозность от числа псевдоожижения?

9.Чем отличается скорость витания частиц от скорости уноса?

Лабораторная работа № 5

Изучение гидродинамики фонтанирующего слоя

Цель работы:

1. Экспериментальное определение зависимости перепада давления в слое от входной скорости воздуха.

2. Нахождение критической скорости фонтанирования ω_кр.ф., скорости начала устойчивого фонтанирования ω_н.у.ф. и скорости конца устойчивого фонтанирования ω_к.у.ф..

3. Сравнение полученных скоростей с расчетными значениями.

Основы теории:

По современным представлениям фонтанирующий слой, как и псевдоожиженный, является разновидностью взвешенного слоя. Однако, механизм движения газа и твердых частиц при фонтанировании существенно отличается от псевдоожижения. Классическое фонтарирование может быть осуществлено в цилиндрическом аппарате с коническим основанием, в центре которого имеется небольшое отверстие для подачи воздуха. При некоторой скорости воздуха струя прорывается через слой и образует на выходе так называемую шапку фонтана (рис. 1). В слое образуется ярко выраженное ядро фонтана (наиболее интенсивная зона аппарата) и периферийная зона.

Таким образом, отличительной особенностью фонтанирующего слоя является наличие нескольких зон, резко отличающихся между собой по характеру взаимодействия фаз. Наиболее полно структуру фонтанирующего слоя отображает трехзонная модель, подтвержденная экспериментально (рис. 1): ядро слоя 1, зона медленно движущихся частиц (пристенная зона 3), зона интенсивно движущихся частиц (опускная зона 4). Ядро имеет форму трубы Вентури с углом раствора конуса 8÷18˚. Позонную структуру фонтанирующего слоя можно наблюдать при переходе кипящего слоя к фонтанирующему, постепенно увеличивая угол раствора α конической части аппарата. При углах 0÷20˚ наблюдается типичное псевдоожижение в узких колонках – подъем частиц в центре и вихреобразное опускание по стенкам. С увеличением угла раствора конуса до 40˚ ядро приобретает все более четкие очертания, а слой принимает трехзонную структуру. Обычно скорость воздуха в ядре на один – два порядка выше, чем в пристеночной зоне, а объемная концентрация частиц в ядре меньше в 4 – 5 раз. В этих условиях интенсивность тепломассобмена в ядре в 1,5-2 раза выше, при этом максимум находится на границе ядра с опускной зоной.

Механизм перехода неподвижного слоя к фонтанирующему удобно описывать по кривым фонтанирования (псевдоожижения). На рис. 2 показана зависимости перепада давления ∆Р_сл от скорости воздуха ωв нижнем сечении аппарата для фонтанирующего слоя (кривая 1) и для сравнения такая же зависимость для кипящего слоя (кривая 2) при одинаковой начальной высоте слоев Н₀. На участке ОА слой неподвижен и сохраняет первоначальную структуру. Воздух фильтруется через слой. При дальнейшем увеличении расхода воздуха перепады давления слоя возрастает до максимального (точка В), а затем резко падает до точки С, которая называется точкой зарождения фонтана. Снижение давления до линии ВС отражает расширение плотного упакованного слоя. Дальнейшее увеличение скорости воздуха приводит к вытеснению и центрального ядра твердых частиц и прорыву газа через слой. Падение давления происходит очень резко до линии СД. Скорость воздуха, соответствующая давлению в точке Д, называется скоростью начала устойчивого фонтанирования ω_н.у.ф..За точкой Д перепад давления в слое почти постоянен, т.к. воздух беспрепятственно проходит через ядро слоя. Участок ДЕ характеризует режим развитого фонтанирования. За точкой Е начинается неустойчивый режим (поршнеобразование). Соответственно скорость газа в точке Е называется скоростью конца устойчивого фонтанирования ω_к.у.ф..

1 – ядро; 2 – шапка фонтана; 3 – пристеночная зона; 4 – опускная зона; 5 – зеркало строя.

Рисунок 1 – Структура фонтанирующего слоя

Отличительной особенностью кривой 1 является большой пик перепада давления слоя при выходе на режим фонтанирования ∆π_ф. Он в 2-3 раза превышает рабочий перепад давления ∆Р_ф, который в свою очередь меньше рабочего перепада для кипящего слоя: ∆Р_ф=0,75∙∆Р_к. Последнее объясняется тем, что концентрация твердых частиц в ядре фонтанирующего слоя меньше, чем в плотном кипящем слое при тех же средних скоростях воздуха. Как видно из рис. 2, небольшой пик давления имеет место также при обратном ходе (кривая 3) и связан с необходимостью затраты энергии на перестройку структуры слоя.

1 – фонтанирующий слой; 2 – кипящий слой; 3 – обратный ход.

Рисунок 2 – Кривые фонтанирования

По поводу природы пика давления ∆Р_ф мнения различных авторов расходится. Зарубежные авторы считают, что появление пика кривой перепада давления как при фонтанировании, так и при псевдоожижении связано с затратой энергии, необходимой газовой струе для прорыва плотного слоя и оборудования “внутреннего канала” в нижней части слоя. Максимальный перепад давления (точка В) наблюдается при высоте внутреннего канала, 0,5∙Н₀. Преобразуется ли в последствии этот внутренний канал в фонтан или произойдет переход к псевдоожижению, зависит от того, выполняются ли необходимые для фонтанирования условия по размеру частиц, диаметру отверстия, высоте слоя, углу раствора конуса и т.д. При дальнейшем увеличении высоты внутреннего канала до Н₀ перепад давления снижается до точки С, а когда струя прорывается на поверхность слоя – падает до точки Д.