Методическое обеспечение: Таранова Л.В.
Редактор: Масагутов К.Х.
3D графика: Дубин А.Н.
Script программирование: Масагутов К.Х.
Управление проектами: Сергиенко Е.В.
Лабораторная работа
Тема: Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности к псевдоожиженному слою
Раздел: «Тепловые процессы»
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель работы: Изучение процесса теплообмена в псевдоожиженном слое.
2. ТЕОРИЯ
Для псевдоожиженного слоя твердых частиц характерна высокая интенсивность теплообмена с погруженной в него поверхностью змеевика. В зависимости от размеров частиц, скорости потока псевдоожижающего агента, диаметра теплообменных труб и других факторов величина коэффициента теплоотдачи может изменяться от 200 до 1000 Вт/(м2×К). Это свойство псевдоожиженного слоя широко используется в промышленных аппаратах для отвода (регенераторы установок каталитического крекинга) или подвода тепла (сушка адсорбента на установках адсорбционной очистки масел).
Значительное влияние на коэффициент теплоотдачи от слоя к теплопередающей поверхности оказывают гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя, связанные со скоростью псевдоожижающего агента (газа). При повышении скорости псевдоожиженного агента от критической (скорость начала псевдоожижения) до некоторого значения коэффициент теплоотдачи растет в связи с повышением интенсивности движения частиц в слое. Однако, при дальнейшем увеличении скорости псевдоожижающего агента, основная его часть начинает проходить через слой в виде газовых пузырьков, которые, омывая поверхность теплообмена, снижают коэффициент теплоотдачи. Поэтому при дальнейшем увеличении скорости газа коэффициент теплоотдачи уменьшается.
Целью данной работы является экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи от поверхности змеевика к псевдоожиженному слою при различных значениях скорости псевдоожижающего агента. В качестве теплоотдающей среды принята горячая вода, псевдоожижающего агента – воздух.
Расчет параметров процесса теплоотдачи для псевдоожиженного слоя проводят с использованием следующих расчетных уравнений.
Количество тепла, передаваемого от воды к псевдоожиженному слою, определяется по уравнению:
Q = M·CВОД ·(tB1 - tB2) (1)
где: М – массовый расход воды, кг/с; СВОД – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×°С) (см. Приложение 1 ); tВ1, tВ2 – начальная и конечная температуры воды, °С.
Общий коэффициент теплопередачи, отнесенной к наружной поверхности трубы:
(2)
где: FH = π·dH ·l – площадь наружной поверхности трубы, м2; dH – наружный диаметр трубы, м; l = n π·Dзм– длина трубы, м, n - число витков = 12;
tB – средняя температура воды в трубе, К; tСЛ – температура псевдоожиженного слоя, К.
С другой стороны, общий коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности трубы, определяется по уравнению:
(3)
где: a1 – коэффициент теплоотдачи от потока воды к внутренней стенке трубы, Вт/м2×К; a2 – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к псевдоожиженному слою, Вт/(м2×К);
dст – толщина стенки трубы, м; lст – коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м×К) (lст=46,4 Вт/ (м×К));
dвн, dн – внутренний и наружный диаметры трубы, м.
Из уравнения (3) можно найти коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к псевдоожиженному слою, Вт/(м2×К):
(4)
Последнее уравнение и используется при расчете коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности трубы к псевдоожиженному слою (или обратно), если известны все остальные величины.
При небольшой толщине стенки трубы и высокой теплопроводимости материала трубы третьим членом знаменателя правой части уравнения (4) можно пренебречь.
Тогда:
(5)
В это уравнение входит коэффициент a1 от потока воды к внутренней стенке трубы. При переходном режиме (2320 £ Re £ 10000), который будет иметь место в опытах, коэффициент теплоотдачи можно определить по уравнению:
(6)
где: l –
коэффициент теплопроводности теплоотдающего потока (воды),
Вт/(м×К);
Re – критерий
Рейнольдса (Re =
); w –
скорость движения потока в трубе, м/с; r –плотность
воды при средней ее температуре, кг/м3; n – кинематическая вязкость воды, м2/с;
Pr – критерий
Прандтля (Pr =
); С – теплоемкость воды, Дж/(кг×К); μ-
динамическая вязкость воды, Па×с;
εR -
поправка учитывающая увеличение турбулентности потока в змеевике (εR=1+1,77
);
RЗМ –
радиус закругления змеевика, м.
В уравнении (6) все параметры берутся при средней температуре воды (см. Приложение).
3. ОБОРУДОВАНИЕ
3.1 Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии совершается действие (включается кнопка сеть), при нажатии и удерживании поворачивается вентиль
Средняя клавиша мыши (СКМ) – при прокрутке назад (на себя) сцена отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) не используется.
Движение мыши:
движение вправо - сцена движется вправо,
движение влево - сцена движется влево,
движение вверх - сцена движется вверх,
движение вниз - сцена движется вниз.
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.2). В меню можно увидеть кнопки управления (Начать заново, Настройки, Выход), кнопка отображения термостата, кнопки для просмотра показаний имеющихся термометров и ротаметра, а также кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.4), в котором можно включить полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из полноэкранного режима нажать клавишу ESC.
Рис. 3.2. Кнопка вызова меню
Рис. 3.3. Боковое меню
Рис. 3.4. Окно настроек
3.2 Лабораторное оборудование. Описание установки
Для проведения лабораторной работы необходимо следующее оборудование:
Стендовая установка для изучение процесса теплообмена в псевдоожиженном слое (рис.3.5), состоящая из:
× стеклянной колонки (внутренний диаметр 100 мм) заполненной слоем зернистого материала, расположенным на металлической перфорированной решетке;
× воздуходувки;
× ротаметров для измерения расхода воздуха и воды;
× термометров для измерения температуры воды и слоя
× термостата.
|
А) общий вид |
11 10
Б) схема установки |
||||
|
Рис. 3.5. Установка для изучения теплообмена в псевдоожиженном слое: 1 – стеклянная цилиндрическая колонка; 2 – термостат; 3, 4 – ротаметры; 5 – змеевик; 6, 7, 8 – термометры; 9, 10 – вентили; 11 - воздуходувка × |
|||||
Воздух, подаваемый газодувкой 11, поступая через ротаметр 3 в стеклянную колонку 1, приводит слой твердых частиц полистирола в состояние псевдоожижения; расход воздуха регулируют при помощи вентиля 9. Для определения расхода воздуха отмечают показания ротаметра 3 в % (положение поплавка) и пересчитывают показания в расходные единицы (V, м3/ч), пользуясь тарировочным графиком (рис.3.6).
В слой материала погружен змеевик 5, по которому протекает горячая вода, нагревая в термостате 2. Расход воды регулируют при помощи вентиля 10 и регистрируют при помощи ротаметра 4 (в % ) по положению поплавка ротаметра; показания ротаметра пересчитывают в расходные единицы (V, м3/ч), пользуясь тарировочным графиком (рис.3.7).
Температуру воды на входе и выходе из змеевика фиксируют термометрами 6 и 7; температуры в псевдоожиженном слое – при помощи термометра 8.
В опытах расход воды устанавливается в пределах от 0 до 50% по ротаметру. Более высокий расход воды нежелателен, так как при этом из–за небольшой разности начальной и конечной температур воды снижается точность в определении количества переданного тепла.
Температура воды на входе в змеевик устанавливается в пределаx 60–70°С. Более низкая температура воды увеличивает погрешность опытов из–за увеличения ошибки в определении средней разности температур между охлаждающейся водой и псевдоожиженным слоем.
Расход воздуха устанавливают в пределах от 10 до 50% по ротаметру. Нижний предел примерно соответствует началу псевдоожижения, при верхнем пределе скорости воздуха отмечается значительный выброс частиц из аппарата.
Проведение опытов рекомендуется начинать на нижнем пределе расхода воздуха. После достижения заданных расходов воздуха установка в течении 10–15 минут выводится на установившийся режим, который характеризуется постоянством расходных показателей и температур потоков.
Для определения установившегося режима необходимо фиксировать показания термометров через каждые 2–3 минуты до достижения постоянных температур (5–7 значений).
Проведение эксперимента при различном расходе воздуха (4-5 определений) позволяет изучить изменение коэффициента теплоотдачи в зависимости от скорости псевдоожижающего агента (воздуха).
Рис. 3.5. Тарировочная кривая
ротаметра по воздуху
Рис. 3.6. Тарировочная кривая
ротаметра по воде
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: Изучение процесса теплообмена в псевдоожиженном слое и изучение зависимости коэффициента теплоотдачи от расхода псевдоожижающего агента (воздуха).
Порядок выполнения работы
1. Включить термостат (нажать ЛКМ на кнопку «вкл-выкл» на термостате) и установить температуру в термостате (нажать ЛКМ на регулятор температуры) в пределах 60-700С (см. п.3.1).
2. При помощи ротаметра 4 и вентиля 10 (нажать ЛКМ на рычаг регулятора ротаметра) установить расход воды.
3. Включить воздуходувку 11 (нажать ЛКМ на кнопку «вкл-выкл», находящуюся на столе) (см. п.3.1).
4. При помощи ротаметра 3 и вентиля 9 (нажать ЛКМ на рычаг регулятора ротаметра) установить расход воздуха.
5. При этом расходе измеряют:
-температуру воды на входе и на выходе из змеевика (термометры 6 и 7);
- температуру в псевдоожиженном слое материала (термометр 8);
- пользуясь графиком (рис.2) определяют расход воздуха (V, м3/ч) и переводят в м3/с;
- рассчитывают скорость воздуха (w, м/с):
w = V/ S, (7)
где S - площадь поперечного сечения колонки (S=p* Dап 2/4=0,00785 м2)
- пользуясь графиком (рис.3) определяют расход воды (V, м3/ч) и переводят в м3/с;
- рассчитывают скорость воды (w, м/с) по формуле (7):
w = V/ S,
где S - площадь поперечного сечения трубки (S=p* d2/4=0,00785 м2)
Результаты измерений по первому опыту заносят в таблицу экспериментальных данных (табл.1)
Таблица 1
Таблица экспериментальных данных
|
№ |
Расход воды |
Расход воздуха |
Температура, оС |
|||||
|
показания ротаметра, % |
расход, л/сек |
показания ротаметра, % |
расход, л/сек |
вход воды в змеевик |
выход воды из змеевика |
в слое |
в помещении |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6. В той же последовательности повторяют эксперимент 4-5 раз, увеличивая (путем поворота крана 9) расход воздуха. Результаты после каждого эксперимента заносят в табл.1.
Обработка экспериментальных данных:
1. Определяют расход воздуха (м3/сек), приводя его к температуре слоя:
(8)
где tп – температура помещения, °С (см. показания термометра).
2. Находят скорость воздуха в свободном сечении аппарата:
(9)
где Dап – диаметр аппарата, равный 0,1м.
3. Определяют количество тепла, передаваемого слою через стенки змеевика, определяются по уравнению (1):
Q = M·CВОД ·(tB1-tB2) (1)
где: М – массовый расход воды, кг/с; СВОД – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×°С) (см. Приложение 1); tВ1, tВ2 – начальная и конечная температуры воды, °С.
Общий коэффициент теплопередачи К рассчитывается по уравнению (2):
(2)
где: FH = π·dH ·l – площадь наружной поверхности трубы, м2; dH – наружный диаметр трубы, м; l = n π·Dзм– длина трубы, м, n - число витков = 12; tB – средняя температура воды в трубе, К; tСЛ – температура псевдоожиженного слоя, К.
4. По уравнению (6) рассчитывается частный коэффициент теплоотдачи a1 от потока воды к внутренней стенке змеевика:
(6)
где: l –
коэффициент теплопроводности теплоотдающего потока (воды),
Вт/(м×К); Re – критерий Рейнольдса (Re =); w – скорость движения потока в трубе, м/с; r –плотность
воды при средней ее температуре, кг/м3; n – кинематическая вязкость воды, м2/с; Pr –
критерий Прандтля (Pr =); С – теплоемкость воды, Дж/(кг×К); μ-
динамическая вязкость воды, Па×с; εR -
поправка учитывающая увеличение турбулентности потока в змеевике (εR=1+1,77);
RЗМ –
радиус закругления змеевика, м.
В уравнении (6) все параметры берутся при средней температуре воды (см. Приложение).
5. По уравнению (5) определяется коэффициент теплоотдачи от наружной стенки змеевика к псевдоожиженному слою:
(5)
Результаты расчетов для каждого опыта заносятся в табл.2.
Таблица 2
Таблица обработки экспериментальных данных
|
№ |
Средняя скорость воды в змеевике ωв, м/с |
Средняя скорость воздуха в аппарате ωвозд, м/с |
Критерий Рейнольдса для потока воды Re |
Общий коэффициент теплопереда-чи К, Вт/(м2×К) |
Количество переданного тепла Q, Вт |
Частные коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2·град |
|
|
к стенке трубы α1 |
от стенки к слою α2
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
6. По полученным результатам строится график зависимости коэффициента теплоотдачи a2 от скорости воздуха в аппарате.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Основное уравнение теплопередачи, физический смысл.
2. Уравнение теплоотдачи от ожижающего агента к частицам (или наоборот), его физический смысл.
3. Коэффициенты теплопередачи, теплопроводности, их физический смысл и единицы измерения.
4. Способы передачи тепла. Отметьте, какие способы имеют место при передаче тепла от горячей воды к псевдоожиженному слою.
5. Уравнение теплового баланса.
6. Критерии Nu, Re, Pr, Gr; их вид и физический смысл.
7. Укажите, как определяется поверхность теплообмена.
8. Уравнение для определения коэффициента теплопередачи.
9. Определение коэффициентов теплоотдачи от воды к стенке и от стенки к псевдоожиженному слою.
10. Отметьте, от каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи.
11. Поясните, как влияет скорость псевдоожижающего агента на коэффициент теплоотдачи к псевдоожиженному слою.
12. Укажите характер зависимости α2 от скорости воздуха в аппарате.
6. ОТЧЕТ
6.1 Форма отчета
Цель работы___________________________________________________
_______________________________________________________________
Название опыта_________________________________________________
Схема лабораторной установки: (перечислить оборудование, привести эскиз и описание установки)
________________________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
3.______________________________________________________________
и т.д.___________________________________________________________
Порядок проведения работы: (краткий конспект)
1._____________________________________________________________
2._____________________________________________________________
3._____________________________________________________________
4._____________________________________________________________
и т.д.__________________________________________________________
Экспериментальные данные (привести таблицу экспериментальных данных)
________________________________________________________________________________________________________________________________
Обработка экспериментальных данных (привести расчеты по формулам 1-9; таблицу обработки экспериментальных данных; привести графики изменения коэффициента теплоотдачи a2 от скорости воздуха)
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Выводы по работе________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
Ответы на контрольные вопросы
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Работу выполнил__________________________________________
Отчет принял_____________________________________________
«____»______________20___г.
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная:
1. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] : учебник для вузов / А. Г. Касаткин. - 2-е изд., стер., дораб., перепечатка с издания 1973 г. - М. : Альянс, 2005. - 750 с.
2. Беев Э.А. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] : лабораторный практикум / Э. А. Беев, [и др.]. ; ТюмГНГУ. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2004. - 124 с.
3. Павлов К.Ф, Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. [Текст]: учебник/ К.Ф.Павлов, П.Г.Романов, А.А.Носков - 11-е изд., стер. - М.: РусМедиаКонсалт, 2004. - 576 с.
4. Варгафтик Н.Б, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] : справочное издание / Н. Б. Варгафтик. - 3-е изд., стер., испр., Перепечатка со второго издания. - М. : ООО "Старс", 2006. - 720 с.
Дополнительная:
1. Кузнецов, А.А. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов [Текст]: /учебное пособие/А.А. Кузнецов, Е.Н.Судаков М. «Химия» 1983, 224 с.
2. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. [Текст]: учебник для вузов- 3-е издание перераб. и доп. / А.И. Скобло, Ю.К.Молоканов, В.А.Владимиров, В.А.Щелкунов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 677с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии. [Текст] : пособие по проектированию: учебное пособие для студентов химико-технологических специальностей вузов / Г. С. Борисов [и др.] ; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 4-е изд., стер., перепечатка с изд. 1991 г. - М. : АльянС, 2008. - 494 с.
4.
Приложения
Приложение 1
Физические свойства воды
|
t, oC |
ρ, кг/м3 |
СВОД, кДж/(кг×°С) |
ν·106, м2/с |
λ·102, Вт/(м×°С) |
Pr |
β·104, К-1 |
|
0 |
999,6 |
4,21 |
1,79 |
55,1 |
13,7 |
-0,63 |
|
10 |
999,7 |
4,19 |
1,31 |
57,5 |
9,52 |
+0,70 |
|
20 |
998,2 |
4,18 |
1,01 |
59,9 |
7,02 |
2,12 |
|
30 |
995,7 |
4,17 |
0,81 |
61,8 |
5,42 |
3,21 |
|
40 |
992,2 |
4,17 |
0,66 |
63,4 |
4,31 |
3,87 |
|
50 |
988,1 |
4,17 |
0,56 |
64,8 |
3,54 |
4,49 |
|
60 |
983,2 |
4,18 |
0,48 |
65,9 |
2,98 |
5,31 |
|
70 |
977,8 |
4,19 |
0,42 |
66,8 |
2,55 |
5,70 |
|
80 |
971,8 |
4,19 |
0,37 |
67,5 |
2,21 |
6,32 |
|
90 |
965,3 |
4,19 |
0,33 |
68,0 |
1,95 |
6,95 |
|
100 |
958,4 |
4,22 |
0,29 |
68,3 |
1,75 |
|
|
110 |
951,0 |
4,23 |
0,27 |
68,5 |
1,60 |
|
Приложение 2
Параметры воды при различных температурах
|
t, oC |
ρ, кг/ м3 |
ν·10-6, м2/с |
λ, Вт/м·град |
Критерий Pr |
|
50 |
988,0 |
0,5560 |
0,648 |
3,540 |
|
51 |
987,5 |
0,5480 |
0,649 |
3,500 |
|
52 |
987,0 |
0,5401 |
0,650 |
3,441 |
|
53 |
986,5 |
0,5323 |
0,651 |
3,382 |
|
54 |
986,0 |
0,5245 |
0,652 |
3,325 |
|
55 |
985,5 |
0,5168 |
0,654 |
3,269 |
|
56 |
985,0 |
0,5091 |
0,655 |
3,213 |
|
57 |
984,5 |
0,5015 |
0,656 |
3,158 |
|
58 |
984,0 |
0,4939 |
0,657 |
3,104 |
|
59 |
983,5 |
0,4864 |
0,658 |
3,052 |
|
60 |
983,0 |
0,4782 |
0,659 |
2,980 |
|
61 |
982,5 |
0,4719 |
0,660 |
2,950 |
|
62 |
982,0 |
0,4648 |
0,630 |
2,901 |
|
63 |
981,5 |
0,4577 |
0,661 |
2,853 |
|
64 |
981,0 |
0,4510 |
0,662 |
2,806 |
|
65 |
980,5 |
0,4445 |
0,663 |
2,760 |
|
66 |
980,0 |
0,4382 |
0,664 |
2,716 |
|
67 |
979,5 |
0,4321 |
0,665 |
2,674 |
|
68 |
979,0 |
0,4246 |
0,666 |
2,634 |
|
69 |
978,5 |
0,4205 |
0,667 |
2,596 |
|
70 |
978,0 |
0,4150 |
0,668 |
2,550 |
|
80 |
972,0 |
0,3650 |
0,675 |
2,210 |
|
90 |
965,0 |
0,3260 |
0,680 |
1,950 |
Плотность воды при комнатной температуре (в ротаметре) с достаточной степенью точности можно принимать равной 1000 кг/м3
Зависимость плотности воздуха от температуры
|
Температура, 0С |
Плотность, кг/м3 |
Температура, 0С |
Плотность, кг/м3 |
|
18 |
1,230 |
22 |
1,193 |
|
19 |
1,226 |
23 |
1,190 |
|
20 |
1,221 |
24 |
1,189 |
|
21 |
1,217 |
25 |
1,185 |