Файл: Лабораторная работа пиапп.docx

Некоторые советские авторы, изучавшие механизм потери устойчивости конического слоя на плоской (4-5 диаметров частиц слоя) двухмерной модели аппарата, утверждают, что сначала деформируется верхний слой частиц. Это происходит не во всем слое, а в осесиметричном центральном элементе его, имеющим форму перевернутого конуса с углом раствора 180⁰–2α и диаметром основания Д_в. После деформации нижнего слоя у входного отверстия “каверна” (пузырь), распространяющаяся вверх. Пик кривой фонтанирования (точка В) свидетельствует о деформации всех слоев, а прорыв “каверны” на поверхность слоя соответствует точке Д.

Фонтанирующий слой характеризуется 3-мя скоростями:

1. критическая скорость фонтанирования ω_кр.ф., соответсвующие максимальному перепаду давления в слое ∆Р_max;

2. скорость начала устойчивого фонтанирования ω_н.у.ф, при которой наступает хорошее перемешивание слоя;

3. скорость конца устойчивого фонтанирования ω_к.у.ф, пр повышении которой начинается поршнеобразование.

Критическая скорость фонтанирования зависит от высоты слоя, физических характеристик частиц и воздуха, а также от геометрических характеристик установки:

(1)

где: D₀ – диаметр верхнего сечения слоя, м:

Скорость начала устойчивого фонтанирования может быть определена из соотношения :

(2)

На скорость конца устойчивого фонтанирования ω_к.у.ф также оказывает влияние высота аппарата Н_апп. И диаметр сепарационного пространства D_сеп:

(3)

Зависимости (1) – (3) справедливы в диапазоне 20<Re_вит<2460

Отношение максимального перепада давления к перепаду при устойчивом фонтанировании зависит от геометрии аппарата и физических свойств воздуха и частиц:

(4)

Зависимость (4) справедлива в диапазоне 4,4 ∙10³<Ar<1,4 ∙10⁶

Фонтанирующий слой имеет целый ряд преимуществ перед кипящим: большая интенсивность процесса, более упорядоченная циркуляция материала, отсутствие газораспределительной решетки, возможность обработки полидисперсных материалов.

К недостаткам фонтанирующего слоя относятся сравнительно низкая интенсивность процесса тепломассообмена в пристеночной зоне, большой пик перепада давления слоя при выходе на режим фонтанирования и истирания материала.

В связи с этим основными направлениями интенсификации аппаратов фонтанирующего слоя является активизация пристеночной зоны, снижение пускового пика перепада давления и повышения кратности циркуляции частиц в слое.

На рис. 3 показаны некоторые конструкции аппаратов с модифицированным фонтанирующим слоем. Основной идеей, заложенной в эти конструкции, является активизация пристеночной зоны, являющейся наименее активной в аппарате боковые хордальные вводы, расположенные на конусной части аппарата (рис 3а), существенно изменяет гидродинамическую структуру потоков в аппарате, ускоряя циркуляцию частиц из периферийной зоны в ядро.

а) с хордальными вводами; б) с вращающимся слоем материала; в) с искусственно сформированным ядром и встречными струями; г) с тангенциальными щелевыми соплами.

I– ожижающий агент;II– исходный материал;III– распыливающий агент;IУ – готовый продукт; У – воздух на сепарацию частиц; УI– высокотемпературный агент; УII– газовзвесь.

Рисунок 3 – Схемы аппаратов с модифицированным фонтанирующим слоем

Аппарат с вращающимся слоем материала (рис. 3б) по структуре потоковой твердой фазы близок к аппарату идеального вытеснения, т.к. рецикл материала отсутствует.В аппарате, показанном на рис.3в, во взвешенном слое установлена трубчатая вставка, которая служит для искусственного формирования ядра и снижения пускового пика перепада давления, но главное ее назначение – регулирование времени цикла циркуляции τ_цтвердой фазы в аппарате.

Аппарат с пирамидальным днищем и щелевыми соплами, показаный на рис.3г, служит для обработки дисперсных материалов повышенной истираемостью и адгезионными свойствами. За счет ввода щелевых сопел объем центрального ядра увеличен, что приводит к интенсификации процесса тепломассообмена в таком аппарате.

Соотношение потоков æ: 1 – 0; 2 – 0,33; 3 – 0,6; 4 – 0,66; 5 – 0,73.

Рисунок 4 – Кривые фонтанирования

Для аппаратов с боковыми вводами теплоносителя, показаных на рис. 3, кривые фонтанирования имеют спецефическую особенность, обусловленную соотношением суммарного бокового и общего потока воздуха æ = ∑L_бок/L_общ(см. рис.4).С ростом соотношения потоков происходит снижение пика перепада давления ∆Р_maxи уменьшением ω_н.у.ф,но в тоже время происходит некоторое увеличение перепада давления ∆Р_ф. Последнее обстоятельство объясняется увеличением подвижности частиц в пристроечной зоне, что приводит к увеличению массы материала, находящегося в состоянии фонтанирования (т.е. в ядре слоя).

Как видно из рисунка 4, оптимальными являются соотношения потоков æ =0,66-0,73 (кривые 4,5) при которых пик перепада давления минимален, а рабочий перепад давления ∆Р_фпримерно равен начальному перепаду давления ∆Р₀, обусловленному только наличием боковых потоков. На основании последнего можно сделать важный вывод, что при оптимальном соотношении потоков æ массы частиц, находящихся во вращающемся слое и в состоянии фонтанирования, должны быть одинаковы.

Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рис. 3 в предыдущей работе №4. Воздух на фонтанирование подается вентилятором 1, при этом кран 6 закрывается, а кран 7 открывается. Расход воздуха измеряется с помощью трубки Пито-Прандтля 9 и блока манометров 10. Сетки 12,13 служат соответственно для удержания материала в аппарате при нерабочем состоянии и для предотвращения уноса материала из аппарата.

Методика выполнения работы

В аппарат фонтанирующего слоя 3 засыпается сыпучий материал и измеряется начальная высота слоя Н₀. Вентилятор 1 выключается при полностью закрытых кранах 6,7. Затем медленно открывают кран 7 и снимают 2-3 точки в режиме фильтрации. Один из студентов неотрывно следит за показаниями манометров 10, стараясь заметить максимальную разность уровней жидкости в трубках Л-М. Очень важно не упустить этот момент т.к. в противном случае придется начинать все сначала. В режиме устойчивого фонтанирования также снимаются 2-3 точки , увеличивая расход воздуха до тех пор, пока не начнется поршнеобразование в слое.

Для каждой точки измеряют: расход воздуха V_в(трубки В-Г) с помощью тарировочного графика, размещенного на установке; перепад давления в слое ∆Р_сл.(л-м). Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Обработка результатов измерений

Вначале рассчитывается скорость воздуха ω, м/с в патрубке:

(5)

Строится кривая фонтанирования , по которой определяются все искомые скорости. По формулам (1) – (3) аналитически рассчитываются те же скорости и сравниваются с экспериментально найденными, оценивается относительная погрешность по формуле:

(6)

По формуле (4) рассчитывается соотношение и сравнивается с экспериментальным. Оценивается погрешность по формуле, аналогичной (6).

Для расчета необходимо использовать справочные данные по скоростям витания для различных материалов, либо воспользоваться результатами лабораторной работы № по изучению скорости витания сыпучих материалов. Результаты заносятся в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты эксперимента и расчетов

Необходимые данные для расчета:

d₀=0,026 м; ρ_в=1,2 кг/м³; ρ_м=980 кг/м³; ν_в=15,06∙10^-6м²/с; Н_ап=0,43 м; α=40˚;D_сеп=0,18 м.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается фонтанирование от псевдоожижения?

2. Какие существуют зоны в фонтанирующем слое?

3. Почему при фонтанировании пусковой пик перепада давления больше, чем при псевдоожижении, а рабочий пик – меньше?

4. Какова природа пика перепада давления в фонтанирующем слое?

5. Почему кривая фонтанирования снимается при прямом ходе?

6. Как изменяется диапазон существования фонтанирующего слоя от его высоты?

7. Какая порозность в ядре слоя и пристенной зоне?

8. Как изменяется порозность в ядре слоя по высоте?

9. Как подобрать вентилятор для фонтанирующего слоя?

Лабораторная работа №6

Гидравлические испытания кожухотрубного теплообменника

Цель работы:

Провести гидравлические испытания кожухотрубного теплообменника и установить явный вид критериального уравнения при движении воздуха через кожухотрубный теплообменник.

Основы теории

При осуществлении большинства технологических процессов возникает необходимость в транспортировке рабочих сред. Это осуществляется с помощью насосов (жидкие среды) либо вентиляторов и компрессоров (газообразные среды). Выбор транспортирующих устройств осуществляется по двум параметрам: секундному расходу рабочей среды и требуемому напору Н (либо давлению, развиваемому на выходе из транспортирующих устройств Р). В дальнейшем это давление расходуется на преодоление гидравлического сопротивления трубопроводов, аппаратов,складывается из потерь на: преодоление сил трения по длине тракта ∆Р_тр, преодоление местных сопротивлений∆Р_мс, и создание гидродинамического давления∆Р_гд.

(1)

Потери давления на преодоление трения по длине трубопровода– это потери энергии, которые в чистом виде возникают в прямых трубах постоянного сечения и возрастают пропорционально длине трубы при постоянном расходе среды. Эти потери обусловлены не только трением среды о стенки трубопроводов, аппаратов, но и трением между слоями жидкости. Поэтому эти потери имеют место не только в шероховатых, но и гладких трубах и отсутствуют при транспортировке идеальных жидкостей. Для расчетаиспользуют формулу Дарси-Вейсбаха