Быстрый поиск

Учебное пособие: Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии

Министерство образования и науки РФ

Иркутский государственный технический университет

Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии

Методические указания по лабораторным работам

по курсам « Процессы и аппараты химической технологии» и

«Процессы и аппараты пищевых производств»

Иркутск 2004г.

Определение гидравлических сопротивлений

трубопровода и арматуры

Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление контрольных участков трубопровода и арматуры. Сопоставить справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.

Основные определения и теория процесса

Трубопроводная сеть включает в себя прямые участки труб и местные сопротивления, в которых поток жидкости (газа) изменяет свою скорость по величине и направлению. К местным сопротивлениям относятся вентили, краны, задвижки, диафрагмы, повороты труб, внезапные и плавные расширения или сужения и т.д.

При движении среды по трубопроводной сети, вследствие вихреобразования и трения, энергия давления переходит в другие ее виды, в результате чего давление по длине сети падает. Если выбрать участок трубопровода и измерить давление на его границах, то разность измеренных величин будет потерей давления или гидравлическим сопротивлением данного участка.

Гидравлическое сопротивление прямого участка сети без местных сопротивлений рассчитывается по формуле:

(1)

где ΔРтр потеря давления на трение в прямой трубе, Па;

l – длина трубы, м;

d – внутренний диаметр трубы, м;

ρ – плотность жидкости, кг/м3;

w – скорость потока, м/с.

Коэффициент трения λ является безразмерной величиной и зависит от режима движения жидкости. Формулы для его расчета приведены в [1].

Потеря давления на трение в змеевике ΔРзм больше, чем в прямой трубе ΔРтр:

ΔРзм = ΔРтр ·ψ (2)

Безразмерный поправочный коэффициент ψ>1 вычисляют по формуле:

Ψ = 1+ 3,54

где d – внутренний диаметр трубы, м;

D – диаметр витка змеевика, м.

Потеря давления в местных сопротивлениях рассчитывается по формуле:

(3)

Коэффициенты местного сопротивления зависят от вида сопротивления и берутся из справочных таблиц [1].

Описание установки

Вода из напорного бака 1 с помощью центробежного насоса 2 подается через систему различных гидравлических сопротивлений и поступает обратно в бак. Бак установлен выше насоса и питается от общего коллектора холодной воды. Поступив в первую линию, поток проходит сначала диафрагму 3, затем плавное расширение и плавное сужение 4. Далее поступает в четырехвинтовой горизонтально расположенный змеевик 5 диаметром 480мм. Затем проходит внезапное расширение и внезапное сужение потока 6. Диаметр основных труб составляет 55х2,5 мм. Диаметр большой трубы – 100х2,5 мм.

На разветвлении потока установлен коллектор, из которого жидкость с помощью задвижек 8, 12, 13 может быть направлена по второй, третьей или четвертой линии. На второй линии установлены дополнительно кран 9 и вентили 10, 11. На четвертой линии имеется прямой участок трубы 14 длиной 5м, предназначенный для исследования сопротивления трения. Запорная арматура имеет условный проход 50 мм.

Изменение скорости движения жидкости в трубопроводе достигается регулировкой расхода с помощью вентиля на линии нагнетания насоса. Расход воды измеряется диафрагмой 3, по показаниям дифференциального манометра 7. Потери давления при прохождении потока по прямому участку трубы, а также через арматуру, сужения и расширения измеряются тем же дифманометром, который работает в комплекте со вторичным прибором.

Порядок выполнения работы

1. Заполнить напорный бак водой.

2. Открыть вентили на всасывающем и нагнетательном трубопроводе центробежного насоса.

3. Закрыть задвижки 8, 12 и открыть задвижку 13.

4. Включить центробежный насос.

5. Измерить перепад давления на диафрагме 3 и определить расход воды по графику.

6. Измерить поочередно перепады давления на плавном расширении 4, змеевике 5, резком расширении 6, прямом участке 14. Результаты измерений занести в таблицу.

Рисунок 1- Схема Установки

1- напорный бак

2- центробежный насос

3- диафрагма

4- плавное расширение

5- змеевик

6- внезапное расширение

7- вентили нормальные

7. Закрыть задвижку 13 и открыть задвижку 8 и выполнить замеры перепада давления на кране 9 и вентилях 10, 11. Результаты измерений занести в таблицу 1.

8. Далее с помощью вентиля на нагнетательном трубопроводе изменяют расход воды и выполняют все измерения для второго опыта.

Таблица 1 - Измеренные величины

Наименование величин

Обозначение

Размерность

Значение

Расход воды по диафрагме

V

м3/с

Потери давления

- на прямом участке

- на плавном расширении

- на змеевике

- на резком расширении

- на резком сужении

- на кране

- на вентиле

- на диафрагме

ΔРтр.

ΔРпл.р.

ΔРзм.

ΔРр.р.

ΔРр.с.

ΔРкр.

ΔРвн

ΔРд.

Па

Обработка результатов измерения и содержание отчета

1. На основе перепада давления на диафрагме по градуировочному графику определяют расход воды V, м3/с.

2. По уравнению расхода V = w · S рассчитывают скорость потока на контрольных участках трубопроводной сети (для случаев сужения и расширения расчетную скорость находят по наименьшему сечению трубопровода).

3. Определяют число Рейнольдса

4. Исходя из опытных значений потери давления на различных участках трубопровода с помощью уравнений (1) и (2) рассчитывают экспериментальные значения λ и для обоих опытов и полученные результаты заносят в таблицу 2. Для рассматриваемого змеевика ламинарный режим при Re ≤ 9000 [1].

5. По графику или соответствующему уравнению устанавливают величину λ при шероховатости трубы е = 0,2 мм [1].

6. Находят величины по данным таблиц в приложении [1]. Значения λ и заносят в таблицу 2, в графу справочные данные.

7. Сопоставляют справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.

Отчет должен включать формулировку цели работы, схему установки, описание методики измерений и расчеты необходимых параметров.

Таблица 2 – Рассчитанные величины

Наименование величин	Обозначение	Размерность	Значение	Справочные данные
Скорость потока	W	м/с
Число Рейнольдса	Re
Коэффициент трения: - прямой трубы - змеевика	λ тр. λ зм.
Коэффициент местных сопротивлений: - плавного расширения - резкого расширения - резкого сужения - крана - вентиля - диафрагмы	пл.р. р.р. р.с. кр. вн. д.

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ

И НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН

Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление сухих и орошаемых контактных элементов – тарелок и насадок. Сопоставить измеренные величины с рассчитанными по эмпирическим зависимостям.

Основные определения и теория процесса

Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической и других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействие восходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз (абсорбция, ректификация).

Тарельчатые колонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй.

Насадочные колонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда пар или газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по насадке.

Существует большое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [2].

Наиболее распространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются из керамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральная насадка и др. [2].

Назначение тарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хороший контакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессов тепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.

Для того чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратить мощность на преодоление гидравлических сопротивлений.

N = Δ P · V (1)

где Δ P – гидравлическое сопротивление колонны, Па;

V – объемный расход газа, м3/с.

Для колпачковых тарелок гидравлическое сопротивление рассчитывают как сумму трех составляющих:

Δ Pт = Δ Pсух. + Δ Pσ + Δ Pс.т. (2)

где Δ Pсух = – сопротивление сухой тарелки, Па;

Δ Pσ = – сопротивление связанное с преодолением сил

поверхностного натяжения жидкости, Па;

Δ Pст = – сопротивление, оказываемое слоем

жидкости на тарелке, Па.

Здесь: ρж – плотность жидкости, кг/м3;

ρг плотность газа, кг/м3;

– коэффициент сопротивления колпачковой тарелки (≈ 5);

σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

m – высота прорезей колпачка, м;

b – ширина прорезей колпачка, м;

w0 = w/ψ скорость газа в прорезях колпачка, м/с;

w = V/S – скорость газа в колонне, м/с ;

V – расход газа, м3/с;

S – площадь сечения колонны, м2;

ψ – доля сечения прорезей колпачка определяется как отношения их суммарной площади на тарелке к площади поперечного сечения колонны S, кг/м3;

К отношение плотности пены к плотности чистой жидкости

(К ≈ 0,5);

l –расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога, м (l = 0,01м);

g – ускорение свободного падения, м/с2;

Δ h = (Vж /ПК) – подпор жидкости над переливным устройством, м;

Vж – объемный расход жидкости, м3/с;

П – периметр слива жидкости, м.

С увеличением скорости газа растет гидравлическое сопротивление тарелок, и при некоторых значениях W расходы энергии могут оказаться слишком большими. Однако чаще предельное значение скорости газа в тарельчатых колоннах определяется величиной брызгоуноса, который определяется как отношение количества жидкости, уносимого одним килограммом газа с нижележащей на вышележащую тарелку. Величину брызгоуноса е (кг жидкости/кг газа) для колпачковых тарелок можно определить по формуле:

е = (11,5 · 10-6/σ) · (W/НС)3,2 (3)

где НС высота сепарационного пространства, представляющая собой расстояние от верхней кромки пены до вышележащей тарелки, м.

Допустимая величина брызгоуноса составляет 0,1 кг/кг. Если значение больше 0,1, то необходимо уменьшить скорость газа в колонне.

Максимальный расход жидкости в колонне определяется сечением переливного устройства, обеспечивающего переток жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую. При этом допустимая скорость жидкости в переливном устройстве можно рассчитать как

, м/с (4)

Сопротивление орошаемой насадочной колонны можно рассчитать исходя из величины гидравлического сопротивления сухой насадки

Δ Pн = Δ Pсух. · [1+8,4(L/G)0,4(ρг/ρж) 0,23 ] (5)

Сопротивление сухой насадки зависит от высоты слоя Н и определяется как

(6)

где a – удельная поверхность насадки, м2/м3

a = 300

ε доля свободного объема насадки, м3/м3

ε = 0,7

Обе эти величины зависят от вида насадки и берутся из справочных таблиц [2].

Коэффициент сопротивления λ зависит от числа Рейнольдса для газа

Reг

При Reг < 40 λг = 140/Reг

При Reг > 40 λг = 16/Reг0,2

В зависимости от скорости газа возникают различные режимы работы насадочной колонны: пленочный, подвисания, захлебывания, эмульгирования.

При достижении определенной скорости газа, называемой «точкой инверсии фаз» происходит резкое изменение в характере гидродинамической обстановки. В этот момент насадка полностью заполняется жидкостью, а газ начинает барботировать через нее в виде пузырьков и струек. Дальнейшее увеличение скорости может привести к захлебыванию колонны, при котором нарушается противоток газа и жидкости и жидкость выбрасывается из верхней части колонны. Очевидно, что рабочая скорость должна быть меньше, чем скорость захлебывания Wз, которую можно найти из уравнения:

Страницы: 1, 2