Файл: Изучение гидродинамических и теплообменных характеристик псевдоожиженного слоя зернистого материала.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра: нефтехимии и химической технологии

Лабораторная работа 4 на тему:

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА

Выполнила: студентка 2 курса

Группы БТС 21-01

Кащеева Алёна Владимировна

Проверил: Климкин М.А.

г. Уфа

Целями работы являются:

а) практическое ознакомление с устройством и работой установки с

псевдоожиженным слоем зернистого материала;

б) экспериментальное определение зависимости ∆Pсл = f(ω) и построение

кривой псевдоожижения;

в) определение скорости начала псевдоожижения экспериментальным и

расчетным способами.
Теоретическая часть:

Особенности гидродинамики псевдоожиженного слоя (для случая псевдоожижения газом)

Если через слой зернистого материала, расположенного на газопроницаемой решетке, пропускать поток газа, то сопротивление слоя будет зависеть от скорости газа.

Различают фиктивную и истинную скорость газа. Фиктивной называют среднюю скорость газа в поперечном сечении незаполненного аппарата, т.е.

ω = (1.1)

где V – объемный расход газа через аппарат;

F – площадь поперечного сечения аппарата.

Истинная скорость газа ω_ист – это средняя скорость газа в промежутках между частицами псевдоожиженного слоя. Истинная скорость ω_ист всегда больше фиктивной скорости ω. Определение истинной скорости затруднительно, поэтому в расчетах обычно используют фиктивную скорость газа ω.

Зависимость между гидравлическим сопротивлением псевдоожиженного слоя и фиктивной скоростью называют кривой псевдоожижения (рисунок 1.1). Характер кривой псевдоожижения легко установить экспериментально

---

, измеряя перепад давления ∆P на участке псевдоожиженного слоя высотой H при различных значениях скорости газа.

При постепенном увеличении скорости газа от 0 до некоторого критического значения к ω наблюдается процесс фильтрования газа через слой неподвижных частиц зернистого материала. На кривой идеального псевдоожижения монодисперсных частиц процессу фильтрования соответствует восходящая ветвь (рисунок 1.1, кривая 1). При фильтровании перепад давления на слое возрастает с увеличением скорости газа.

При скорости ω_к начинается псевдоожижение твердых частиц. Эту скорость называют первой критической скоростью, или скоростью начала псевдоожижения.



Рисунок 1.1 – Кривые псевдоожижения

Порозность слоя зернистого материала

Рыхлость (плотность) упаковки частиц слоя зернистого материала характеризует порозность (пористость).

Порозность слоя твердых частиц ε есть объемная доля пустот в слое

ε = , (1.2)

где V_сл и V_т – соответственно объем слоя и объем твердых частиц в нем.

Порозность неподвижного слоя ε0 зависит от формы, фракционного состава, размера и способа упаковки частиц, и не зависит от скорости газа.

Для неподвижного слоя сферических частиц одинакового размера (монодисперсный слой частиц) независимо от их диаметра принимают ε0≈0,4. От величины порозности зависит гидравлическое сопротивление неподвижного слоя и, следовательно, крутизна реальной кривой псевдоожижения на участке фильтрования.

Расчет скорости начала псевдоожижения (для случая сферических частиц одинакового диаметра)

Для определения первой критической скорости (скорости начала псевдоожижения) используют динамическое условие возникновения псевдоожиженного слоя.

Согласно этому условию псевдоожижение наступает, когда сила гидравлического сопротивления слоя станет равна весу всех частиц G_сл за вычетом архимедовой силы G_А:

∆Р_сл ⸱ F = G_сл - G_А, (1.3)

где ΔР_сл – перепад давлений на слое в момент начала псевдоожижения (рисунок 1.1, точка А).

Чтобы найти с помощью выражения (1.4) скорость ω

---

_1кр, следует выразить через нее перепад давления ΔР_сл. Это можно сделать, учитывая, что на идеальной кривой псевдоожижения фильтрование плавно переходит в псевдоожижение. В силу этого при ω = ωk еще остаются справедливыми закономерности фильтрования. Они состоят в следующем. Фильтрование газа через неподвижный слой частиц рассматривается как течение через систему параллельных извилистых каналов. При ламинарном течении среды можно воспользоваться формулой Кармана – Козени для удельного сопротивления слоя монодисперсных частиц:

r = (1.5)

где d – диаметр частиц; µ - вязкость фильтрующейся среды; ψ – коэффициент формы частиц; ε0 – насыпная порозность слоя.

Для точки перехода слоя частиц из неподвижного состояния в псевдоожиженное (точка А, 5) можно записать кинетический закон

ω = ω_k = (1.6)

или

ω_k = (1.7)

Формулу (1.7) можно представить в критериальном виде. Умножая обе её части на , получим:

Re_k = В·Ar (1.8)

B = – число Рейнольдса, соответствующее ωk ;

Ar = - критерий Архимеда.

Формула (1.7) пригодна для ламинарного режима. Для всех режимов фильтрования в монодисперсном слое скорость начала псевдоожижения можно рассчитать по критериальной формуле Тодеса:

Re_k = (1.9)

По формулам (1.7) и (1.8) можно рассчитать и первую критическую скорость ωk, если известна величина постоянной В.

Описание лабораторной установки:

Изучение гидродинамики псевдоожиженного слоя и построение кривой псевдоожижения опытным путем осуществляют на лабораторной установке, изображенной на рисунке 1.2.



1 – пьезометрические трубки; 2 – царга; 3 – газораспределительная решетка; 4 – газодувка; 5 – частотный преобразователь; 6 – измерительная диафрагма; 7 – преобразователь давления для расхода Воздуха; 8 – вторичный прибор «расход Воздуха»; 9 – преобразователь давления ∆Р

---

_сл; 10 – вторичный прибор ∆Р_сл.

Рисунок 1.2 - Схема экспериментальной установки

Методика проведения эксперемента:

При самостоятельной работе, получив разрешение преподавателя, необходимо:

1. 
   Повернуть переключатель «Включение установки» и включить её, а переключатель выбора лабораторной работы установить в положение «Гидродинамика псевдоожиженного слоя».
   
2. 
   Верньерное устройство изменения числа оборотов газодувки установить на начальное положение (определяется преподавателем), зафиксировать по цифровому прибору измеренный перепад давления между концами пьезометрических трубок (∆Р_сл, Па).
   
3. 
   Далее увеличивая число оборотов газодувки верньерным устройством по порядку, определённому преподавателем фиксировать показания цифрового прибора для каждого его положения (15÷20 положений). Сначала от начального положения до крайнего (прямой ход), затем всё повторить в обратной последовательности (обратный ход). Перед записью показателей необходимо выдержать время 5-7 минут.
   
4. 
   Изменяя расход воздуха, наблюдать за состоянием зернистого слоя.
   
5. 
   Результаты эксперимента занести в таблицу 1.2.
   

Таблица 1.2 – Экспериментальные данные

№	Перепад давления на измерительной диафрагме ∆P, Па		Толщина слоя, см		Объемный расход воздуха V, м³/ч		Фиктивная скорость газа ώ, м/с			Перепад давления на участке слоя, ∆Pсл., Па
	В прямом ходе	В обратном ходе	В прямом ходе	В обратном ходе	В прямом ходе	В Обратном ходе	В прямом ходе		В обратном ходе	В прямом ходе	В обратном ходе
1	34	35	8,4	8,4	16,33	16,57	0,257		0,261	1263,8	1263,8
2	42	46	8,4	8,4	18,15	18,99	0,285		0,299	1263,8	1263,8
3	61	67	8,4	8,4	21,87	22,92	0,344		0,360	1263,8	1263,8
4	90	97	8,4	8,4	26,56	27,58	0,418		0,434	1263,8	1263,8
5	129	138	8,4	8,4	31,80	32,89	0,500		0,517	1263,8	1263,8
6	177	191	8,4	8,4	37,25	38,70	0,586		0,609	1263,8	1263,8
7	236	263	8,4	9,5	43,01	45,41	0,676		0,714	1263,8	1429,4
8	342	372	13	12	51,78	54,00	0,814		0,849	1955,9	1805,5
9	463	498	16	13	60,25	62,48	0,948		0,983	2407,3	1955,9
10	596	626	17	15,5	68,36	70,06	1,075		1,102	2557,8	2332,1
11	745	785	18,5	17	76,43	78,45	1,202	1,234		2783,5	2557,8
12	835	957	20	18,5	80,91	86,62	1,272	1,362		3009,2	2783,5
13	1115	1140	23,5	23	93,49	94,54	1,470	1,487		3535,8	3460,5
14	1310	1310	27	27	101,34	101,34	1,594	1,594		4062,4	4062,4

---

Обработка экспериментальных данных:

---