 |
Схема экспериментальной установки
|
|
|
|
Министерство образования Российской Федерации
Воронежская государственная технологическая академия
Кафедра ПАХПП
О Т Ч Ё Т
по лабораторной работе № 1
«Изучение гидродинамики взвешенного слоя.»
по курсу «Технологические процессы и оборудование»
Специальность 210200 АТП
Автор отчёта студент
группы А-018 Доценко Д.С.
Руководитель доцент Зотов А. П.
Воронеж 2001
Цель работы: получение экспериментальной и расчетной зависимости гидравлического сопротивления слоя DR, высоты слоя h и прозрачности e от скорости газа w0; определение критической скорости газа wкр; проверка основного уравнения взвешенного слоя.
Теоретическая часть.
Зернистый слой материала, расположенный на газопроницаемой поддерживающей решётке, в зависимости от скорости восходящего потока газа может переходить во взвешенное состояние или оставаться при этом неподвижным (фильтрующим). Взвешенный слой за внешнее сходство с поведением обычной капельной жидкости (текучесть, способность принимать форму того сосуда, в который она помещена и т.д.) называют псевдоожиженным.
Основные характеристики движения в слое следующие:
Гидравлическое сопротивление DPсл, Па, неподвижного слоя высотой h0 и площадью поперечного сечения f = pD2/4 определяется по формуле Дарси – Вейсбаха DPсл = l×l×r×w2/2d (1)
где l = h0×j - длина каналов в слое, по которым движется газовый поток, м;
j - коэффициент, учитывающий извилистость каналов в слое
(для слоя зернистого материала, используемого в работе, j =1,2);
w - истинная скорость газа в каналах зернистого слоя, м/c;
dэкв – эквивалентный диаметр каналов зернистого слоя, м;
|
|
|
l - гидравлический коэффициент трения при движении газа в слое.
Истинная скорость газа в каналах зернистого слоя, м/c,
w = w0/e (2)
где w0 – cскорость газа, отнесённая к полному поперечному сечению
аппарата (фиктивная скорость), м/c;
e - порозность слоя (объёмная доля газа в слое), м3/м3.
Фиктивная скорость, м/c,
w0 = Vг/fк = 4Vг/pD2 (3)
где Vг – объёмный расход газа в аппарате, м3/c;
D – диаметр аппарата, м;
fк – площадь живого сечения колонны, м2.
Порозность слоя, м3/м3,
e = (Vcл – Vтв)/Vcл = 1 – (Vтв/Vcл) = 1 – (Gтв/rтв)/(h×p×D2/4) (4)
где Vcл – общий объём, занимаемый слоем зернистого материала, м3;
Vтв – объём твёрдых частиц в слое, м3;
Gтв – масса твёрдых частиц слоя в аппарате, кг;
rтв – плотность твёрдых частиц слоя, кг/м3;
h – высота слоя, м.
Критерий Рейнольдса для слоя
Recл = w×dэкв×r/m= 2/3×(w0×d×r)/(m×(1-e0)) (5)
где r - плотность газа, кг/м3;
m - динамическая вязкость газа, Па×с.
Гидравлический коэффициент трения при ламинарном режиме (Reкр£ 2)
Определяется по формуле Пуазейля l = 64/Recл, тогда
DPcл = (72×(1-e0)2/e3j)×(w0×m×h0/d2) (6)
При турбулентном режиме движения используют эмпирическую формулу
Эргана DPсл =[(150(1-e0)2/e3)×(m×w0/d2))+1,75×(1-e0)×(r×w02)/e0×d]×h0 (7)
Зависимости высоты слоя h, порозности слоя e и гидравлического сопротивления слоя DPcл от скорости газа в аппарате w0 называются кривыми псевдоожижения.
При небольших значениях скоростей газа слой остаётся неподвижным (фильтрующим), высота и порозность слоя остаются постоянными, а сопротивление слоя увеличивается с увеличением скорости. При некоторой скорости газа, называемой критической wкр, весь слой твёрдых частиц переходит во взвешенное состояние. Начиная с wкр, растёт высота слоя, порозность cлоя с увеличением расхода газа будет повышаться от e0 » 0,4 для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диаметра до e = 1 при Vcл>>Vтв и предельной для взвешенного слоя скорости уноса частиц из аппарата wун. После перехода слоя во взвешенное состояние сопротивление слоя DPcл несколько падает и в дальнейшем в течение всего времени существования псевдоожиженного слоя сохраняет своё постоянное значение. Это объясняется тем, что с повышением расхода газа и его фиктивной скорости w0 одновременно увеличивается объём взвешенного слоя и расстояние между частицами.
|
|
|
Вследствие этого истинная скорость между частицами w, от которой зависит сопротивление слоя, остаётся неизменной до достижения скорости уноса частиц из аппарата.
Основное уравнение взвешенного слоя вытекает из равенства сил динамического воздействия потока на частицу и архимедовой силы весу частиц
DRcл=g(rтв-r)(1-e0)h0. (8)
Таким образом, за счёт расширения псевдоожиженный слой зернистого материала способен как бы автоматически поддерживать постоянство своего гидравлического сопротивления в значительном диапазоне рабочих скоростей (wкр<w0<wун). При достижении скоростью псевдоожижающего потока значений, превышающих скорость начала уноса частиц w, весовое количество частиц в слое начинает падать и, следовательно, начинает убывать сопротивление такого слоя DR.
Высота взвешенного слоя, м, рассчитывается по формуле
h=h0×(1-e0)/(1-e) (9)
Для расчёта аппаратов со взвешенным слоем необходимы уравнения, устанавливающие связь между физическими свойствами газа и твёрдых частиц, скоростью газа w и порозностью слоя e. Такие эмпирические уравнения представляют в виде зависимостей обобщёнными безразмерными переменными, так называемыми критериями подобия, которые включают все физические величины, влияющие на рассматриваемый процесс.
В гидравлике взвешенного слоя очень удобной для расчётов и наглядной является графическая зависимость между критериями Лященко и Архимеда Ly=f(Ar), где критерий Лященко
Ly=(wкр3×r2)/(m×(rтв-r)×g) (10)
Критерий Архимеда
Ar = (d3r(rтв-r)×g)/m2 (11)
Схема экспериментальной установки
Описание установки.
Установка состоит из стеклянной колонки 1 с внутренним диаметром D=0.055м, воздуходувки 2 для подачи воздуха в колонку, ротаметра 3 для измерения расхода воздуха, регулировочного вентиля 4 и дифференциального U-образного манометра 5 для измерения гидравлического сопротивления слоя. На газопроницаемую поддерживающую решетку в нижней части колонки помещено 0,23 кг твердого материала плотностью rтв=1330 кг/м3 из шарообразных частиц диаметром d=2*10-3м, образующего слой высотой h0. для предотвращения уноса частиц в атмосферу в верхней части колонки установлена сетка, а для измерения температуры воздуха – термометр 6.
|
|
|
|
|
|
