/
Текст
РУКОВОДСТВО
К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
В ЛАБОРАТОРИИ
ПО ПРОЦЕССАМ И АППАРАТАМ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ" 1969
РУКОВОДСТВО
К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
В ЛАБОРАТОРИИ
ПО ПРОЦЕССАМ И АППАРАТАМ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Под редакцией
чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова
Издание 3-е,
переработанное и дополненное
Допущено Министерством
высшего и среднего специального образования РСФСР
в качестве учебного пособия
для химико-технологических специальностей
учебных заведений
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ХИМИЯ"
Ленинградское отделение
1969
УДК 66.02
2-5-6
58-69
Руководство к практическим занятиям в лаборато-
рии по процессам и аппаратам химической технологии,
под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова, изд. 3-е,
пер. и доп., Изд-во «Химия», 1969, 248 стр., 47 табл.,
95 рис.
В книге изложены методические принципы лабора-
торного практикума и 27 работ по курсу процессов и
аппаратов химической технологии — гидравлическим,
тепловым и массообменным процессам, технике низких
температур и механической обработке твердых мате-
риалов. Приведено также описание лабораторных и
учебных установок.
Книга является учебным пособием для студентов
химико-технологических вузов и факультетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В общеинженерной подготовке студентов химико-технологиче-
ских специальностей и студентов-механиков, специализирующихся
для работы в химической промышленности и смежных с ней про-
изводствах, курс «Процессы и аппараты» имеет очень важное зна-
чение. Эффективность освоения этой учебной дисциплины в зна-
чительной мере зависит от содержания и постановки лаборатор-
ного практикума.
Лаборатория процессов и аппаратов, оснащенная действую-
щими типовыми аппаратами и машинами (моделями), помогает
студентам практически изучить физико-химическую сущность тех-
нологических процессов, конструкции и технику обслуживания хи-
мической аппаратуры, а также определить ее важнейшие харак-
теристики и установить факторы, влияющие на производитель-
ность и экономичность установок. .
Таким образом, в лаборатории процессов и аппаратов студен-
ты не только знакомятся с практической стороной курса, но и
приобретают навык научного исследования.
Хорошо поставленный лабораторный практикум позволяет вос-
питывать у будущего инженера правильное понимание диалек-
тической взаимосвязи научной гипотезы или закона с опытом, с
практикой, закрепить его теоретические знания и лучше подгото-
вить его к практической деятельности, направленной на дальней-
ший технический прогресс нашей промышленности.
В основу настоящего руководства положен опыт работы лабо-
ратории процессов и аппаратов имени К. Ф. Павлова Ленинград-
ского технологического института имени Ленсовета с учетом опыта
аппаратурных лабораторий других высших учебных заведений.
Третье издание этой книги дополнено новой работой (испыта-
ние экстракционной установки); прежние работы несколько видо-
изменены с учетом опыта практических занятий на этих учебных
установках и внесенных в них усовершенствований.
Данное учебное пособие написано коллективом преподавате-
лей кафедры процессов и аппаратов ЛТП имени Ленсовета в
составе: Т. И. Козлова (работа 18), М. И. Курочкина (работы 2,
1*
3
26 и редактирование), В. Н. Лепилин (работы 9 и 19), А. А. Мед-
ведев (работы 3 и 4), А. А. Носков (работы 6, 7, 9, 14, 17 и 19),
И. С. Павлушенко (работы 1, 5, 8 и 16), С. А. Плюшкин (работы
11, 12, 13, 25), Е. Я. Кулиненкова (работа 15), Н. Б. Рашковская
(работы 20, 21, 22, 23), П. Г. Романков (глава 1 и общее редакти-
рование),^. Ф. Фролов (работа 15, 23), П. А. Яблонский (рабо-
ты 10 и 27), Н. В. Озерова (работа 24).
Авторы надеются, что это учебное пособие может быть исполь-
зовано не только при прохождении студентами лабораторного
практикума, но и при создании новых и дооборудовании суще-
ствующих лабораторий процессов и аппаратов в высших учебных
заведениях, в научно-исследовательских институтах и на заводах.
С этой целью в книгу включены основные характеристики обору-
дования учебных установок, данные о занимаемой площади и ряд
других сведений.
Само собой разумеется, что современная лаборатория процес-
сов и аппаратов должна иметь, кроме учебных установок, научно-
исследовательские отделы для работы преподавателей, научных
сотрудников, аспирантов и студентов, специализирующихся в об-
ласти процессов и аппаратов.
Авторы выражают искреннюю признательность Ю. Н. Славя-
иову за сделанные ценные замечания, которые, по возможности,
были учтены.
П. Романков
ГЛАВА I
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
Основные задачи лабораторного практикума по процессам и
аппаратам в химико-технологических вузах должны определяться
теми требованиями, которые предъявляет современная промыш-
ленность к инженерам-технологам-химикам.
Развитие в нашей стране химической промышленности основы-
вается на внедрении новой техники, непрерывных методов про-
изводства, автоматики управления, интенсификации и оптимиза-
ции технологических процессов. Несомненно, что химическая
практика будет непрерывно расширять пределы применяемых
температур и давлений как в сторону высоких температур и дав-
лений, так и в область глубоких холода и вакуума.
Необходимо учитывать, что рост масштабов современных хи-
мических производств, а также химическая активность перераба-
тываемых веществ потребует дальнейших поисков новых кон-
струкционных материалов, защитных покрытий и методов изготов-
ления химической аппаратуры.
Изучение всего этого комплекса вопросов, естественно, должно
быть осуществлено в ряде общеинженерных и специальных тех-
нологических лабораторий. Поэтому, кроме общей аппаратурной
лаборатории, в химических вузах должны быть лаборатории:
математического моделирования и оптимизации химико-техноло-
гических процессов, контрольно-измерительных приборов и авто-
матики, химического сопротивления материалов, а также аппара-
турные отделы в лабораториях по специальной технологии.
Желательно, чтобы лаборатория контрольно-измерительных при-
боров и автоматики предшествовала лаборатории процессов и ап-
паратов, так как при испытании химической аппаратуры студенты
широко пользуются разнообразными контрольно-измерительными и
регулирующими приборами.
Как известно, лаборатория процессов и аппаратов по своему
оснащению значительно отличается от обычных химических лабо-
раторий (например, от лаборатории качественного и количествен-
ного анализа). Это отличие, прежде всего, состоит в том, что в
химических лабораториях представлена лабораторная техника,
а в аппаратурной лаборатории — промышленная техника. Для
в
последней характерно наличие машин и аппаратов с относительно
большой производительностью.
Несомненно, что методика практикума в лаборатории процес-
сов и аппаратов должна отличаться от методики обычных химиче-
ских лабораторий. Аппаратурной лаборатории необходимо выра-
ботать свой путь методического развития.
Прежде всего необходимо ответить на вопрос: какой принци-
пиальный облик должна иметь эта лаборатория в части учебно-
методических функций?
Очевидно, в' лаборатории нет необходимости представлять в
миниатюре целые производства, хотя бы и богатые разнообразной
аппаратурой (например, производство соды, производство серной
. кислоты и т. д.).
Законченные производственные циклы должны частично изу-
чаться в лабораториях химической технологии, а главным образом
4 при прохождении специальной производственной практики.
Цепь аппаратов с рядом последовательных превращений обра-
батываемого материала не дает возможности студенту сосредото-
чить свое внимание на отдельных важных моментах технологиче-
ского процесса. Кроме того, установки такого типа обычно мало
пригбдны для -изменения режима и изучения отдельных аппара-
турных звеньев.
Поэтому в аппаратурной лаборатории следует создавать уста-
новки, приспособленные именно д!яя учебных целей, но вместе с
тем являющиеся мостом от втуза к производству, от теории к про-
мышленной практике, дающие возможность быстро, уверенно и
грамотно освоить заводскую обстановку и аппаратуру, начиная
уже со студенческой производственной практики. Лишь при этом
условии получится логически последовательная подготовка инже-
нера.
Лабораторные занятия должны быть построены на испытанном
методологическом процессе: «от элементов к целому» (индукция
и синтез).
Прежде всего необходимо практически ознакомить студентов
с главнейшими типами общей химической аппаратуры (фильтра-
ми, выпарными аппаратами, сушилками, ректификационными ко-
лоннами, абсорберами и т. п.), их устройством, принципом дей-
ствия, причинами, обусловившими форму и материал их. Нужно
на первых же порах показать студенту, что условия технологии
химического машиностроения накладывают неизбежный отпечаток
на конструкции химической аппаратуры, а иногда и определяют
их. Попудно студенты должны ознакомиться с основными деталями
химических машин и аппаратов (клапаны, сальники, распредели-
тельная головка фильтра, ректификационные тарелки и т. п.) пу-
тем разборки и сборки некоторых из них. Желательно привить
студентам хотя бы минимальные практические навыки монтажа де-
талей и ознакомить их с применяемым инструментом, незнание
которого недопустимо для инженера (само собой разумеется, что
8
эти работы должны производиться под руководством учебного
мастера).
Далее необходимо дать студентам возможность натрениро-
ваться в самостоятельном управлении и обслуживании отдельных
аппаратов и машин: пуск, настройка заданного режима, текущее
обслуживание, остановка.
С первых же шагов знакомства с действующими машинами и
аппаратами необходимо воспитать у студентов технически грамот-
ное, смелое и уверенное обращение с ними при строгом соблюде-
нии всех правил техники безопасности.
Наконец, необходимо обеспечить детальное изучение типовых
технологических процессов, показать взаимную связь отдельных
параметров и влияние различных факторов на ход процесса.
Здесь, в сущности, студенты знакомятся с методами научного ис-
следования в области процессов и аппаратов химической технологии.
Зная физико-химическую сущность процесса, его основные ха-
рактеристики и возможности аппаратуры при разных режимах ее
работы, инженер перестает быть «рабом машины»; он становится
инженером-творцом, наиболее эффективно и разумно использую-
щим все богатство современной химической техники.
Само собой разумеется, что учебное оборудование в аппара-
турной лаборатории должно быть оснащено современными кон-
трольно-измерительными приборами и приборами дистанционного
управления. Наличие разнообразных контрольно-измерительных
приборов позволит не только проводить испытание отдельных ап-
паратурных установок, но и заставит студентов практически
освоить их работу. Развитие у студентов навыков самостоятельно-
го критического подхода к решению технических вопросов должно
являться одной из основных задач лаборатории процессов и ап-
паратов.
Поэтому студент не делает ни одной работы «просто для на-
выков»; везде, даже в самой небольшой работе, студенту необхо-
димо критически подходить к решению поставленных технических
задач и приучаться технически мыслить, всегда интересуясь во-
просами: как и почему?
По этой же причине практическим работам предшествует са-
мостоятельное ознакомление с аппаратурой установки и задачей
работы.
Некоторым работам по испытанию аппаратов и машин целе-
сообразно предпослать самостоятельное составление студентами
плана испытания и теоретический расчет, который затем сравни-
вается с данными опыта.
В некоторых случаях целесообразно потребовать от студентов
самостоятельного составления пусковых инструкций.
Порядок выполнения работ. Прежде чем приступить к пуску
учебной установки, необходимо изучить содержание работы. Для
этого студентам следует ознакомиться с оборудованием, относя-
щимся к данной работе, схемой установки и изучить инструкцию.
?
Ответив на контрольные вопросы (включая вопросы по технике
безопасности) и получив разрешение преподавателя, студенты
приводят установку в действие и приступают к необходимым за-
мерам и записям показаний контрольно-измерительных приборов.
'Без разрешения преподавателя студентам категорически запре-
щается пускать установки и включать приборы.
О всех замеченных неполадках и неисправностях студенты обя-
заны немедленно ставить в известность преподавателя или лабо-
ранта.
Наиболее сложные учебные установки должны быть снабже-
ны настенными плакатами со схемой установки и контрольно-из-
мерительных приборов.
Для каждой работы необходимо иметь рабочую инструкцию
и соответствующие учебные пособия (например, психрометриче-
ские или паровые таблицы, диаграмма .Рамзина, кривые равно-
весия и т. п.).
Отчет о лабораторной работе студенты должны представлять
по определенной форме на отдельных бланках. На бланках ука-
зывают: названия института и лаборатории, фамилию и инициалы
студента, факультет, номер группы и должно быть отведено место
для названия работы (с указанием ее номера), задания, схемы
установки, таблицы измеренных и рассчитанных величин, графи-
ческой обработки экспериментальных данных (миллиметровая и
логарифмическая сетки). Каждую работу подписывают студент и
преподаватель, принимающий работу.
При составлении отчета о проделанной работе студентам прихо-
дится делать много вычислений, связанных с обработкой получен-
ных ими опытных данных. Здесь уместно напомнить студентам
методы приближенных вычислений и ознакомить их с техникой
работы на счетных машинах, что очень важно для инженера.
Рационализация техники расчета позволит уплотнить время,
отводимое для работы в целом, и употребить его для лучшего
знакомства с химической техникой, представленной в лабора-
тории.
Отчет о своей работе студент должен, по возможности, закон-
чить в лаборатории, что является показателем его организован-
ности и дисциплинированности; при этом обеспечивается надле-
жащий контроль за самостоятельностью работы студента и воз-
можность внесения необходимых исправлений по ходу работы.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УЧЕБНЫМ УСТАНОВКАМ
1. Изучение химической аппаратуры должно идти, по возмож-
ности, совместно с изучением того типового процесса, для кото-
рого она предназначена. Именно это нужно технологам-химикам,
так как в данном случае одно от другого неотделимо. Вникая
в механико-конструктивные особенности аппарата, технолог-химик
должен в первую очередь позаботиться о рациональном осущест-
8
влении самого процесса (к которому и необходимо подобрать или
создать новое аппаратурное оформление).
Вопросы экономики (к. п. д., удельная производительность, рас-
ходные коэффициенты и др.) должны непременно учитываться
при изучении химической аппаратуры.
2. Нужно отказаться от представления в лаборатории много-
образных форм и конструкций аппаратов, так как в основе этого
многообразия лежит относительно малое число типов, основанных
на небольшом количестве принципов; студент, твердо усвоив эти
основные элементы, легко разберется и в сочетании их.
3. Где допустимо по производительности (и по габаритам)',
следует употреблять типовые промышленные машины и аппараты
малых размеров (например, дробилки, насосы, вентиляторы,
фильтры и т. п.). Там, где это недопустимо, — делать соответ-
ствующие модели. Эти модели должны обеспечить, прежде всего,
возможность моделирования изучаемого процесса, сохраняя со-
временное конструктивное оформление. Это последнее, кстати
сказать, со временем морально стареет; оно иногда недолговечно
и заменяется новыми конструкциями. Сами же процессы (техно-
логические приемы) более долговечны; поэтому в лаборатории
необходимо делать основной упор на возможность изучения в
первую очередь процесса, а затем уже аппаратурной конструк-
ции, дополняя это изучение графическим и литературным мате-
риалом.
4. Каждый изучаемый аппаратурный агрегат, как отмечалось
выше, должен быть самостоятельным, так как изучение цепи аппа-
ратов и технически сложно и методически нерационально.
5. В аппаратах материалы должны обрабатываться по замкну-
тому циклу (по возможности), иначе усложняется и удорожается
обслуживание лаборатории; учебные установки теряют гибкость и,
кроме того, часто создаются неприемлемые гигиенические усло-
вия; по этой причине в качестве рабочих веществ следует выби-
рать дешевые безвредные вещества (воздух, вода, песок и др.).
6. Учебные установки должны быть приспособлены для опытов
при различных режимах; это необходимо для всестороннего изу-
чения процесса и технологических испытаний аппаратуры.
Поэтому учебные установки должны быть оборудованы, как
указывалось выше, контрольно-измерительными приборами и со-
ответствующими устройствами для создания того или иного за-
данного режима работы в изучаемом аппарате или машине.
Успешное проектирование таких гибких в управлении устано-
вок возможно только после исчерпывающей методической прора-
ботки учебных задач, которые должны быть поставлены на дан-
ной установке.
7. Учебные установки должны отличаться максимальной
простотой и наглядностью; в них должно быть только необходи-
мое и достаточное, ничего лишнего, рассеивающего внимание и
9
загромождающего память, а кроме того, нужно на первых порах
показывать студентам возможно более простые и экономичные
конструктивные решения и компоновку, разумеется, где это не
идет в ущерб назначению установки и удобству обращения с ней
в этих условиях.
В этом отношении учебные установки не должны особенно от-
личаться от установок, создаваемых для научно-исследовательских
работ.
Учебные установки должны обеспечивать максимальную види-
мость изучаемого процесса. Там, где это допустимо, аппараты
должны быть изготовлены целиком или частично из прозрачной
пластмассы, стекла, или должны иметь смотровые окна.
Все эти требования к учебным установкам были учтены Гип-
ровузом Министерства высшего и среднего специального образо-
вания СССР при разработке типовых проектов нестандартного
оборудования кафедры' «Процессы и аппараты» химических ву-
зов. Проекты были разработаны Гипровузом с участием специа-
листов кафедр процессов и аппаратов Московского института
химического машиностроения, Ленинградского технологического
института имени Ленсовета, Московского химико-технологического
института имени Д. И. Менделеева, Московского института тонкой
химической технологии имени М. В. Ломоносова и др. па основе
лучших установок, уже опробованных в институтах.
Альбом типовых проектов, изданный Гипровузом в 1963 г., со-
держит проекты следующих установок:
1. Экстракционная установка.
2. Ректификационная установка.
3. Абсорбционная установка.
4. Установка получения умеренного холода.
5. Выпарная установка.
6. Установка для сушки растворов и суспензий в кипящем
слое инертного материала.
7. Стенд теплообменников.
8. Установка для изучения гидродинамики взвешенного слоя.
9. Установка для исследования работы рамного фильтрпресса.
10. Установка для испытания поршневого вакуум-насоса.
И. Установка для гидравлического испытания труб и арма-
туры.
12. Фильтрационная установка непрерывного действия.
13. Установка для пылеочистки газов.
14. Стенд для изучения гидродинамики тарельчатой и наса-
дочной колонн.
ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА
Ниже приводим программу лабораторных занятий по курсу
«Процессы и аппараты»,
io
Примерный перечень лабораторных работ
I. Гидромеханические процессы
1. Гидравлическое испытание трубопроводов и их деталей со
сборкой и разборкой.
2. Определение режима течения жидкости.
3. Определение поля скоростей в трубопроводе.
4. Определение гидравлических сопротивлений трубопроводов.
5. Построение кривой суммарных напоров (на основе уравне-
ния Бернулли).
6. Определение коэффициентов расхода дроссельных расхо-
домеров.
7. Определение поверхности уровня жидкости при вращении.
8. Определение характеристик центробежного насоса.
9. Определение характеристик центробежного вентилятора.
10. Определение расхода энергии на размешивание.
И. Изучение гидродинамики взвешенного (псевдоожиженного)
слоя.
12. Гидравлическая классификация и сгущение водных сус-
пензий.
13. Определение констант процесса фильтрования.
14. Определение производительности вакуум-фильтра.
15. Определение производительности центрифуги.
16. Определение коэффициента полезного действия поршневого
насоса или компрессора.
II. Тепловые и массообменные процессы
17. Определение коэффициентов теплоотдачи.
18. Испытание тепловой изоляции.
19. Испытание выпарной установки.
20. Испытание ректификационной установки.
21. Определение коэффициента массопередачи при абсорбции.
22. Определение коэффициента массопередачи при адсорбции.
23. Испытание экстракционной установки.
24. Испытание сушильной установки.
25. Снятие опытных кривых сушки.
III. Холодильные процессы
26. Определение холодопроизводительности компрессионной
холодильной установки.
27. Определение дроссель-эффекта.
IV. Механические процессы
28. Изучение работы дробилок, мельниц, питателей и сорти-
рующих устройств (сит). Ситовой анализ.
11
По учебному плану для химико-технологических специально-
стей на прохождение лаборатории процессов и аппаратов отво-
дится 72 ч.
Так как ряд лабораторий процессов и аппаратов не имеет обо-
рудования для всех работ, указанных в программе, возможна не-
которая замена одних работ другими, применительно к возможно-
стям данной лаборатории. Следует иметь в виду, что в программе
лабораторных занятий имеются близкие по своему содержанию
работы: например, определение характеристики центробежных на-
соса и вентилятора. Конечно, можно ограничиться выполнением
одной из названных работ. Определение коэффициента теплопе-
редачи можно сделать на выпарной установке одновременно с ее
испытанием или одновременно с испытанием сушилки, ректифика-
ционной колонны, холодильной установки, в зависимости от имею-
щегося оборудования.
Материальная часть лаборатории должна быть представлена
в несколько большем объеме, чем обязательный минимум. В част-
ности, полезно иметь в лаборатории электрофильтр, установку
для мокрого пылеулавливания, установку для пенной абсорбции,
высокочастотную сушилку, различные конструкции фильтров, цен-
трифуг, насосов, компрессоров, макеты ректификационных таре-
лок, различные насадочные элементы, набор образцов фильтрую-
щих материалов, арматуры, прокладок, тепловой изоляции и пр.
Следует оснащать лабораторный практикум современной вычис-
лительной техникой: малыми электронными вычислительными ма-
шинами, аналоговыми, например, типа МН-7 и цифровыми про-
граммноуправляемыми, например, типа «Проминь»; кроме того,
необходимо иметь автоматические клавишные машины, например,
«Вильнюс», «Суперметалл». С другими вычислительными маши-
нами (большей мощности) студенты познакомятся в лаборатории
кафедры математического моделирования и оптимизации химико-
технологических процессов.
В следующих главах приводится описание отдельных работ.
Описание каждой работы сделано по единому плану, в конце
описания работы приведена литература, относящаяся к данной
работе. Общая литература см. стр. 239.
ГЛАВА И
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Работа 1
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ АППАРАТОВ И ТРУБОПРОВОДОВ
Введение
Аппараты и машины, применяемые для осуществления любых
производственных процессов, должны наилучшим образом отвечать
специфическим технологическим требованиям, быть прочными (т. е.
вполне надежными и безопасными при долговременной эксплуа-
тации) и, вместе с тем, наиболее дешевыми. В связи с тем, что
на современных химических заводах все более и более расширяет-
ся применение высоких температур и давлений, глубоких холода
и вакуума, больших скоростей и т. п., вопросы, связанные с кон-
струированием, изготовлением и эксплуатацией надежной и безу-
словно безопасной аппаратуры, приобретают исключительно важ-
ное значение.
В нашей стране безопасные условия труда обеспечиваются за-
конодательным путем, в.частности рядом обязательных «Правил»,
содержащих требования, которым должны отвечать машины и ап-
параты. Действующими в настоящее время являются обязатель-
ные для всех министерств и ведомств «Правила» Госгортехнадзора
СССР, например:
«Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и во-
догрейных котлов», утвержденные 30 августа 1966 г.;
«Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, ра-
ботающих под давлением», утвержденные 17 декабря 1956 г.
В «Правилах» указано, на какие аппараты распространяется
их действие и каким общим требованиям должна удовлетворять
конструкция' аппарата; приведены характеристики и методы конт-
роля качества материалов, допускаемых для изготовления аппа-
рата; даны указания по технологии изготовления, а также ука-
заны порядок получения разрешения на пуск в работу, производ-
ство освидетельствований и др.
Конструирование, изготовление и эксплуатацию значитель-
ной части химической аппаратуры следует производить в соответ-
ствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации
сосудов, работающих под давлением» Действие этих «Правил»
’ В частности сосуды и аппараты сварные стальные по МН 72—62.
13
распространяется на все сосуды, а также цистерны, бочки и балло-
ны, предназначенные для работы под избыточным давлением свы-
ше 0,7 ат (без учета гидростатического давления), за исключением
паровых и водогрейных котлов, работающих с дифенильной смесью,
и паропроводов, для которых имеются специальные «Правила».
«Правила» не распространяются также на сосуды емкостью
не свыше 25 длг3, у которых произведение емкости (в л) на рабо-
чее давление (в ат) составляет не свыше 200; сосуды для научно-
экспериментальных целей емкостью до 25 дм3 независимо от рабо-
чего давления и температуры; сосуды, работающие под вакуумом;
трубопроводы для газов, паров и жидкостей; трубчатые печи.
В тех случаях, когда действие «Правил» не распространяется на
данный тип аппарата, рекомендуется все же конструирование, из-
готовление, испытания и технический надзор проводить примени-
тельно к «Правилам» ’.
Не останавливаясь на вопросах конструирования, расчета, техно-
логии изготовления и монтажа аппаратуры, рассмотрим только
порядок регистрации и освидетельствования сосудов.
Пуск в работу вновь установленного аппарата может произво-
диться лишь с разрешения органов Госгортехнадзора или ведомст-
венных органов Котлонадзора по принадлежности. Для получения
разрешения сосуд предварительно должен быть зарегистрирован и
предъявлен Инспекции для полного технического освидетельство-
вания. При регистрации сосуда необходимо заполнить специаль-
ную шнуровую книгу и приложить паспорт аппарата (получаемый
от завода-изготовителя) с чертежами сосуда и расчетами на
прочность.
Шнуровая книга вместе с пришнурованными к ней паспортом
и чертежами сосуда хранится у владельца аппарата. В книге ре-
гистрируются результаты освидетельствования и заключения
инспектора. В книгу заносится также срок очередного освидетель-
ствования, так как все аппараты, находящиеся в эксплуатации
(попадающие под действие «Правил»), должны периодически под-
вергаться инспекторским техническим освидетельствованиям.
Технические освидетельствования состоят из наружного осмот-
ра (не реже одного раза в год) и внутреннего осмотра1 2 (не реже
одного раза в 4 года), а также гидравлического испытания, кото-
рое проводится для проверки прочности и плотности соединений
аппарата (не реже одного раза в 8 лет). Аппараты, в которых ра-
бочей средой являются газы или жидкости, опасные для здоровья
человека, дополнительно подвергаются пневматическому испыта-
нию на герметичность воздухом или инертным газом, давлением,
равным рабочему давлению сосуда. Эти испытания проводятся
1 Испытания и технический надзор в этом случае осуществляются админи-
страцией предприятия.
2 При невозможности проведения внутреннего осмотра последний может
быть заменен гидравлическим испытанием.
14
администрацией предприятий в соответствии с производственной
инструкцией без участия инспектора Котлонадзора, и результаты
их заносятся в отчет.
Пробное гидравлическое испытание литых, кованых и сварных
сосудов должно производиться следующим давлением (табл. 1-1).
Таблица 1-1
Все сосуды, кроме ли- тых То же Литые сосуды Эмалированные сосуды Рабочее избыточное давление р, ат Пробное избыточное давление при периодических испытаниях
Ниже 5 Свыше 5 Независимо от давле- ния То же 1,2 р, но не менее 2 ат 1,25 р, но не менее р + 3 ат 1,25 р, но не менее 2 ат Давление, указанное в пас- порте. но не менее рабо- чего
Примечания: 1. Сосуды, имеющие рабочую температуру стенки свыше 400° С, подвер-
гаются гидравлическому испытанию на заводе-изготовителе давлением, превышающим ра-
бочее не менее чем в 1,5 раза, и при периодических испытаниях — давлением, указанным
в табл. 1-1.
2. Сосуды, на которые имеются специальные ГОСТы, испытываются давлением, указан-
ным в этих ГОСТах.
Гидравлические испытания аппаратов, работающих под ваку-
умом, обычно проводятся избыточным давлением 2 ат.
Под пробным давлением сосуд должен находиться в течение
5 мин, после чего давление снижается до рабочего при котором про-
изводятся осмотр сосуда и обстукивание молотком сварных швов.
Повышение давления до пробного и снижение до рабочего следует
производить постепенно. Давление, равное рабочему, поддержи-
вается все время, необходимое для осмотра аппарата.
При невозможности проведения гидравлического испытания
(недопустимые напряжения от веса воды в междуэтажных пере-
крытиях или в самом сосуде, трудность удаления воды, наличие
внутри сосуда футеровки, препятствующей заполнению аппарата
водой) разрешается заменять его пневматическим испытанием
(воздухом или другим нейтральным газом) на такое же пробное
давление, как и при гидроиспытании. Эти испытания проводятся
только в присутствии инспектора Котлонадзора с принятием осо-
бых мер предосторожности, так как такие испытания значительно
опаснее гидравлических.
Проверка обстукиванием при пневматическом испытании про-
изводится под атмосферным давлением до начала испытания. Для
проверки герметичности при пневматическом испытании все швы
и соединения смазывают мыльной водой.
Сосуд признается выдержавшим испытание, если:
а) не окажется признаков разрыва и остаточных деформаций
после испытания;
15
б) не замечаются падение давления по манометру, течь или про-
пуск газа через сварные или заклепочные швы [пропуск через не-
плотности арматуры, а также выход воды через заклепочные швы
в виде пыли или капель («слезок»), если это не мешает сохране-
нию требуемого пробного давления и испытанию, не считается
течью] *.
При сооружении трубопроводов на химических заводах необхо-
димая надежность обеспечивается соблюдением требований ГОСТ
356—59 (табл. 1-2). Этим стандартом, для учета влияния темпера-
туры на механическую прочность металла вводится понятие
«условного давления»,-т. е. такого давления, к которому условно
приравнивается данное рабочее давление в зависимости от темпе-
ратуры и группы сталей. В ГОСТ 356—59 (с изменением, введен-
ным в действие 1/VII 1963 г.) приведено 11 групп (22 марки)
сталей. Определив по значению рабочего давления и температуре
величину условного давления, выбирают (обычно без расчета)
трубу по ГОСТу на трубы так, чтобы толщина ее стенки соответ-
ствовала этому условному давлению.
Гидравлические испытания трубопроводов производятся проб-
ным давлением согласно ГОСТ 356—59. Порядок проведения ис-
пытаний соблюдается такой же, как и при испытании сосудов.
Цель работы — ознакомление с техникой гидравлического ис-
пытания.
Описание установки (рис. 1 — 1)
Установка для гидравлического испытания состоит из двух
сборочных колонок 1, сосуда-«аппарата» 2, гидравлического прес-
са 3 и расходного бака 4.
Колонки 1 (например, диаметром 100 мм и высотой 1350 мм)
служат для сборки на фланцах или резьбовых соединениях раз-
личных узлов трубопровода (диаметром до 50 мм), составляемых
из отрезков труб, отводов, муфт, тройников, вентилей, кранов
и т. д. На каждой колонке в верхней части установлен кран 5
для удаления воздуха, имеются также краны для заполнения ко-
лонки водой 6 и для опорожнения колонки 7.
«Аппарат» 2 представляет собой стальной сосуд емкостью около
10 дм3 с крышкой на болтах. Снабжен краном для заполнения 6
и нижним спуском 7, а также воздушным краном 5 и маномет-
ром 8 со шкалой до 30 ат. Манометр 9 установлен у гидропресса 3.
Сборочные колонки 1, сосуд 2 и бак гидравлического пресса 3
заполняют водой из расходного бака 4 емкостью 70 дм3, укреп-
ляемого на стене. Способ питания установки, показанный на
рис. 1-1, необходим для того, чтобы исключить возможность попа-
дания в городскую сеть загрязненной воды из открытого бака ги-
дравлического пресса 3 через неплотности запорной арматуры при
повышении давления в испытуемой системе. Фундаменты колонок
1 При появлении слезок, потения или пропуска газа в сварочных швах со-
суд признается не выдержавшим испытание,
18
и сосуда установлены в бетонированном углублении пола, закры-
том решетками из деревянных брусков.
Рис. 1-1. Схема установки:
/ — колонка сборочная; 2— сосуд-«аппарат»; 3— гидравлический пресс; 4— расходный
бак; 5 —воздушный кран; 6 — кран для заполнения колонок и аппарата; 7 —кран для
опорожнения колонок и аппарата; 8 — манометр на аппарате; 9—манометр на гидра-
влическом прессе; 10—вентиль на водопроводной линии для заполнения бака; // — вен-
тиль иа водяной линии для заполнения колонок и аппарата; 12— обратный клапан;
/3—вентиль на линии эжектора; 14—водоструйный насос.
Для откачивания воды, проливающейся при работе, в приямке
установлен водоструйный насос 14.
Методика проведения работы
По заданным условиям (характеристика среды, рабочее давле-
ние и температура в аппарате или трубопроводе) определяют со-
гласно «Правилам устройства, установки и освидетельствования
сосудов, работающих под давлением» (табл. 1-1), или ГОСТ
356—59 (табл. 1-2) величину пробного давления (а для трубопро-
водов также и условного давления).
Разбирают и собирают один из узлов трубопроводов или сни-
мают и ставят крышку аппарата, обращая при этом внимание на
соответствие материала прокладок заданным условиям работы
аппарата (трубопровода) ’.
Заполняют аппарат или сборочную колонку водой из расход-
ного бака 4 и полностью удаляют из него воздух через кран 5.
С помощью гидравлического пресса 3 постепенно и равномерно
создают требуемое давление.
1 Работа может быть дополнена проверочным расчетом на прочность,
17
Давления условные, пробные и рабочие для арматуры и
Группь стали
наименова- ние обозна- чение примеры (марки) Температура рабо
Углероди- стая (С <0,3) Хромони- келетита- новая и хромонике- леволь- фрамовая с хн Ст. 3' МСт.' 4;’ 25 1Х18Н9Т 1Х18Н12Т 1Х14Н14В2М 1Х14Н14В2МТ Х18Н9ТБ до 200 ДО 200 225 275 250 320 275 375 300 420 325 460 350 480
Давления условные (Ру) избыточные, кгс!см2 Давления пробные (РПр) избыточные, кгс!см2 Давления рабочие наибольшие (₽раб)
1 2,5 4 6 10 • 2 4 6 9 15 1 2,5 4 6 10 1 2,4 3,8 6 9,5 0,9 2,2 3,6 5,6 9 0,9 2,1 3,4 5,3 8,5 0,8 2 3,2 5 8 0,8 1,9 3 4,8 7,5 0,7 1,8 2,8 4,5 7
16 25 40 64 100 24 38 60 96 150 16 25 40 64 100 15 24 38 60 95 14 22 36 56 90 13 21 34 53 85 12,5 20 32 50 80 12 19 30 48 75 11 18 28 45 71
160 200 250 320 400 240 300 350 450 560 160 200 250 320 400 150 190 235 300 380 140 180 225 280 360 132 170 210 265 340 125 160 200 250 320 118 150 190 235 300 112 140 180 225 280
500 640 800 1000 650 800 1000 1250 500 640 800 1000 475 600 750 950 450 560 710 900 425 530 670 850 400 500 640 800 380 475 600 750 360 450 560 710
Составление отчета
В отчете о выполненной работе должны быть приведены:
а) задание;
б) развернутая схема установки со спецификацией;
в) результаты гидравлического испытания с заключением.
Пример. Провести испытание узла трубопровода (из углероди-
Таблица 1-2
соединительных частей трубопроводов (по ГОСТ 356—59)
чей среды, °C
375 400 410 425 430 435 "440 445 450 — — —
500 520 540 560 580 590 600 610 620 630 635 640 700
избыточные, кгс'см2
0,7 1,7 2,6 4,2 6,7 0,6 1,6 2,5 4 6,4 0,6 1,5 2,4 3,8 6 0,6 1,4 2,2 3,3 5,6 0,5 1,3 2,1 3,4 5,3 0,5 1,2 2 3,2 5 0,5 1,2 1,9 3 4,8 0,5 1,1 1,8 2,8 4,5 1 1,7 2,6 4,2 1 1,6 2,5 4 0,9 1,5 2,4 3,8 0,9 1,4 2,2 3,6 0,6 0,9 1,4 2,2
10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,7 6,4 6 5,6 3,6
17 16 15 14 13 12,5 12 11 10,5 10 9,5 9 5,6
26 25 24 22 21 20 19 18 17 16 15 14 9
42 40 38 36 34 32 30 28 26 25 24 22 14
67 64 60 56 53 50 48 45 42 40 38 36 22
106 100 95 90 85 80 75 71 67 64 60 56 39
132 125 118 112 103 100 95 90- 85 80 75 71 45
170 160 150 140 132 125 118 112 106 100 95 90 56
210 200 190 180 170 160 150 140 132 125 118 112 71
265 250 235 225 210 200 190 180 170 160 150 140 90
340 320 300 280 265 250 235 225 210 200 190 180 112
425 400 380 360 340 320 300 280 265 250 235 225 140
530 500 475 450 425 400 380 360 340 320 300 280 180
670 640 600 560 530 500 475 450 425 400 380 360 225
стой стали), состоящего из отвода, вентиля и патрубка с заглуш-
кой. Трубопровод диаметром 50 мм предназначен для транспорти-
ровки расплавленной смеси минеральных солей (эквимолекулярные
количества нитрата калия и нитрита натрия) под абсолютным дав-
лением 8 ат при 430° С. 1
Результаты гидравлического испытания трубопровода. Трубо-
провод испытан пробным давлением РИЗб 25 ат. При давлении
2’ 19
(изб.) 16 ат трубопровод был осмотрен, причем неплотностей во
фланцевых соединениях не обнаружено (прокладка — асбестовый
картон).
Заключение. Трубопровод признан годным к работе при давле-
нии (изб.) 1 ат и температуре 430° С после покрытия теплоизо-
ляцией.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. МН 72—62. Сосуды и аппараты сварные стальные. Технические требова-
ния, Стандартгиз, 1963.
2. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под
давлением, Утверждено 17 декабря 1956 г., изд. 6-е, Изд. «Недра», 1966.
3. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных
котлов, Утверждено 30 августа 1966 г., Изд. «Недра», 1968.
Работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Введение
При расчетах технологических процессов, связанных с движе-
нием газов и жидкостей, необходимо учитывать характер движе-
ния потока.
На примере жидкости, пропускаемой по трубопроводу; можно
установить существование двух режимов течения — ламинарного
и турбулентного.
Обычно при малых скоростях (и малых диаметрах трубопро-
вода) элементарные струйки жидкости движутся параллельно, как
бы скользя друг по другу, не перемешиваясь. Такое течение назы-
вается ламинарным или слоистым (вязким).
При больших скоростях наблюдается поперечное перемешива-
ние струек .жидкости за счет образования вихрей. Этот вид тече-
ния называется турбулентным.
Для установившегося потока при ламинарном течении скорость
постоянна в каждой точке жидкости, а при турбулентном колеб-
лется около некоторого среднего значения (за счет пульсаций1).
Распределение скоростей по поперечному сечению трубопровода
при ламинарном течении происходит по параболе, причем средняя
скорость потока составляет 0,5 от максимальной (по оси потока).
При турбулентном течении изменение скоростей в поперечном се-
чении трубопровода идет по более пологой кривой и средняя ско-
рость составляет 0,8—0,9 от максимальной.
Характер движения жидкости (газа) зависит, как показали
опыты, не только от средней скорости потока, но и от геометриче-
1 Т. е. изменения своей величины и направления во времени.
20
ских размеров потока (эквивалентного диаметра1), вязкости и
плотности жидкости (газа).
Влияние перечисленных физических параметров потока на ха-
рактер движения определяется величиной критерия (числа) Рей-
нольдса
wd3p _ wd3
К с--------------
р, v
(2-1)
где w — средняя скорость потока, м/сек-,
d3 — эквивалентный диаметр трубопровода, м\
р —плотность жидкости (газа), кг/м3-,
р, — динамический коэффициент вязкости, «• сек/м2-,
v = -у — кинематический коэффициент вязкости, м2/сек.
Критерий Рейнольдса показывает соотношение сил инерции,
характеризующихся скоростью потока и его размерами, и сил
внутреннего трения, характеризующихся вязкостью потока. Отсюда
следует, что турбулентное течение свойственно потокам, обладаю-
щим развитыми силами инерции, а ламинарное течение характер-
но для потоков, в которых силы внутреннего трения преобладают
над силами инерции 2.
Установлено, что для ламинарного режима числовая величина
критерия Рейнольдса всегда меньше, а для турбулентного режима
всегда больше некоторого определенного «критического» значения.
Например, для прямых труб критическое значение числа Рейнольд-
са ReKp=2320.
Необходимо отметить, что приведенное критическое значение
является в известной степени условной величиной, так как трудно
обнаружить резкий переход от ламинарного режима к турбулент-
ному. В действительности обычно наблюдается так называемая
«переходная» область исчезновения ламинарного режима и уста-
новления турбулентного состояния потока. Числовые значения
критерия Рейнольдса для переходной области находятся в преде-
лах 2320-7-10000. При значении Re более 10000 режим потока
становится устойчивым турбулентным.
1 Эквивалентным диаметром называют диаметр (d3,' D3), выраженный через
гидравлический радиус. Гидравлическим радиусом (Rr) называют отношение
«живого» (фактического, действительного) сечения потока (Гш. с) к его смо-
ченному периметру (П):
d3 = 4Rr = 4-^
Для круглой трубы d3 — d.
2 В трубах с очень гладкими стенками ламинарное течение может существо-
вать и при Re>2320 (до Re~13 000), однако такое течение неустойчиво и не-
большие возмущения вызывают переход к турбулентному движению.
21
Для змеевиков критическое значение числа Рейнольдса повы-
шается в зависимости от величины отношения d трубы к D змее-
вика (d/D) и может достигать 7000 ч-8000.
w~
Рис. 2-1. Установка для определения режима потока:
/ — бак для воды; 2—расходный бак; 3—буферный бак; 4—рота-
метр; 5—9, 16, 23—трубопроводы; 10—14, 22, 24—вентили и
краны; 15, 18—воронки; 17—гидравлический затвор; 19—сте-
клянная труба; 20—датчик; 2/—сигнализатор уровня;
25“бачок с краской; 26—водомерное стекло; 27—термометр;
28—сигнальное устройство.
Цель работы — ознакомление с изменениями, происходящими
в потоке при различных режимах течения.
Описание установки
Схема установки приведена на рис. 2-1. Вода из городского во-
допровода по трубе 5 подается в бак 1, причем подача воды регу-
лируется вентилем 10. Для предупреждения переполнения бака
установлена переливная труба 6. Слив воды при промывке бака
производится через вентиль 11 по грязевой трубе 7. Для наблюде-
ния за поступлением и сливом воды из бака установлена воронка
15 на канализационной линии 16.
Во время работы установки вода из бака 1 по питательной
трубе 8 через вентиль 13 поступает в расходный бак 2. Излишек
воды через воронку 18 и переливную трубу 9 сливается в канали-
зацию.
Для предупреждения переполнения бака и перелива воды на
пол установлена аварийная сигнализация — сигнализатор уровня 2/
с датчиком 20, соединенный с сигнальным устройством 28.
При наполнении бака освещается табло «Закройте вентиль» и
включается звуковой сигнал.
22
Из расходного бака 2 вода по стеклянной трубе 19 поступает
в буферный бак 3 и сливается из него через регулировочный вен-
тиль 12 и ротаметр 4 в канализацию. Из бака с краской 25 по тон-
кой трубке 23 через кран 24 подкрашенная струйка воды поступает
в стеклянную трубу 19.
По окончании работы для опорожнения баков 2 и 3 пользуются
соответственно вентилем 14 и краном 22.
Определение температуры воды (для нахождения вязкости)
производится по термометру 27 в баке 2.
Для успешного проведения опытов весьма важными условиями
являются стабилизация потока в стеклянной трубе 19 и согласова-
ние скоростей истечения краски со скоростью самого потока. В этих
целях приняты следующие меры.
Так как в городском водопроводе наблюдаются временами ко-
лебания напора и пульсации потока, то вода из водопровода по-
ступает сначала в запасный бак 1 достаточно большой емкости.
Отсюда вода поступает в расходный бак 2 по питательной трубе 8,
начальный конец которой выступает над дном бака 1 не менее
как на 50 мм, чтобы оседающая на дно бака грязь не попадала в
установку. Для достижения спокойного входа в расходный бак 2
вода в него поступает не сверху, а через специальное отверстие в
дне бака с плавным расширением для гашения скорости. Затем,
для дальнейшего успокоения, вода проходит через перегородку (во
всю ширину бака), выполненную из тройного слоя сетки с мел-
кими отверстиями. И, наконец, вход воды в стеклянную трубу
сделан в виде плавного сужения. Постоянный уровень воды в
баке 2 поддерживается с помощью внутренней заналичной трубы
с переливной воронкой 18, которая может быть установлена на
нужной высоте, так как заналичная труба (медная, никелирован-
ная) проходит в дне бака 2 через специальный сальник и соеди-
няется со сливным трубопроводом 9 гибким шлангом.
Для согласования скорости истечения краски со скоростью
воды в стеклянной трубе 19 бак с краской 25 может перемещаться
по вертикали и закрепляется на нужной высоте для создания не-
обходимого напора при истечении краски. Расход краски регули-
руется краном 24 со специальным червячным приспособлением для
плавного открывания и закрывания краника. Для установления
выходного отверстия трубки с краской по оси стеклянной трубы 19
на крышке бачка смонтировано специальное регулирующее уст-
ройство.
Методика проведения работы и обработка результатов
Работу начинают с установления ламинарного режима и, уве-
личивая постепенно скорость движения воды в стеклянной трубе,
наблюдают за изменениями, происходящими с подкрашенной
струйкой при разных режимах течения.
После наглядного изучения поведения подкрашенной струйки
приступают к измерению величин, необходимых для определения
23
числа Рейнольдса, начиная с ламинарного режима и кончая тур-
булентным.
Перед началом работы проверяют наличие воды в баке 1 по
водомерному стеклу 26. Если воды в баке меньше половины, то
открывают вентиль 10 и заполняют бак, следя за уровнем воды в
водомерном стекле. Следует проверить, включен ли сигнализатор
уровня 21, Затем закрывают вентиль 10 и заполняют баки 2 и 5,
открывая вентиль 13. По достижении уровня сливной воронки 18
прикрывают вентиль 13, оставляя самую незначительную подачу
воды. Затем понемногу открывают вентиль 12, устанавливая по
ротаметру 4 минимальный расход воды.
В первой части работы для пуска подкрашенной струйки по-
степенно открывают кран 24. Регулируя степень открытия венти-
лей 12 и 13 и крана 24, добиваются четкого очертания подкрашен-
ной струйки, хорошо видимой на освещенном фоне экрана. Нали-
чие резко выделяющейся, четко очерченной подкрашенной струйки
указывает на наступление ламинарного режима. Для достижения
лучшего эффекта нужно открыть вентиль 13 так, чтобы приток
воды лишь немного превышал расход, и затем пробными откры-
тиями крана 24 установить скорость истечения краски, одинаковую
со скоростью воды.
Увеличивая затем степень открытия вентиля 12, повышают тем
самым скорость воды в стеклянной трубе 19, вследствие чего ла-
минарный режим начинает нарушаться и переходит в турбулент-
ный. При этом надо регулировать открытие крана 24, а также вен-
тиля 13, не позволяя уровню воды в баке 2 опускаться ниже во-
ронки 18.
Во второй части работы производят замеры, необходимые для
определения значений числа Рейнольдса при разных режимах те-
чения. Настраивают установку на ламинарный режим (как было
указано выше) и приступают к определению расхода воды по ро-
таметру 4. Увеличив степень открытия вентиля 12 и отрегулировав,
если нужно, открытие вентиля 13 и крана 24, приступают к но-
вому измерению расхода воды. Таких замеров проводят несколько
(5—6), заканчивая их при развитом турбулентном движении. При
этом записывают также показания термометра, так как темпера-
тура воды может меняться.
После проведения всех измерений производят обработку полу-
ченных результатов.
Определяют среднюю скорость движения воды в стеклянной
трубе
где G — расход воды, кг]сек‘,
р — плотность воды, кг/м9;
d — внутренний диаметр стеклянной трубки, м;
= 25 мм.
24
Составление отчета
Результаты наблюдений, опытные и расчетные данные зано-
сятся в таблицу.
Отчетная таблица
№ опыта Расход воды G, кг} сек Температура воды Вязкость ВОДЫ Ц Скорость движения воды м!сек Re Состоя- ние подкра- шенной струйки Режим потока
t, °C Т, -к спз * 1 н • сек м2
1 1 спз = 1-10 8 н • сек}#? (в системе СИ)
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. И. И. А г р о с к и н, Г. Т. Дмитриев, Ф. И. П и к а л е в, Гидравлика,
Изд. «Энергия», 1964.
2. К. О. Беннет, Дж. Е. Майерс, Гидродинамика, теплообмен и массо-
обмен, Изд. «Недра», 1966.
3. Я. Циборовский, Основы процессов химической технологии, Изд.
«Химия», 1967.
Работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ В ТРУБОПРОВОДЕ
Введение
Из гидродинамики [1—4] известно, что скорость движения
жидкости (газа) в трубопроводе неодинакова в различных местах
сечения потока. Для вполне сформировавшегося, так называемого
установившегося потока, местная (локальная) скорость движения
частиц жидкости меняется обычно по сечению от нуля до нуля,
проходя через максимум. Распределение местных скоростей по
сечению в значительной мере зависит от режима течения.
При ламинарном режиме течения, представляющем собой упо-
рядоченное послойное движение, отдельные частицы жидкости
перемещаются по трубопроводу как бы слоями, не перемешиваясь
между собой. Например, считают, что в круглой трубе постоянного
сечения жидкость перемещается концентрическими слоями, ско-
рость которых меняется в пределах сечения по параболическому
25
закону от нуля у стенок трубопровода до максимального значения
в центре потока (по оси трубопровода). В этом случае средняя по
сечению скорость потока ауср равна половине максимальной мест-
ной скорости ЧУмакс, т. е.
При турбулентном режиме течения отдельные частицы жидко-
сти совершают беспорядочные неустановившиеся движения по
сложным траекториям, что приводит к интенсивному продольному
перемешиванию слоев жидкости. Мгновенная скорость движения
частиц здесь беспорядочно меняется во времени как по величине,
так и по направлению. Говорят, что скорость движения пульсирует
около среднего значения (следует отметить, что пульсационные
изменения претерпевает не только скорость, но и давление, а в
сжимаемой жидкости также и плотность). Вместо переменных по
времени мгновенных значений продольных скоростей ауПрод при-
нято рассматривать усредненное значение этих скоростей за неко-
торый, достаточно длительный промежуток времени тг — тц. В этом
случае местную скорость w можно представить в виде зависи-
мости:
Т2
J ^прод ЛХ
\ ---- (3-2)
т2 Т1
Распределение местных скоростей по сечению при турбулентном
режиме движения существенно отличается от параболического.
В первом приближении, согласно теории Прандтля, можно принять,
что это распределение характеризуется логарифмическим законом.
Для вполне развитого турбулентного потока отношение средней
скорости аус.р к максимальной дамакс является функцией числа Рей-
нольдса, т. е. —— = Z = f(Re). Для определения величины
^макс
и>ср/^Макс можно воспользоваться уравнением:
-^- = 0,61 Re1/38 (3-3)
Waxc
В этом случае обычно
о.'Сп
----- « 0,8 0,95 (3-4)
^макс
Графическое выражение зависимости —— от числа Рейнольд-
ДОмакс
са представлено на рис. 3-1.
26
Необходимо учитывать, что приведенные выше выражения от-
ношения средней скорости к осевой справедливы лишь для сече-
ний стабилизированного пото-
ка (например, сечений, перед
которыми длина прямого уча-
стка трубы составляет не ме-
нее 50 диаметров: на разгон-
ном участке такой длины ус-
певают исчезнуть возмущения
в потоке, вызванные изме-
нениями в конфигурации тру-
бы).
Экспериментальное изуче-
ние закона распределения ско-
ростей в поперечном сечении
потока производится на специ-
альной лабораторной уста-
новке.
Цель работы — измерения
скоростей в различных точках
^макс
шмакс d(1 гаср
I-Re=—----- ;2-Re = ——
поперечного сечения трубопровода и определение средней скоро-
сти потока.
Рис. 3-2. Установка для определения поля скоростей:
/—электродвигатель; 2— вентилятор; 3—психрометр;4—ртутный чашечный ба-
рометр; 5—дифференциальный манометр; 6—расходомер; 7—воздухопровод;
8—трубка Пито—Прандтля; 9—диафрагма.
Работа заканчивается построением так называемого профиля
(или эпюры) скоростей потока в трубопроводе и сопоставлением
расчетного значения расхода с показанием расходомера,
27
О
Рис. 3-3. Трубка Пито—Пранд-
тля (схема).
Описание установки (рис. 3-2)
Установка состоит из вентилятора 2 и воздухопровода 7 с внут-
ренним диаметром 150 мм и длиной 7 м.
На воздухопроводе расположены: 1) напорная трубка (трубка
Пито — Прандтля) 8 с дифференциальным манометром 5, имею-
щим наклонную шкалу; 2) диафрагма 9, присоединенная к расхо-
домеру «кольцевые весы» 6.
Методика проведения работы и обработка результатов
Для замера скоростей потока пользуются напорными труб-
ками Пито — Прандтля. Напорная трубка состоит из двух тру-
бок— внутренней и наружной (рис.
3-3). Внутренняя трубка, открытая с
торца навстречу потоку, воспринима-
ет общее давление (напор), равное
сумме статического и скоростного (ди-
намического) давлений1. Наружная
трубка, имеющая круговую прорезь на
боковой поверхности, воспринимает
только статическое давление. Напор-
ная трубка всегда устанавливается
вдоль оси трубопровода, открытым
концом навстречу потоку. По разно-
сти общего и статического давлений
можно определить скоростное (дина-
мическое) давление, обычно обозна-
чаемое через А/?ск-
Выведенные наружу (за пределы трубопровода) концы внутрен-
ней и наружной трубок имеют следующие отличительные знаки:
для статического давления знак минус (—), для общего давле-
ния— знак плюс ( + ).
Для измерения разности давлений концы трубок присоединяют-
ся к дифференциальному манометру1, показывающему величину
скоростного давления Арск.
Из формулы2
Дрек = (3-5)
1 Манометры, показывающие разность двух давлений, называются диффе-
ренциальными манометрами или сокращенно «дифманометрами». В целях бо-
лее точного отсчета величин скоростного давления (имеющего иногда очень не-
большие значения) правое колено обычного U-образного манометра выполняют
в виде наклонной трубки, а левое — в виде сосуда для манометрической жид-
кости. Дифференциальные манометры в таком выполнении называются микро-
манометрами.
Микроманометры обычно заполняются подкрашенным спиртом с относитель-
ной плотностью 0,8 и градуируются в мм вод. ст.
2 В расчетах воздухопроводов давление часто выражают в мм вод. ст., так
как давление 1 кгс/м2 (в системе МКГСС) уравновешивается давлением слоя
воды высотой в 1 мм; 1 мм вод. ст. соответствует в СИ 9,81 н/'м2.
28
находят значение местной скорости
2 Арск
2
(3-5а)
Следует подчеркнуть, что измеренная величина ДрСк и вычис-
ленная отсюда скорость w относятся только к точке замера.
Для определения средней скорости потока необходимо произве-
сти ряд замеров в разных точках поперечного сечения трубопро-
вода.
Если полученные в результате этих измерений значения скоро-
стей отложить в масштабе на эскизе продольного разреза трубо-
провода в точках, соответствую-
щих точкам замеров, и соединить
концы векторов скоростей плав-
ной кривой, то получим так назы-
ваемый профиль или поле скоро-
стей в трубопроводе (рис. 3-4).
При ламинарном движении
поле скоростей представляет со-
бой правильную геометрическую
фигуру — параболу (профиль Рис. 3-4. Профиль скоростей.
Пуазейля). Среднюю скорость в
этом случае определяют по средней высоте параболоида вращения:
Епараб nd2h nd2 h.
Лср = = : ~Т~ = ~2
nd2h
где Епараб = —g----объем параболоида вращения;
Епараб ~ площадь основания параболоида, равная пло-
щади поперечного сечения круглой трубы диа-
метром d;
/г —высота параболоида.
Следовательно,
гг-'ср = 0,5и’ос
где ёс’ос — скорость по оси трубопровода.
При турбулентном движении поле скоростей имеет иной вид.
Средняя скорость потока в круглой трубе и в этом случае так-
же будет являться средней высотой тела вращения, образованного
полем скоростей. В этих условиях для турбулентного потока опре-
деление средней скорости расчетным методом становится затруд-
нительным.
Ниже рассмотрен сравнительно простой способ определения
средней скорости, который заключается в следующем.
Поперечное сечение трубопровода условно делится на ряд рав-
новеликих кольцевых площадок I, II, III (рис. 3-5). Каждая коль-
цевая площадка, в свою очередь, делится окружностью (проведен-
ной пунктиром) на две равные по площади части. Точки 1, 2, 3,
29
отмеченные на этих пунктирных окружностях, являются средин-
ными точками выделенных кольцевых площадок I, II, III.
Если произвести замеры скоростей в точках 1, 2, 3, то полу-
чатся средние скорости потока для каждой кольцевой площадки.
А так как все кольцевые площадки по условию равновелики, то
средняя арифметическая величина из замеренных в точках 1, 2, 3
скоростей и будет являться средней скоростью данного потока.
Расстояния х от стенок трубопровода до средних точек каждой
кольцевой площадки, т. е. до точек замера скоростей 1, 2, 3
Рис. 3-5. Деление поперечного сече-
ния трубопровода на ряд равновели-
ких кольцевых площадок.
Рис. 3-6. Положение напорных
трубок при замерах крайних то-
чек.
(рис. 3-5), определяются по следующей формуле (которая выво-
дится из условия равенства площадей I, II, III)
(3-6>
где d — диаметр трубопровода;
п — номера окружностей, делящих пополам кольцевые пло-
щадки (считая от центра трубопровода);
N — число кольцевых площадок.
Чем больше число кольцевых площадок, тем точнее будет зна-
чение средней скорости потока. В данной учебной установке для
диаметра трубопровода <7 = 150 мм число кольцевых площадок N
можно принять равным 3 (рис. 3-5). Тогда n = 1 -н3. Знак минус
в формуле (3-6) берется при определении значений х ниже оси
трубопровода (%i, х2, х3), знак плюс — для х, лежащих выше оси
трубопровода (х4, х5, хв).
Стандартные напорные трубки имеют диаметр 7=12 мм; сле-
довательно, когда такая трубка находится в крайнем верхнем или
в крайнем нижнем положении, расстояние от оси трубки АВ до
стенки трубопровода равно 12:2 = 6 мм. Крайние же точки заме--
30
ров по формуле (3-6) должны находиться от нижней стенки трубо-
провода (рис. 3-5 и 3-6) на расстоянии:
Следовательно, можно с небольшой погрешностью принять, что
точкам замеров Xi и хв будут соответствовать крайние — нижнее и
верхнее — положения напорной трубки в трубопроводе.
Для остальных точек замера (от х2 до х5) положения напорной
трубки вычисляются также по формуле (3-6). При проведении
измерений положение трубки указывается стрелкой (укрепленной
на верхней части трубки) по неподвижной вертикальной шкале,
имеющей градуировку от 0 до 150 мм (соответственно диаметру
трубопровода).
В формулу (3-5а) входит плотность р влажного воздуха, ко-
торую можно вычислить так:
Рвозд Д
Рвл. возд = Рсух. возд + Рвод. пар = Ро ’ р ' ~р 1“ ФРнас. вод. пар ~
В — срРнас. ВОД1 пар То
~ Ро ~р ’ ~р Р ФРнас. вод. пар (3-7)
где р0= 1,293 к г /м3 — плотность сухого воздуха при нормальных
условиях: 7'о = 273° К (0° С) и Ро =
= 101 325 н/м2 (760 мм рт. ст.)-,
В — барометрическое давление воздуха в усло-
виях опыта, определяемое по барометру
(в данном случае — ртутному, чашечному),
н1м2\
Ф — относительная влажность воздуха (отноше-
ние количества водяного пара, содержаще-
гося в 1 м3 влажного воздуха к максимально
возможному его количеству при тех же
условиях —^температуре и давлении). Эта
величина определяется по психрометру (со-
стоящему из двух термометров — сухого и
мокрого) и по прилагаемой к нему таблице *;
^“нас. вод. пар— Давление насыщенного водяного пара, опре-
деляемое по паровым таблицам по темпе-
ратуре сухого термометра, н/м2-,
/’—температура воздуха в условиях опыта, оп-
ределяемая по сухому термометру, 0 К;
1 Приборы и таблицы для определения указанных в формуле (3-7) величин
размещаются на настенном щите.
31
Рнас. вод. пар ~ плотность насыщенного водяного пара, оп-
ределяемая по паровым таблицам по темпе-
ратуре сухого термометра, кг/ле3;
Рвозд-парциальное давление сухого воздуха при
условиях замера, н/м2.
После проведения всех наблюдений и подсчетов получают зна-
чения скоростей воздуха в шести точках поперечного сечения по-
тока. Средняя скорость потока (в м!сек) определяется как
среднее арифметическое из полученных скоростей.
Затем производят дополнительный замер скоростного давления
в центре трубопровода для вычисления максимальной скорости
И'макс на оси потока и находят отношение средней скорости к ма-
ксимальной (осевой)
. И>ср
А =---
шос
Если прямой участок трубопровода перед плоскостью замеров
значительно меньше разгонного участка (меньше ~20 d), то полу-
ченные расчетом на основании замеров местные скорости будут
несколько искаженными. В таких случаях для получения более
точных результатов целесообразно производить замеры скорост-
ных давлений в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Величина полученного отношения А средней скорости к осевой
скорости в трубопроводе может служить ориентировочной харак-
теристикой потока. При /1=0,5 — поток ламинарный, при А =
= 0,8—0,95 — поток турбулентный.
Для уточнения режима потока определяют критерий Рей-
нольдса
Цвл. возд
где &аср — средняя скорость воздуха, м[сек-,
d — внутренний диаметр трубопровода, м;
Рвл. возд — плотность влажного воздуха, кг/м3-,
Рвя. возд ~ Р — динамический коэффициент вязкости воздуха при
температуре сухого термометра, н • сек[м2.
Составление отчета
Отчет составляется на бланке лаборатории по следующей
форме:
А. Принципиальная схема установки, схема подключения труб-
ки Пито— Прандтля.
Б. Результаты наблюдений и расчетные величины:
1. Температура воздуха по «сухому» термометру
/сух = • • • С
Гсух = 273 + /сух “ • • °К
32
2. Температура «мокрого» термометра (по психрометру)
би ~ ... °C
Тм = 273 + /„=... °К
3. Относительная влажность воздуха (по таблице)
<р = . . . (в долях)
4. Барометрическое давление воздуха (по ртутному чашечному барометру)
В = . . . н'м2
5. Давление насыщенного водяного пара при температуре «сухого» термо-
метра (по таблице)
Риас = • • • н/-И2
6. Плотность насыщенного водяного пара при температуре «сухого» термо-
метра (по таблице)
рнас = . . • кг/м3
7. Плотность влажного воздуха
Рвл. возд = 1,293 -/L НаС ‘ —- + Ф ’ Риас — • • • кгДи3
1 Ю 1 сух
8. Вязкость воздуха при температуре «сухого» термометра (по таблице) '
р = ... н • сек/м2
9. Определение точек замера скоростных давлений
' х — ~ 1 ± для d = 150 мм, N = 3, « = 1 до 3
(Точки замера от до хе вычисляются и заносятся в отчетную таблицу.)
10. Скоростные давления и скорости в точках замера (заносятся в таблицу).
Примечание. Для удобства замеров величины х располагают в возрастаю-
щем порядке.
11. Местные скорости в точках замера
2ДРСК ,
w = Т/ ------— = . .. м/сек
г Рвл. возд
Отчетная таблица
№ по пор. Точки замера х, мм АРСК, мм вод. ст. среднее ау,‘ м!свк
1 замер 2 замер 3 замер мм вод, ст. н/м1
1 2 ’ 6 ’ 7 75 1
* Замер по оси трубопровода.
(Скорости от Wi до wi заносятся в таблицу.)
3 Зак. 1377
33
12. Средняя скорость потока
01 23050789 10 м/сек
Рис. 3-7. Построение профиля ско-
ростей.
13. Отношение средней скорости к осевой
ИДр
- ~
14. Число Рейнольдса
^ср</рвл. возд
Re ------------
М-вл. возд
15. Расход воздуха, вычисленный по средней скорости
Qceit “ а'срТ' = . . . M?jceK
Фчас = . . . м3/ч
16. Показание (среднее) воздухомера «Кольцевые весы»
Qk. в = . . . м3/ч
17. Отношение расходов воздуха
Qqac ____________
Qk. в
В. Графическое построение «про-
филя скоростей». Для этой цели на
миллиметровой бумаге вычерчива-
ют в масштабе продольный разрез
трубопровода и откладывают точки
замеров соответственно найденным
величинам «х». Из этих точек, счи-
тая их за ноль, откладывают отрезки, соответствующие скоростям
в точках замера. Отрезки откладывают в принятом для скоростей
масштабе. Концы отрезков (выражающих скорости) соединяют
плавной кривой (рис. 3-7).
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. И. И. А г р о с к и и, Г. Т. Дмитриев, Ф. И. Пикалов, Гидравлика,
Изд. «Энергия», 1964.
2. Л. Г. Л ой ц я нс к ий, Механика жидкости и газа, Физматгиз, 1957.
3. Л. М. Милн-Томсон, Теоретическая гидродинамика, перев. с англ.,
Изд. «Мир», 1964.
4. Л. Прандтль, Гидроаэромеханика, церев. с нем., ИЛ, 1951.
Работа 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАСХОДА ДРОССЕЛЬНЫХ РАСХОДОМЕРОВ
Введение
Для измерения количества жидкости (газа или пара), прохо-
дящего в единицу времени по трубопроводу, используют дроссель-
ные расходомеры с переменным перепадом давления.
84
Расходомеры этого типа устанавливают обычно на трубопро-
водах диаметром более 50 мм}\ состоят они из дроссельного устрой-
ства (например, диафрагмы, сопла, трубы Вентури) и подключен-
ного к нему посредством соединительных (импульсных) трубок
дифференциального манометра. Назначение дроссельного устрой-
ства — создавать сужение потока, назначение дифференциального
манометра — измерять пере-
пад давлений, обусловлен-
ный сужением потока (на
участке дросселирования).
Цель работы — экспери-
ментальное определение ко-
эффициентов расхода нор-
мальной диафрагмы и нор-
мального сопла и установле-
ние зависимости этих коэф-
фициентов от критерия Рей-
нольдса для области разви-
того турбулентного режима
движения жидкости.
Рассмотрим теоретиче-
ские основы определения
коэффициента расхода.
Пусть реальная несжимае-
мая жидкость движется по
горизонтальному трубопро-
воду, в котором установле-
но дроссельное устройство
(например, нормальная ди-
афрагма — относительно
тонкий диск с круглым от-
верстием в центре и прямо-
угольной кромкой на входе).
При установившемся дви-
жении жидкости на некото-
ром участке после диафраг-
Рис. 4-1. Некоторые характеристики потока
жидкости при движении через нормальную
диафрагму, установленную в трубопроводе
(схема):
I—I—сечение потока перед сужением; II—II—се-
чение потока в месте наибольшего сужения;
///—///—сеченне потока после сужения;
р р р2, рд—давления, соответствующие сечениям
I—I, II-II и ///—///; р01—р02—давления в углах
у торцов диафрагмы; d\, d%, <5з—диаметры потока
в сечениях I—I, II—II и III - III; do—диаметр
отверстия диафрагмы; d—внутренний диаметр
трубопровода;----давление у стенки трубо-
провода; --------давление в центре потока.
мы создается местное суже-
ние потока жидкости (рис. 4-1). Выберем сечение I—I перед на-
чалом сужения потока, а сечение II—II — в месте наибольшего
сужения. Здесь dt = d; d2<d0-, d0<d.
В соответствии с законом сохранения массы вещества средняя
скорость потока несжимаемой жидкости в суженном сечении I—I
повышается.
Ее изменение можно описать уравнением неразрывности потока:
wF = wiFl = w2F2 — w0F0 (4-1)
1 Расходомеры с постоянным перепадом давления устанавливаются обычно
на трубопроводах диаметром до 50 мм. К ннм относятся, например, расходо-
меры с погруженным поплавком (ротаметры).
3*
35
где w, Wi, w2, W—средние скорости движения жидкости, соответ-
ствующие сечениям F, Flt F2, Fo; F, Fi, F2, Fq— площади попереч-
ных сечений потока.
Увеличение средней скорости движения жидкости на участке
сужения (/—I)—(II—II) вызовет повышение удельной кинетиче-
ской энергии потока, в результате чего уменьшится потенциальная
энергия потока, т. е. изменит свою величину статическое давление
жидкости (рис. 4-1). Это изменение можно установить по уравне-
нию Бернулли. Применительно к нашему случаю движения вязкой
жидкости в горизонтальном трубопроводе для сечений I—I и II—II
это уравнение имеет вид:
Pi р2
где —.— — статический напор соответственно в сечении I—1
8 8 и II—II;
—— скоростной напор соответственно в сечении /—/
8 и II-II;
йпот—так называемый потерянный напор (напор, затра-
чиваемый на преодоление гидравлических сопротив-
лений на участке между сечениями I—I и II—II).
Нам. необходимо получить уравнение, позволяющее определить
расход жидкости V в зависимости от перепада давлений по обе
стороны диафрагмы, поперечное сечение отверстия которой
лД
Fo = —— (где d0 — известный диаметр отверстия диафрагмы).
Из уравнения (4-1) следует, что:
V = w0Fa
(4-2)
2
Wj
2g’
(4-3)
Выражение скорости w0 можно найти путем сопоставления
уравнений (4-1) и (4-2).
Из уравнения (4-1) имеем
®о = ®2-Н (4-1а)
или:
Wo = w2e (4-4)
где е = -^Л = Рт-)2 — так называемый коэффициент сжатия струи.
Величину средней скорости жидкости в месте наибольшего су-
жения потока w2 можно определить из уравнения (4-2). Для этого
сделаем ряд преобразований. Из уравнения (4-2) видно, что:
= 2.(.р.1 ~ Рг). _ 2&Апот + (4-2а j
Имея в виду, что w2F2 = wxFx и что F2 = eF0, можно записать:
а), = w2e ~ (4-5)
36
F
Вводя обозначение т для отношения т. е. принимая
получим:
= w2e,m (4-7)
Подставляя из уравнения (4-7) в (4-2а), можно определить
w2. Рассмотрим два случая: а) /гПот = 0; б) /гпот>0.
В первом случае (при движении идеальной жидкости) получим:
w2 = г.... — 1/2 —
У 1 - e2m2 ) р
(4-8)
Во втором случае (при движении реальной жидкости) часть
перепада давлений Др будет затрачена на преодоление потерь
/гПот- Поэтому в формулу (4-8) вводят поправочный множитель
ф, так называемый коэффициент скорости, меньший единицы, и
придают этой формуле вид:
w2 = Л 1 ф 1/ 2 А- (4-9)
. У 1 - е2т2 У р
Уравнение (4-9) можно получить также непосредственно из формулы (4-2а)
с помощью (4-7), полагая, что между потерянным напором йпот и перепадом
Др
давления существует зависимость вида
йпот = (1 - Ф2) (4-10)
где ф — указанный выше коэффициент скорости.
В самом деле, подставляя в уравнение (4-2а) ®| из (4-7) н йПот из (4-10),
получим:
= _ 2g (1 _ ф2> Al + w2&m2
w2 (1 - e2m2) = ф2 AA-
Ф /" 2 Др
w2 = — 1/ ——
у 1 — e2zn2 г р
Искомый объемный расход жидкости из уравнения (4-3) с по-
мощью равенств (4-4) и (4-9) можно представить в виде следую-
щего уравнения:
У = (4-11)
V1 - e2m2 У р
Обозначая через а комплексный коэффициент г е<р -, по-
V 1 — ₽.2т2
лучим:
(4-11а)
3?
где величина а называется коэффициентом расхода 'дроссельного
устройства.
Физический смысл коэффициента расхода а можно объяснить
с помощью уравнения (4-11), принимая во внимание, что
-/Я? -
(4-12)
где Н — высота, равная разности статических напоров
Как видно, коэффициент расхода дроссельного устройства по-
казывает, какое количество жидкости'проходит в единицу времени
через единицу площади поперечного
сечения отверстия дроссельного уст-
ройства при условии, что средняя ско-
рость потока в этом сечении определя-
ется формулой скорости свободного
падения тела с высоты Н (высоты,
равной разности статических напоров
до сужения и в месте наибольшего су-
жения потока).
На практике при установке диаф-
рагмы в трубопроводе по нормам им-
пульсные трубки от дифференциаль-
Рнс. 4-2. Схема измерения пе- ного манометра подсоединяются непо-
репада давления у диафрагмы, средственно к торцам диафрагмы (рис.
4-2), что обеспечивает измерение пе-
репада давлений рт—р02, несколько большего по величине, чем
Pi—Р2 (рис. 4-1). Это соответственно корректирует величину а при
опытном ее определении.
Как следует из соотношения а=—г £ф , коэффициент рас-
V 1 — е.гт2
хода может быть меньше или больше единицы в зависимости от
величин е, <р, т. Например, для нормальной диафрагмы, у кото-
рой е<1, <р<1 при т = У = 0,3 -ъ 0,6, величина а обычно
меньше единицы.
Для нормального сопла и трубы Вентури, у которых е==1,
<р<1, при тех же значениях т величина а часто больше единицы
[1-5].
Из-за сложности гидродинамических явлений, возникающих
при движении жидкости через дроссельное устройство, величину
коэффициента расхода не удается вычислить теоретическим пу-
тем. Приходится определять коэффициент расхода эксперимен-
тальным путем методом обратного пересчета из уравнения (4-11).
Такие определения были сделаны для некоторых дроссельных
устройств, предусмотренных нормалями [5]. Коэффициенты рас-
хода для них определены в достаточно широких пределах в зави-
симости от геометрических особенностей устройства и режима
38
движения жидкости. Тем не менее изучение и анализ этих коэф-
фициентов с помощью эксперимента представляет по-прежнему
большой интерес как для учебных целей, так и для целей даль-
нейшей рационализации расходомеров.
Теория подобия позволяет утверждать, что коэффициент рас-
хода должен быть одинаков для геометрически и гидродинами-
Рнс. 4-3. Зависимость исходного ко-
эффициента расхода нормальных диа-
фрагм от критерия Рейнольдса.
Рис. 4.4. Зависимость исходного
коэффициента расхода нормальных
сопел от критерия Рейнольдса.
чески подобных потоков независимо от рода жидкости. При
соблюдении геометрического подобия потоков, в частности для
геометрически подобных дроссельных устройств, коэффициент рас-
хода, как показывает опыт, является функцией критерия Рей-
нольдса. Например, известна зависимость коэффициента расхода
от критерия Рейнольдса, в довольно широких пределах его изме-
нения, для нормальной диафрагмы (с острой кромкой отверстия)
и нормального сопла при установке их в трубопроводе с гладкой
внутренней поверхностью. Такая величина коэффициента расхода
для нормализованных дроссельных устройств, устанавливаемых в
гладких трубах, называется исходным коэффициентом расхода.
39
При несоблюдении указанных условий необходимо вводить по-
правки, учитывающие шероховатость труб, неостроту кромки от-
верстия диафрагмы и др.
Зависимость исходных коэффициентов расхода для нормаль-
ной диафрагмы и нормального сопла от критерия Рейнольдса для
различных величин т приведена на рис. 4-3 и 4-4. Из этих рисун-
ков видно, что зависимость коэффициента аи от критерия Re на-
блюдается лишь до некоторого значения этого критерия.
Минимальное значение критерия Рейнольдса, при увеличении
которого исходный коэффициент расхода аи данного дроссельного
устройства при данном т перестает изменяться, называют пре-
дельным числом Рейнольдса (Renp).
Описание установки
. Из расположенного в подвале резервуара 1 трехступенчатым
центробежным насосом 2 можно непрерывно подавать воду в на-
Рис. 4-5. Схема учебной установки:
1 — резервуар; 2—центробежный насос; 3-трубопровод; 4—бак; 5—труба; 6-задвнжка;
7—буферный бачок; в—труба Вентури; 9 н 11—нормальнее диафрагмы; /й-нормальное
сопло; 12—регулировочный вентиль; 13 и 14—дифференциальные манометры; 15 и 17—по-
плавковые дифференциальные манометры; 16 и 13—вторичные приборы регистрирующего
типа; 19—вторичный прибор указывающего типа; 20—перекидная труба; 21-водомерное
стекло; 22—спускной клапан; 23—рычаг; 24— вентиль.
гнетательную линию (трубопровод 3 на рис. 4-5). Отсюда она по-
падает в один из отсеков тарировочного (измерительного) бака 4
и возвращается через соответствующие клапаны по спускной тру-
бе в резервуар 1. Всасывающая линия насоса соединена, кроме
того, с центральным водопроводом посредством трубы 5, по кото-
40
рой насос перед пуском заполняется водой. Эта труба служит
также для обновления воды в системе.
На нагнетательной линии (трубопровод 3) установлены за-
движки 6, буферный бачок1 7 (с водомерным стеклом и предо-
хранительным клапаном), четыре дроссельных устройства, а имен-
но: труба Вентури 8, нормальная диафрагма 9, нормальное соп-
ло 10, нормальная диафрагма И и регулировочный вентиль 12.
Труба Вентури состоит из входного сужающегося конуса (кон-
фузора), цилиндрической средней части и выходного расширяю-
щегося конуса (диффузора)2. Перед конфузором обычно устанав-
ливается дополнительный цилиндрический патрубок с внутренним
диаметром d.
Нормальные диафрагмы 9 и 11 представляют собой диски,
имеющие центральное круговое отверстие с прямоугольной кром-
кой на стороне входа. Нормальное сопло 10 является патрубком,
имеющим закругленное по специальному профилю, плавно су-
жающееся входное отверстие, переходящее затем в цилиндриче-
скую часть.
Сопло 10 и диафрагма И соединены импульсными трубками
с [/-образными стеклянными дифференциальными манометрами:
первое —с дифференциальным манометром 13, вторая — с диффе-
ренциальным манометром 14. Труба Вентури 8 соединена с
поплавковым дифференциальным манометром 15, снабженным ме-
ханической передачей показаний на вторичный прибор регистри-
рующего типа 16. К диафрагме 9 подключен поплавковый диффе-
ренциальный манометр 17 с электрической передачей показаний
одновременно на вторичный прибор регистрирующего типа 18 и
на вторичный прибор указывающего типа 19.
Регистрирующие самопишущие приборы 16 и 18 имеют круг- •
лую шкалу, вращаемую часовым механизмом со скоростью
1 об/сутки (24 ч). Радиальная шкала прибора дает относитель-
ные показания измеряемой величины (перепада давлений, созда- '
ваемого дроссельным устройством) в процентах от некоторого
максимального значения. Максимально возможное значение пе-
репада давлений, условно обозначаемое как 100%, находится на
периферии шкалы, нулевое значение — у центра. Прибор устроен
так, что перо стрелки-указателя отклоняется на величину, пропор-
циональную перепаду давлений, возникающему при том или ином
расходе жидкости на дроссельном устройстве. Шкала регистри-
рующего прибора 16 имеет градуировку в единицах объемного
расхода (в м3/ч).
Нагнетательный трубопровод 3 заканчивается перекидной трубой
20, позволяющей направлять воду в любой отсек измерительного
1 Необходимость в буферном бачке отпадает при наличии на на гнета тельной
линии плавно регулирующей арматуры. <
2 Согласно Правилам [5], нормальную трубу Веитури можно применить в
трубопроводах диаметром от 100 до 800 мм при условии, что 0,2 < т С 0,5.
41
бака 4. Каждый отсек этого бака имеет емкость 0,25 м3 (250 л).
Отсеки снабжены водомерным стеклом 21 и спускным клапаном
22. Спускные клапаны можно открыть с помощью рычагов 23,
вынесенных в одну сторону и расположенных вдоль боковой стенки
бака.
Методика проведения работы
Экспериментальному определению подлежат величины, необ-
ходимые для расчета коэффициентов расхода нормального соп-
ла 10 и нормальной диафрагмы 11 (рис. 4-5) с помощью урав-
нения вида
где V — объемный расход воды, м31сек-,
Fo — площадь отверстия дроссельного устройства, м2;
с?0 = 32 мм — для нормального сопла 10 (рис. 4-5);
d0 = 57,5 мм — для нормальной диафрагмы И (рис. 4-5);
Ар — перепад давлений, н/м2',
р — плотность воды, проходящей по трубопроводу, кг]м3.
Опытным путем необходимо определить величины V и Др.
Можно показать из уравнения равновесия жидкости в диффе-
ренциальном манометре (рис'. 4-2), что: •
ДР = Poi - Рог = hg (Рм - Р) (4-13)
где /г —разность уровней манометрической жидкости, м;
рм, р—плотности манометрической жидкости и жидкости, проте-
кающей по трубопроводу (соответственно ртути и воды),
кг!м3.
Уравнение (4-11а) с учетом (4-13) получит вид:
Так как данная работа предусматривает определение несколь-
ких значений коэффициентов расхода с целью установления зави-
симости их от критерия Рейнольдса, то уравнению (4-14) целесо-
образно придать следующую рабочую форму:
° ~ А 7Т” (4-14а)
где А — размерный коэффициент, объединяющий все постоянные
для данного опыта величины;
У — объемный расход воды, м31сек\
h— разность уровней по показаниям ртутных манометров 13
и 14, м,
42
Расход воды V определяется по величине объема воды, по-
ступившей в отсек тарировочного бака, и времени заполнения
этого объема в отсеке.
Данную работу, включая измерения и подготовку отчета, ре-
комендуется выполнять в'-следующем порядке.
1. Получить задание по работе от преподавателя.
2. Подготовить в отчетном листе основные уравнения, необхо-
димые для выполнения задания, и таблицу для записи измеряе-
мых и рассчитываемых величин.
Отчетная таблица
Измеряемые величины
Рассчитываемые величины
3. Распределить рабочие места (рис. 4-5):
а) у тарировочного бака 4 — два человека, один опери-
рует рычагами клапанов и перекидной трубой, другой про-
изводит замеры времени по секундомеру;
б) у дифференциальных манометров 13 и 14— два чело-
века.
4. Подготовить установку к пуску (с разрешения преподава-
теля) :
а) полностью открыть вентиль /2;
б) поставить перекидную трубу 20 на левый отсек тариро-
вочного бака 4;
в) открыть спускные клапаны 23 обоих отсеков бака 4,
переведя оба рычага назад до упора;
г) в целях подготовки к пуску центробежного насоса за-
крыть полностью задвижку 6 на нагнетательной линии тру-
бопровода, залить насос водой, открыв вентиль на водо-
проводной трубе 5 и, выпустив воздух через вентиль 24
(до выхода воды), закрыть вентиль на водопроводной
трубе 5.
5. Включить пускатель электродвигателя (вверх до отказа).
6. Полностью, но плавно открыть задвижку 6.
43
7. Приступить к измерениям. У тарировочного бака 4 следует
закрыть спускной клапан правого отсека, переведя соответствую-
щий рычаг вперед до упора. Установить ориентировочно с по-
мощью вентиля 12 и указывающего прибора 19 наименьший по
заданию расход воды. Перебросить перекидную трубу 20 с откры-
того левого отсека на закрытый правый отсек, включив одновре-
менно секундомер. Когда уровень воды в правом отсеке дойдет
примерно до 0,2 м3 (или 200 дм3), перебросить перекидную трубу
на левый открытый отсек, остановив одновременно секундомер. По
шкале водомерного стекла после успокоения уровня сделать от-
счет объема воды в м3, по шкале секундомера — времени в сек.
В то же время снять показания по шкалам дифференциальных
манометров у сопла и диафрагмы в мм рт. ст. Записать данные
измерений в таблицу.
Выпустив всю воду из правого отсека и закрыв его спускной
клапан, следует увеличить расход воды открытием вентиля 12 и
проделать второй опыт по указанной выше методике. Так прово-
дят 5—6 опытов при разных расходах воды, устанавливая их
(вначале ориентировочно) в пределах полученного задания.
8. По окончании всех измерений открыть спускные клапаны
обоих отсеков, плавно закрыть вентиль 12, полностью закрыть за-
движку 5 и выключить пускатель.
9. Приступить к обработке результатов измерений в отчетном
листе.
Составление отчета
Отчет о выполненной работе составляется на специальном
бланке лаборатории. Отчет должен содержать задание, принци-
пиальную схему установки со спецификацией, перечень основных
уравнений, необходимых для выполнения задания, таблицу изме-
ряемых и рассчитываемых величин, графическое изображение за-
висимости коэффициентов расхода от критерия Рейнольдса.
Следует иметь в виду, что вычисляемый критерий Рейнольдса
относят к диаметру трубопровода, а не к диаметру дроссельного
устройства. Число Рейнольдса определяют по выражению:
Re = ^-
Ц
где w — скорость воды в трубопроводе, м/сек','
d — внутренний диаметр трубопровода (72 мм), м;
р —плотность воды, кг/м3',
И — динамический коэффициент вязкости воды, н-сек/м2.
Зависимости вида a=f(Re) при tn—const для данного дрос-
сельного устройства строят на миллиметровой бумаге в масштабе.
Все записи измеряемых и рассчитываемых величин, равно как
и графические построения, выполняются непосредственно на от-
четном листе.
44
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. Н. Павловский, Измерение расхода и количества жидкостей, газа
и пара, Изд. стандартов, 1967.
2. П. П. Кремлевский, Расходомеры, Машгиз, 1963.
3. В. И. Монахов, Измерение расхода и количества жидкости, газа и па-
ра, Госэнергоиздат, 1962.
4. Э. Яркове кий, Основы практических расчетов диафрагм, мерных со-
пел и труб Вентури, Машгиз, 1962.
5. Правила 27—54 по применению и проверке расходомеров с нормальными
диафрагмами, соплами и трубами Вентури, Стандартгиз, 1958.
Работа 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТРУБОПРОВОДОВ
Введение
Одним из важнейших вопросов прикладной гидравлики яв-
ляется определение потерь энергии при движении жидкостей.
Установившееся движение потока описывается уравнением
Eu = <p(Re,r1, Г2) (5-1)
которое представляет собой критериальную форму уравнения
Навье—Стокса для установившегося движения жидкости при на-
порном течении по прямому трубопроводу. В этом уравнении:
Ей = —критерий Эйлера (мера отношения сил давления и
сил инерции);
Re = — критерий Ррйнольдса (мера отношения сил инерции
и сил вязкости);
Гь Г2.. . — симплексы геометрического подобия:
где . Ар — потеря давления, н/м2-,
р — плотность жидкости, кг/м?-,
w — средняя скорость движения потока, м/сек-,
d — диаметр трубы, м;
ц — вязкость жидкости, н • сек/м2.
Очевидно, зная величину критерия Эйлера, легко найти потерю
Давления:
Др = Ей ри>2 (5-2)
В частном случае движения жидкостей по трубопроводам раз-
личают потери энергии по длине трубопроводов и в местных со-
противлениях.
Значение критерия Эйлера при движении жидкости по прямой
Трубе может быть определено из уравнения:
Ей = С КетГ1Г« (5-3)
где Г,-4 и
45
L — длина прямого участка трубы, м",
е3 — эквивалентная шероховатость \ м\
С, т, п — величины, зависящие от режима движения.
Прохождение потока через местные сопротивления может быть
охарактеризовано аналогичным критериальным уравнением, одна-
ко выражения симплексов геометрического подобия для этого
случая пока не установлены и константы уравнения не опреде-
лены.
Таким образом, в случае движения жидкости по прямой трубе
критерий Эйлера может быть рассчитан, хотя и с некоторыми за-
труднениями, связанными с установлением значений величины ко-
эффициента уравнения (С) и показателей степени (т и и). В слу-
чае же прохождения потока через местные сопротивления опреде-
лить значение критерия Эйлера расчетным путем, как функции
критерия Рейнольдса и симплексов геометрического подобия, пока
затруднительно. Эти обстоятельства не позволяют до настоящего
времени отказаться от частных эмпирических формул:
дРтр = *4”?“ (5-4)
Лрм.с = С-^ (5-5)
где Z — коэффициент трения;
— коэффициент местного сопротивления; а остальные обо-
значения те же, что и в предыдущих уравнениях.
Из сопоставления формул (5-4) и (5-5) с выражением крите-
рия Эйлера (5-2) следует, что Z = 2Eu (при и ъ=2Еи,
т. е. оба эти коэффициента зависят от числа Рейнольдса и гео-
метрических характеристик системы X=<p(Re, Г2) и £=q/(Re, Г).
При движении потока жидкости в условиях, когда сила трения
будет пренебрежимо малой по сравнению с силой инерции, т. е.
в автомодельной области, оба эти коэффициента (как и критерий
Эйлера) становятся постоянными.
Легко убедиться, что, обозначая ^=2CRemF", из уравнения (5-3)
получим формулу (5-4), а, обозначая £ = 2CRem для каждого дан-
ного вида местного сопротивления (т. е. считая равными нулю
показатели степени у обоих симплексов Г) и Гг), придем к фор-
муле (5-5).
Поскольку нахождение коэффициента трения (X) и коэффи-
циента местного сопротивления (С) связано с такими же принци-
пиальными трудностями, как и определение критерия Эйлера, то
при вычислении потерь напора с помощью формул (5-4) и (5-5)
1 Эквивалентная шероховатость — такая условная, постоянная по длине
трубы шероховатость, образованная выступами одинаковой высоты еэ, при кото-
рой потери энергии потока на трение будут теми же самыми, что и при данной
реальной шероховатости с выступами различной величины.
46
значения коэффициентов X и £ приходится либо находить по одной
из многочисленных экспериментальных зависимостей, либо брать
по соответствующим, также экспериментальным, графикам и
таблицам.
Цель работы — опытное определение коэффициента трения X
и коэффициентов местных сопротивлений £, а также ориентиро-
вочная оценка эквивалентной шероховатости трубопровода еэ.
Описание установки (рис. 5-1)
Вода из напорного бака 13 центробежным насосом 19 подает-
ся через систему различных гидравлических сопротивлений и по-
Рис. 5-1. Установка для определения коэффициентов сопротивления:
/—коллектор; 2—указательное стекло; 3, 4—задвижки; 5—расширение внезапное;
б—прямой участок; 7—расширение плавное; 8—кран проходной; 9—вентиль; 10—диа-
фрагма нормальная; //—поворот внезапный; 12—поворот плавный; 13—напорный бак;
14—стойка; /5—дифференциальный манометр к исследуемому объекту; 16—электродви-
гатель; 17—соединительная муфта; 18—задвижка на нагнетательном трубопроводе;
19—центробежный насос; 20—задвижка на всасывающем трубопроводе; 21—дифферен-
циальный манометр к диафрагме; 22—гильза с термометром.
ступает обратно в бак. Замкнутый цикл выбран в целях экономии
воды и для предупреждения отпотевания труб (обычно происходя-
щего при заполнении системы водопроводной водой низкой тем-
пературы). Бак (емкостью 0,5 м3) укреплен на стене (выше на-
соса), снабжен трубой, соединенной с городской нодопроводной
47
сетью, переливной трубой, спускной трубой и указательным стек-
лом. Такое расположение бака выбрано для демонстрации работы
насоса «под заливом», однако можно расположить бак и ниже
насоса. Насос (одноступенчатый, d = 75 мм) непосредственно со-
единен с электродвигателем переменного тока 16 мощностью
4,5 кет (число оборотов мотора 50 об/сек). Длина установки вы-
брана с таким расчетом, чтобы возмущения потока, возникающие
при прохождении отдельных местных сопротивлений, затухали на
прямых участках труб.
Вся система покоится на трех стойках 14.
На установке имеется десять объектов исследования.
По средней трубе поток проходит сначала плавное расшире-
ние, а затем плавное сужение (с углом расширения около 6°) 7,
где можно наблюдать изменение величины напора (превращение
статического напора в динамический и обратно) без практически
заметных потерь; далее поток проходит внезапное расширение 5
и внезапное сужение, где можно убедиться, что потери напора
при расширении больше, чем при сужении потока. Затем поток
с помощью задвижек 3 и 4 может быть направлен либо по ответ-
влению с арматурой, где можно исследовать сопротивление раз-
ных видов запорной арматуры 4, 8 и 9 и внезапного поворота 11,
либо по ответвлению, представляющему собой прямой участок
трубы 6 длиной 5 м, где можно изучать зависимость коэффициен-
та трения от числа Рейнольдса, а также потери напора при плав-
ном повороте 12.
На разветвлении потока установлен коллектор 1 емкостью
около 50 дм\ снабженный небольшим воздушным колпаком и
указательным стеклом 2. Трубы и арматура на установке имеют
условный проход 75 мм\ все соединения — фланцевые *.
Возможные пределы изменения скорости потока от 0,5 до
2,5 м!сек (расход до 11 дм3! сек).
Изменение скорости движения воды в трубопроводе достигает-
ся соответствующей регулировкой расхода с помощью задвижки
18 на нагнетательном патрубке насоса.
Расход измеряется посредством ртутного дифференциального
манометра 21, присоединенного к нормальной диафрагме 10, уста-
новленной на нагнетательном' трубопроводе, а потери напора при
прохождении потока через арматуру, поворотах и т. д. — посред-
ством водяных1 2 дифференциальных манометров 15 со шкалами
длиной 760 мм.
Температура воды определяется по термометру, находящемуся
в гильзе 22, вваренной в нагнетательный трубопровод.
1 Трубопровод (стальной) и арматура установки приняты диаметром 75 мм
для удобства измерения расхода воды стандартной диафрагмой, а также по-
тому, что при меньших диаметрах заметно будет сказываться их изменение за
счет загрязнения и ржавления.
2 Для измерения потерь напора при прохождении потока через вентиль
кроме водяного, установлен также ртутный дифференциальный манометр,
48
Методика проведения работы
Перед пуском установки удаляют воздух из воздушного кол-
пака на коллекторе, а также из расширенных участков средней
трубы и, пользуясь градуировочным графиком (рис. 5-2), опреде-
ляют показания ртутного дифференциального манометра 21, при-
соединенного к нормальной диафрагме 10, соответствующие за-
данным расходам. Пуск центробежного насоса производят при
закрытой задвижке на нагнетательном трубопроводе и открытой
4 Зак. 1377 46
задвижке на всасывающей линии ’. Последняя, во избежание раз-
рушения насоса за счет кавитации, должна быть полностью от-
крыта все время работы насоса.
По показаниям дифференциального манометра 21 с помощью
задвижки 18 на нагнетательном трубопроводе устанавливают сна-
чала наименьший из требуемых расходов.
Поток направляют через заданные объекты исследования, и
потери напора на соответствующих участках замеряют посред-
ством дифференциальных манометров 15.
Затем увеличивают расход, доведя его до следующего задан-
ного значения, и снова делают отсчеты показаний дифференци-
альных манометров у исследуемых объектов.
После окончания испытания объектов, расположенных на од-
ной ветви трубопровода, открывают полностью задвижку <3 или 4
на другой линии, закрывают до отказа задвижку на той ветви, где
исследования закончены, и продолжают эксперимент.
Обработка опытных данных и составление отчета
I
Рис. 5-3. Схема измерения
местных сопротивлений.
Среднюю скорость потока при заданных расходах воды легко
вычислить по уравнению расхода wcv = Q/F (где F— площадь по-
перечного сечения трубы, м1 2), коэффициент трения Z рассчитать,
пользуясь формулой (5-4), а коэффициенты местных сопротив-
лений £— пользуясь формулой (5-5)2.
При определении коэффициентов
местных сопротивлений из величины
потери давления, сосчитанной по по-
казанию дифманометра Дрман, следует
вычесть сопротивление трения на
участке прямой трубы между точ-
ками присоединения дифманометра
(рис. 5-3). Собственно местное со-
противление:
м. с
ЛРтр
= ДРман - I
здесь Д.Ртр — сопротивление трения, найденное при той же скоро-
сти движения потока;
L — длина прямого участка трубы, для которого опреде-
ляется сопротивление трения;
I — расстояние между точками присоединения дифмано-
метра.
1 Более подробно о правилах пуска центробежных иасосов см. работу 6.
5 При расчетах по формулам (5-4) и (5-5) следует помнить, что 1 мм вод.
ст. ~9,81 н/м2. При пересчете показаний ртутного дифференциального манометра
надо учитывать, что над столбиком ртути находится вода, вследствие чего пе-
репад давления Др= (ррт—рвод)^й, При этих условиях I мм рт. от. соответ-
ствует 123,5 н/м2,
60
Перед вычислением значений критерия Рейнольдса рекомен-
дуется привести общее выражение Re = —к виду Ке = с —
(где Q — расход, м3/сек и ц — вязкость, н • сек/м2) и найти значе-
ние постоянного коэффициента С.
Для оценки полученных результатов необходимо сопоставить
найденные опытным путем значения коэффициентов со справоч-
Рис. 5-4. Зависимость коэффициента трения Л стальных труб от числа Рей-
„ , d
нольдса Re и характеристики трубопровода — .
ными данными. Эти величины можно найти по вычисленным зна-
чениям числа Рейнольдса, пользуясь соответствующими графи-
ками и таблицами.
Чтобы установить шероховатость трубопровода по эксперимен-
тально найденным величинам коэффициента трения и значениям
4*
61
чисел Рейнольдса, надо определить из графика (рис. 5-4) услов-
ную «гладкость» трубы —.
Отчет о выполненной работе должен включать:
а) задание,
б) схему установки со спецификацией ’,
в) расчетные формулы,
г) таблицу измеренных.и рассчитанных величин.
Пример задания. Определить коэффициенты трения и коэффи-
циенты местных сопротивлений задвижки и вентиля при расхо-
дах 3, 6 и §дм3{сек. Оценить шероховатость трубы.
Отчетная таблица1 2
№ по пор. Наименование величин Обозначение и размерность Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Расход Показания дифферен- циального маномет- ра,- присоединенного к диафрагме Средняя скорость по- тока Температура воды Вязкость воды Число Рейнольдса Потери на трение при прохождении пря- мого участка трубы Потери при прохожде- нии задвижки Потери при прохожде- нии вентиля Коэффициент трения Коэффициент местного сопротивления за- движки Коэффициент местного сопротивления вен- тиля Эквивалентная шеро- ховатость Q, м2/сек Н, мм рт. ст. w, м/сек t, °C ц, н-сек/м2 Re й, мм вод. ст., &р, н/м2 й', мм вод. ст., &р', н/м2 h", мм вод. ст., мм рт. ст. Ьр", н/м2 л С' г еэ, мм 3 • 10~3 6-10~3 9•10-3 >
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Н. 3. Френкель, Гидравлика, Госэнергоиздат, 1956.
1 Требуется именно схема, а не аксонометрическое изображение, как на
рис. 5-1.
2 Таблица составлена применительно к заданию, приведенному в качестве
примера.
Б2
Работа 6
ИСПЫТАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Введение
. Внутри корпуса центробежного насоса находится одно или не-
сколько рабочих колес. Соответственно центробежные насосы де-
лятся на одно- и многоступенчатые.
Рабочее колесо состоит из двух дисков, соединенных изогну-
тыми лопастями (рис. 6-1). Жидкость, находящаяся между ними,
приводится во вращение вместе с рабочим колесом. При этом
каждая частица жидкости перемещается по сложной траектории.
Рис. 6-1. Одноступенчатый центробежный насос.
Во-первых, центробежная сила, отбрасывая жидкость, заставляет
ее двигаться радиально, вдоль лопаток от оси колеса к перифе-
рии. Во-вторых, увлекаемая лопатками вращающегося колеса
жидкость, помимо радиальной скорости, приобретает еще окруж-
ную скорость, одинаковую со скоростью колеса. Так как окружная
скорость на периферии колеса больше, чем у входа на лопатки,
то абсолютная (равнодействующая) скорость жидкости на вы-
ходе из колеса становится больше, чем на входе. Таким образом,
жидкость, проходящая через рабочее колесо центробежного на-
соса, приобретает добавочное количество энергии.
Жидкость, стремительно выбрасываемая с периферии рабоче-
го колеса, поступает в спиральный канал. Канал (в виде улитки)
кольцом охватывает рабочее колесо. Увеличивающееся к выход-
ному патрубку поперечное сечение спирального канала приво-
дит к плавному снижению большой скорости, полученной жидко-
стью в рабочем колесе до нормальной скорости в трубопровод^
«3
При этом часть кинетической энергии жидкости переходит в по-
тенциальную, что сопровождается увеличением давления (на-
пора).
Для повышения напора в многоступенчатых центробежных на-
сосах жидкость, выходящую из первого рабочего колеса, направ-
ляют с помощью направляющего аппарата на второе рабочее
колесо, затем на третье и т. д. Общий напор, создаваемый насо-
сом, в этом случае будет равен сумме напоров, приобретенных
в каждом рабочем колесе.
Центробежные насосы (без специальных устройств) перед пус-
ком необходимо заливать перекачиваемой жидкостью. Чтобы зали-
Рис. 6-2. Характеристики центро-
бежного насоса.
ваемая в насос жидкость могла
удержаться в нем, на нижнем кон-
це всасывающей трубы, опускае-
мой в резервуар или в водоем, ус-
танавливают приемный (обратный)
клапан с наружной сеткой (см. рис.
6-5). Приемный клапан пропускает
жидкость только'в одном направле-
нии, в данном случае — к насосу.
При заливе перед пуском или при
обратном токе жидкости в случае
остановки насоса клапан садится на
седло и жидкость из насоса не вы-
текает.
В центробежных насосах с изме-
нением производительности изменяются и другие параметры —
напор, мощность и коэффициент полезного действия.
Величины, характеризующие работу центробежных насосов при
постоянном числе оборотов, обычно представляют в виде графи-
ческих зависимостей напора Н, мощности N и к. п. д. ц от произ-
водительности Q (рис. 6-2). Такие зависимости Q — Н, Q — N и
Q — т] называются характеристиками насоса и устанавливаются
опытным путем. Этими характеристиками широко пользуются при
изучении работы центробежных насосов и при выборе их.
При изменении числа оборотов п центробежного насоса его подача Q, на-
пор Н и потребляемая мощность Я также изменяются в следующих соотноше-
ниях:
Qi _ _ Я] _ / »1 V , Ni _ / И]
Q2 ^2 Я2 \ ^2 / N% \
Как видно из рис. 6-2 с увеличением подачи Q мощность N,
потребляемая насосом, непрерывно возрастает. При закрытой за-
движке (Q = 0) насос потребляет минимальную мощность (на пре-
одоление трения в подшипниках и сальнике и на перемешивание
жидкости рабочим колесом в корпусе насоса). Поэтому, чтобы не
перегружать электродвигатель, необходимо пускать центробежный
насос при закрытой задвижке.
54
Выбор насоса и установление числа его оборотов зависит от
условий работы насоса на сеть (трубопровод). Эти условия опре-
деляются так называемой характеристикой сети (Q — Нс), т. е.
зависимостью между расходом Q и напором Нс, необходимым для
преодоления всех сопротивлений в данном трубопроводе (сети).
Как известно, для несжимаемой жидкости:
//с = ^1 И—2—I" ~2g + пол + лоп
Подставляя в это выражение значение скорости из уравнения
расхода
Q
w =
получаем:
Н,
2gf1 2
Q2 + //под + //доп — oQ2 + Ь
(6-1)
0
Рис. 6-3. Характери-.
стика трубопровода
(сети).
где а=------2^2------величина, близкая к постоянному значению
для данного трубопровода (сети)
Полученное уравнение (6-1)
Нс = aQ2 + Ь
в координатах Н — Q дает параболу (рис. 6-3), вершина которой
расположена по оси ординат на высоте Ь — Наоя+Няоа от начала
координат (где Нпоя = Нвсас + Ннатп— геометри-
ческая высота подъема жидкости; Ядоп— раз-
ность напоров в пространствах нагнетания и
всасывания). Все характеристики насоса и
характеристику соединенного с ним трубопро-
вода (сети) вычерчивают на общем графике .
(рис. 6-4). Пересечение характеристик Q'—Н
для насоса Q — Нс дает так называемую
«рабочую точку». Эта точка определяет усло-
вия совместной работы системы «насос — тру-
бопровод (сеть)», когда Н = НС, т. е. все гид-
равлические сопротивления трубопровода
преодолеваются напором, создаваемым насо-
сом. Вертикальная линия, проведенная через
рабочую точку, пересекает характеристики
Q — N и Q — т] и ось абсцисс в точках, опре-
деляющих показатели работы установки в данных условиях. На-
пример, для рабочей точки А (рис. 6-4) параметры работы
а
1 Из входящих в выражение для а величин только коэффициент трения А.
зависит от скорости потока, т. е. от расхода Q. При турбулентном режиме (наи-
более часто встречающемся при движении жидкостей в трубах) коэффициент А.
при изменении расхода Q изменяется сравнительно мало.
65
следующие: расход — QA, напор — НА, потребляемая мощность
Na, к.п.д. —т]а.
Положение рабочей точки дает возможность судить о степени
использования возможностей насоса в данных условиях. Если, на-
пример,, рабочая точка занимает положение А (рис. 6-4), то насос
работает с к. п. д. т]д, значительно меньшим максимального значе-
ния Т]маКс, с каким он мог бы работать на другую сеть, с другой
Рис. 6-4. Совмещенные характеристики
центробежного насоса и сети.
характеристикой, при которой рабочая точка занимала бы поло-
жение В.
Цель работы — практическое ознакомление с насосной установ-
кой и проведение испытания с необходимыми замерами для после-
дующего построения характеристик Q — Н, Q — N, Q — т] и Q — На
и определения параметров работы насоса для разных рабочих
точек.
Описание установки (рис. 6-5)
Центробежный насос 1 установлен на одном валу с электро-
двигателем постоянного тока 2, что позволяет проводить испытания
насоса при разных числах оборотов, изменение которых осуще-
ствляется с помощью реостатов 3, Числа оборотов измеряются
56
тахометром 5. Мощность, потребляемая насосом, определяется по
амперметру 19 и вольтметру 20.
Рис. 6-5. Установка для испытания центробежного насоса:
/—центробежный иасос; ^—электродвигатель постоянного тока; <?— реостаты; ру-
бильник; 5—тахометр; б—задвижка; 7—труба нагнетательная; 7а—сточная труба;
8—манометр; 9—вакуумметр; 10— водопровод; //—труба всасывающая; 12—расходный
бак; 13—приемный обратный клапан; 14—спускные клапаны; 15—мерные баки; 16—ры-
Чагн спускных клапанов; 17—поворотный отвод; 18—воронка; 19—амперметр; 20—вольт-
метр; 21—сливная труба.
Вода засасывается насосом из расходного бака 12, уставов*
ленного ниже пола помещения. На всасывающем трубопроводе 11
установлены приемный обратный клапан 13, препятствующий стоку
воды при заливе насоса, и вакуумметр 9. Залив насоса производят
через трубопровод 10.
87
Смену воды и промывку расходного бака производят тоже на-
сосом через всасывающую трубу 11 и сливную трубу 21 при закры-
той задвижке 6 на нагнетательной линии.
На нагнетательном трубопроводе 7 установлены манометр 8 и
задвижка 6 для регулирования расхода (подачи) воды. Вода из
нагнетательного трубопровода поступает в воронку 181, а из нее
через трубу 7а и поворотный отвод /7 в один из мерных баков 15.
Каждый из баков имеет указатель уровня (водомерное стекло),
шкала которого проградуирована в литрах. В донной части баков
расположены широкие спускные отверстия с клапанами 14, откры-
тие и закрытие которых производится рычагами 16. При открытии
спускного клапана 14 вода из мерного бака 15 быстро сливается
в бак 12, откуда вновь засасывается насосом /. Такая замкнутая
схема гарантирует бесперебойное питание установки водой и де-
лает опытную установку независимой от местного водопровода,
а также позволяет избежать отпотевания труб и стенок баков.
Методика проведения работы
Испытание насосной установки проводят в два этапа. В первом
этапе определяют величины, необходимые для построения харак-
теристик насоса: Q — Н, Q — N и Q — rj; во втором — величины
для построения характеристики сети (Q— Нс).
В первом этапе испытание проводят при постоянном (задан-
ном) числе оборотов насоса, но при разных, все увеличивающихся
расходах (подачах) насоса. Изменение подачи производят посте-
пенным открытием задвижки 6 на нагнетательной трубе 7. Первое
наблюдение проводят при полностью закрытой задвижке; после-
дующие — при постепенном открытии задвижки на один оборот
шпинделя для каждого нового режима работы. Для удобства уста-
новления режима на шпинделе задвижки нанесены риски. Послед-
нее наблюдение в первом этапе проводят при полностью открытой
задвижке. При каждом повороте задвижки (в сторону открытия)
число оборотов насоса будет уменьшаться, поэтому сразу же после
поворота задвижки надо с помощью реостатов восстановить задан-
ное число оборотов насоса, а затем одновременно производить за-
меры: 1) подачи насоса, 2) разрежения во всасывающей трубе,
3) давления в нагнетательной трубе, 4) напряжения и 5) силы
электрического тока.
Во втором этапе для последующего построения характеристики
сети испытания проводят при постоянном (заданном) открытии
задвижки, но при разных числах оборотов насоса. Наблюдения
проводят при трех режимах, т. е. при трех разных числах оборотов
насоса. Для каждого режима производят замеры: 1) подачи насоса,
2) разрежения во всасывающей трубе и 3) давления в нагнетатель-
ной трубе. Затем изменяют положение задвижки (по заданию руко
1 Разрыв трубопровода 7 сделан для предотвращения образования сифона
58
водителя) и проводят вторую серию наблюдений при тех же трех
числах оборотов, что были назначены для первой серии.
Выше указывалось, что вершина параболы (характеристики
Q — Нс) располагается по оси ординат на высоте b от начала ко-
ординат: „
Р — п ПОД "Г “ ДОП
Так как в данной установке дополнительного напора нет, то
Ь — ЛцОД.
По данным, полученным во втором этапе испытания, строят две
характеристики Q—Нс и совместно с характеристиками насоса,
полученными в первом этапе наблюдений (Q — Н, Q — N и Q — т]),
их наносят на общий график (рис. 6-4). По пересечению кривых
Q — Нс и Q — Н получают рабочие точки А и В и определяют па-
раметры работы насосной установки.
Замер показателей работы насоса производят следующим об-
разом.
Подача (производительность) насоса. Установив
заданное число оборотов, закрывают в одном из мерных баков 15
спускной клапан 14 поворотом рычага 1'6. Спускной клапан во вто-
ром мерном баке должен быть открыт для слива воды в бак 12.
Затем переводят поворотный отвод 17 на мерный бак с закрытым
выходом для воды и одновременно включают секундомер. По за-
полнении мерного бака водой (примерно на 3Д) переводят поворот-
ный отвод 17 в прежнее положение (т. е. на второй бак с откры-
тым спускным клапаном) и одновременно выключают секундомер.
Количество воды, замеренное по водомерному стеклу, и время по
секундомеру записывают в отчетную таблицу. По окончании запи-
сей сливают воду с помощью рычага 16 и устанавливают задвиж-
кой 6 новый расход воды.
Напор (полныйнапор) насоса//, выраженный в метрах
столба подаваемой жидкости (воды в нашем случае), определяют
следующим образом: 2 2
н = Ры. 0 + Рв. 0 + -а"н~а"в (6-2)
где Ры. о и Рв. 0 — приведенные к оси насоса показания манометра
и вакуумметра в метрах столба подаваемой
жидкости (воды);
©н и wB — скорости жидкости в местах присоединения тру-
бок манометра и вакуумметра.
В данной установке (рис. 6-5):
Рм. О = Ры + h
PS. о = Рв
где PM и Рв — наблюдаемые показания манометра и вакуумметра,
выраженные в метрах столба подаваемой жидко-
сти (воды).
h — разность высот места присоединения манометра и
всасывающей трубы (см. рис. 6-5).
99
Так как всасывающий и нагнетательный трубопроводы имеют
одинаковый диаметр, то wH=wB.
Таким образом:
Н = Рм + h + Рв (6-3)
Обработка опытных данных
Производительность (подача) насоса:
Q = -m^’M^ceK (6’4)
где Q' — количество воды, определенноеповодомерному стеклу, л;
т — продолжительность замера, сек.
Мощность, потребляемая насосной установкой:
VI
* = Tooo-KeT (6’5)
где V — напряжение, в;
I — сила тока, а.
Коэффициент полезного действия насоса ц 1 определяют из фор-
мулы
откуда:
где Q — производительность (подача) насоса, м^сек-,
р — плотность жидкости, кг/м3-,
g — ускорение свободного падения, м]сек2\
Н — полный напор, создаваемый насосом, в метрах столба по-
даваемой жидкости.
Все величины, измеренные в процессе испытания и полученные
расчетом, заносят в отчетную таблицу.
Работу по испытанию насоса заканчивают построением графика
(рис. 6-4) и определением параметров рабочих точек А и В.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. И. Киселев, Насосы, компрессоры, воздуходувки, Металлургиздат,
1961.
2. В. М. Черкасский, Т. М. Романова, Р. А. К а у л ь, Насосы, ком-
прессоры, вентиляторы, Госэнергоиздат, 1962.
1 Точнее — насосной установки, так как замеряется мощность N, потребляе-
мая электродвигателем.
60
« С
Мощность N, кет -
Напря- жение V, в ротов;
Сила тока I, а О хо « О сз о 5 ° В
Полный напор Я, м вод, ст. и 33 II ЕС з* Е» Г0'< Я'О Рм Q
Разрежение Рв м вод. ст. о ® • 2 S • »s « См и S3 S II a a о д е 8 ч <и ех ... 2 2
кгс/см? Ч - и а* ч е- о м а хо_ хо S — S со оз =5 Ь о « а
: Давление Ри м вод. ст. О МЭ Su S* 1 11 £ Р. • Рм Рм а « • <у <р о» ь • о о 2 ° 11 F « о § «? « е £
"g ft) а ? S К Сг «А & £4 ""
Произво- дитель- ность насоса Q, м*1сек ,А- £ - • s ЯЗ S . У Рм . >=( в _ 2 —И ю •Её'
Количе* ство воды <?'. л 2 я ж у и 5 в 2 ь ч 0) о . G3 ЕС
ч Л Л о ч н а о а» о си* си* » S е* « II этап
Число оборотов п, об/мин
№ по пор. —' сч со । сч со »—» сч со
Примечания. 1. В первом этапе испытания проводят одну серию наблюдений при постоянном числе оборотов (по заданию руководителя)
и разных открытиях задвижки.
2. Во втором этапе испытания проводят две серии наблюдений прн постоянном открытии задвижки и разных числах оборотов. Во второй
серии наблюдений положение задвижки изменяют, открытие задвижки другое, числа оборотов прежние.
3. Существующие манометры градуированы в системе МК.ГСС, т. е. в кгс/см2.
61
Работа 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА
Введение
Работа центробежного вентилятора при постоянном числе обо-
ротов характеризуется следующими величинами:
1) производительностью Q, м2/сек\
2) создаваемым давлением («напором») * 1 Н, н/м2 или
мм вод. ст.
3) затрачиваемой мощностью N, вт;
4) коэффициентом полезного действия т), %.
У центробежных вентиляторов величины Q, Н, N и т] связаны
между собой, и изменение одной из них вызывает изменение
остальных.
Графические зависимости: H=fi(Q); N=f2(Q); r[ = f3(Q) назы-
ваются характеристиками вентилятора.
На основании теоретических расчетов эти характеристики с до-
статочной точностью построить нельзя. Поэтому на практике при-
меняют характеристики вентиляторов, полученные опытным путем.
Типичные характеристики центробеж-
ного вентилятора при некотором по-
стоянном числе оборотов rti показаны
на рис. 7-1. При другом числе оборо-
тов п2 характеристики вентилятора бу-
дут другими. Изменения величин Q,
Н и N определяются при этом следую-
щими приближенными соотношениями:
Qi «i . У- (7-D
Q2 П2 ’ ^2 \ П-2 / ’ N2 \ П2 /
Характеристики вентиляторов слу-
жат для исследования их работы в
различных условиях и для подбора
вентиляторов при проектировании вен-
тиляционных установок.
Если по какому-либо трубопроводу или каналу (сети) проходит
газ, то, как известно, давление Нс (н/м2), теряемое газом при про-
хождении его через трубопровод (сеть), расходуется на сообще-
ние скорости газу (АрСк), на преодоление трения и всех местных
сопротивлений сети (Артр + Арм. с.), на преодоление гидростатиче-
1 В гидравлике напором называют удельную (на единицу веса) механиче-
скую энергию потока. Размерность этой величины линейная — м.
В курсах вентиляционных установок «напором» обычно называют давление
(точнее — повышение давления), создаваемое вентилятором. Эта величина, обо-
значаемая через Н, измеряется в н/м2 или в мм вод. ст,
1 мм вод. ст, = 9,81 н/м2
Рис. 7-1. Характеристики цен-
тробежного вентилятора при
п = const.
62
ского давления — высоты подъема1 (Арпод) и на преодоление раз-
ности давлений в пространстве нагнетания и в пространстве вса-
сывания (Ардон):
Нс — Дрек + Дртр + Дрм. с + Дрпод + ^Рлоп =
= (1 + ~д~ + 2 0 + Лрпод + ДЛюп (7‘2)
где X — коэффициент трения (величина безразмерная);
L — длина трубопровода, м;
d — диаметр трубопровода, м;
коэффициент местного сопротивления (величина безраз-
мерная) ;
w — скорость потока, м/сек;
р— плотность газа, кг/м3 *.
Подставив в уравнение (7-2) значение скорости из уравнения
расхода:
_ Qc
где Qc— расход газа, проходящего через трубопровод (сеть),
м^/сек;
f— площадь поперечного сечения трубопровода, м2, получим’
Обозначая
(1+^+М
2f2 ' а
Дрпод + Дрдоп = b
получим следующее уравнение характеристики сети:
Яс = aQ2 + b (7-4)
Это уравнение выражает зависимость между расходом прохо-
дящего по трубопроводу газа Qc и потерей давления в сети Нс,
идущей на преодоление всех гидравлических сопротивлений трубо-
провода (сети).
При АрдОП=0 и Арпод=0 второе слагаемое правой части урав-
нения (7-4) обращается в нуль, и кривая характеристики сети
яс = “Qc
(7-5)
будет проходить через начало координат.
1 ДрпОд-=г(р—p0)g
где z — высота подъема, м;
р и р0— плотности.газа и окружающего воздуха, кг/м3;
g — ускорение свободного падения, м/сек2.
63
Если на график характеристик
Q — Т] (рис. 7-2) нанести кривую
(в том же масштабе, что и Q — Н),
Рис. 7-2. Определение рабочей точки.
Когда вентилятор работает на сеть, то Q = QC и Н=НС, так как
вентилятор создает такое давление Н, которое расходуется на пре-
одоление полного сопротивления сети Нс.
вентилятора Q — Н, Q — N,
характеристики сети Qc—Нс
то можно найти так называе-
мую рабочую точку А, для
которой Q = QC и Н=НС, и
определить все характери-
стики вентилятора при ра-
боте его на данную сеть.
Положение рабочей точ-
ки дает возможность судить
об экономичности исполь-
зования вентилятора в дан-
ных условиях. Если рабочая
точка занимает положение
А, то вентилятор работает
с к. п. д. т)А, значительно
меньшим того максималь-
ного значения т)Макс, с ка-
ким он мог бы работать на
сеть с другой характери-
стикой, при которой рабо-
чая точка занимала бы по-
ложение В.
Цель работы — построение экспериментальных характеристик
вентилятора Q — Н, Q — N, Q — т] при постоянном числе оборотов.
Кроме того, строят характеристику сети Qc — Нс и определяют ра-
бочую точку.
Описание установки (рис. 7-3)
Установка состоит из центробежного вентилятора 1, смонтиро-
ванного на одном валу с электродвигателем постоянного тока 2.
Электродвигатель постоянного тока дает возможность легко изме-
нять с помощью реостата число оборотов вентилятора.
' К вентилятору присоединены трубы: всасывающая 3 и нагне-
тательная 4 одинакового диаметра (t/внутр— 220 мм). На входном
участке всасывающей трубы имеется плавный раструб 5, за кото-
рым установлена сетка 6 для предохранения от засасывания в тру-
бопровод посторонних предметов.
В выходном отверстии нагнетательной трубы установлена диа-
фрагма переменного сечения 7, позволяющая плавно изменять пло-
щадь выходного отверстия и, следовательно, изменять сопротивле-
ние нагнетательного трубопровода. Реостаты И и 12 служат для
пуска и изменения числа оборотов электродвигателя.
На щите электродвигателя и на трубопроводах установлены
следующие контрольно-измерительные приборы:
64
а) тахометр 13 для определения числа оборотов вентилятора;
б) вольтметр 8 и амперметр 9 для определения напряжения и
силы постоянного электрического тока;
Рис. 7-3. Схема установки:
1 — центробежный вентилятор; 2—электродвигатель постоянного тока;
3—труба всасывающая; 4—труба нагнетательная; 5 —раструб; 6 —сетка;
7—диафрагма переменного сечения; 8—вольтметр; 9—амперметр; 10—рубиль-
ник; 11 н 12—реостаты; 13—тахометр; 14 н 15—трубки Пито—Прандтля;
16 н 17—дифференциальные микроманометры.
в) трубки Пито 14 и 15, снабженные дифференциальными мано-
метрами 16 и 17'.
Методика проведения работы
Для получения характеристик вентилятора Q—Н, Q—N и
Q — т) проводят первую серию опытов (10 наблюдений) при по-
стоянном числе оборотов п, которое задает преподаватель (не бо-
лее 1200 об/мин). Производительность вентилятора изменяют при
этих опытах с помощью диафрагмы 7 (рис. 7-3), меняя ее открытие.
Для получения характеристики трубопровода1 2 (сети) Qc — Нс
проводят вторую серию опытов (5 наблюдений), при которой от-
крытие диафрагмы 7, т. е. геометрическая характеристйка сети,
остается постоянным (его задает преподаватель), а расход воздуха
меняется путем изменения числа оборотов вентилятора.
Необходимые для построения характеристик вентилятора и
сети значения величин Q, Н, N, т] определяют путем соответствую-
щей обработки показаний контрольно-измерительных приборов, по-
лученных во время испытания.
1 Об устройстве трубок Пито и дифференциальных манометров см. в ра-
боте 3.
2 В данной установке трубопровода с вентилятором.
5 Зак. 1377 ев
. Показания приборов: дифференциального манометра 16 (I ра-
бочее место), дифманометра 171 (II рабочее место), вольтметра 8
и амперметра 9 (III рабочее место) снимаются одновременно по
команде «отсчет». Эту команду подает студент, регулирующий
число оборотов вентилятора (IV рабочее место), после того как
диафрагма 7 переставлена в новое положение и восстановлено рео-
статами заданное число оборотов.
После ознакомления с описанием работы и с установкой в на-
туре распределяют рабочие места, проверяют правильность поло-
жения трубок Пито в трубопроводах, нулевые положения жидко-
сти в дифференциальных манометрах и с разрешения преподава-
теля пускают вентилятор — включают рубильник и плавно выводят
сначала пусковой реостат 11, а затем — регулировочный 12. Оста-
новку вентилятора после окончания работы производят в обратном
порядке.
Обработка опытных данных и составление отчета
1) Н — повышение давления, создаваемое вентилятором, или
так называемый «полный напор» вентилятора, определяется (в
мм вод. ст.) непосредственным замером по дифференциальному
манометру 16.
Как видно из рис. 7-3, манометр 16 присоединен к трубкам
Пито так, что он показывает разность между общим (статиче-
ским +динамическим) давлением в нагнетательном трубопроводе
и общим давлением во всасывающем трубопроводе, т. е. он показы-
вает повышение общего давления, сообщаемое вентилятором по-
току воздуха.
2) N — мощность, потребляемую вентиляционной установкой,
рассчитывают по формуле:
W = VI, вт (7-6)
где V — напряжение постоянного тока, щ
I — сила тока, а.
3) Q — производительность вентилятора:
Q = wf, м'/сек (7-7)
где f=0,785 d2— площадь поперечного сечения трубопровода, м2.
Среднюю скорость воздуха w во всасывающем трубопроводе
находят следующим образом.
Дифференциальный манометр 17 (рис. 7-3), присоединенный к
трубке Пито 15, которая установлена по оси всасывающего трубо-
провода, показывает скоростное давление Дрсв (в. мм вод. ст.)
в центре этого трубопровода. Скорость элементарной струйки воз-
1 Дифференциальный манометр 17 имеет три присоединенные парал-
лельно наклонные трубки с разными углами наклона. Средняя трубка служит
для измерения скоростных давлений, меньших 10 мм вод. ст., верхняя —
10-5-30 мм вод. ст., нижняя — превышающих 30 мм вод. ст.
18
духа (в м/сек), проходящей в центре трубопровода (осевая или
максимальная скорость), будет равна:
,®„акс=)Л-9,81-^- (7-8)
где р—плотность воздуха, кг/мъ\
9,81 — коэффициент перевода мм вод. ст,- в н]мг.
Для турбулентного потока отношение средней скорости к мак-
симальной •—— составляет, как известно, в среднем ~ 0,9.
^макс
Отсюда средняя скорость воздуха во всасывающем трубопро-
воде: ________
W = 0,9 т/г • 9,81
V Р
Подставляя это значение средней скорости в выражение (7-7),
получаем:
Q = 0,785 0,9d2 ]/" 2 9,81 = 3,13d2 j/"
(7-9)
где d — внутренний диаметр всасывающего трубопровода, м.
Отчетная таблица
№ по пор. Число оборо- тов венти- лятора п, об/мин Поло- жение диаф- раг- мы 7 Показания приборов Рассчитанные величины
н, мм вод. ст. (дифма- нометр 16) Ьрсх> мм вод. ст. (дифма- нометр 17) /, а (ам- пер- метр 9) V, в (вольт- метр 8) Q, м* сек " вт Л Re
1
2
3
4
5
Примечания. 1. Критерий Рейнольдса Re — вычисляют при определении характерн-
стик вентилятора только для первого и последнего расходов воздуха.
2. При определении характеристики сети замеряют только Н и Дрск, вычисляют только Q.
5*
67
4) т) — к. п. д. вентилятора (с электродвигателем) определяют
по уравнению:
QH
(7-Ю)
где Q — расход воздуха, м^/сек-,
Н — «полный напор», создаваемый вентилятором, н/лг2;
(V — потребляемая мощность, вт;
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) задание; ,
б) схема установки со спецификацией;
в) отчетная таблица измеренных и рассчитанных величин;
г) общий график характеристик вентилятора Q — Н, Q — N,
Q — т] и трубопровода (сети) Qc — Нс (рис. 7-2), определение па-
раметров рабочей точки.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. М. Черкасский, Т. М. Романова, Р. А. Кауль, Насосы, ком-
прессоры, вентиляторы, Госэиергоиздат, 1962.
2. М. Д. Сидоров, Справочник по воздуходувным и газодувным маши-
нам, Машгиз, 1962.
Работа 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЭНЕРГИИ НА РАЗМЕШИВАНИЕ
Введение
Размешивание — обязательное условие успешного проведения
многих самых разнообразных технологических операций. На про-
изводстве, в зависимости от целей и условий, размешивание про-
водят в аппаратах с перемешивающими устройствами различных
конструкций. На эту операцию на химических заводах расходуется
большое количество электроэнергии.
Мощность, потребляемая перемешивающим устройством, зави-
сит от многих факторов. Методы и расчетные формулы, принятые
в настоящее время для определения мощности, еще не могут счи-
таться достаточно полными.
Рассматривая движение жидкости в аппарате с мешалкой как
частный случай явления движения жидкости, для описания про-
цесса при установившемся режиме можно воспользоваться общим
критериальным уравнением
Eu = <р (Re, Fr, Г„ Г2 . . .) (8-1)
где Ни = — критерий Эйлера (мера отношения сил давления
И силам инерции);
68
Re = — критерий Рейнольдса (мера отношения сил инер-
ции к силам вязкости);
Fr — — критерий Фруда (мера отношения сил инерции к
силе тяжести);
Гр Г2 ... — симплексы геометрического подобия.
В этих выражениях:
Ар —потеря давления, н/м?-,
р —плотность жидкости, кг/м2\
w — средняя скорость движения потока, м/сек',
d — определяющий линейный размер, м;
ц—вязкость жидкости, н-сек/м2',
g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2.
Для аппаратов с перемешивающими устройствами в качестве
определяющего линейного размера целесообразно принять диаметр
мешалки1. Так как действительную скорость движения жидкости
определить трудно, то эту величину заменяют пропорциональной
ей величиной — частотой вращения мешалки, а вместо величины
потери давления вводят величину потребляемой мощности. Тогда
критерии гидродинамического подобия [2] могут быть приведены
к виду:
критерий мощности
к N
pn3d5
центробежный критерий Рейнольдса
в Pnrf2
Re“= —
центробежный критерий Фруда
„ n2d
Fr"-—
где п — частота вращения мешалки, \/сек\
N— мощность на валу мешалки, вт.
Таким образом, при условии геометрического подобия переме-
шивающих устройств и сосудов обобщения зависимость для опре-
деления мощности на валу мешалки будет иметь вид:
N _ г ( Pnd2 \m ( n?d\n
pn3d5 ~ L \ н } \ g )
(8-2)
В тех случаях, когда на поверхности однородной жидкости не
образуется воронки (например, при установке отражательных пе-
регородок), влияние силы тяжести будет пренебрежимо малым, и
уравнение (8-2) можно упростить
К„ = С ReJ (8-3)
1 Более точно — диаметр окружности, описызаемой мешалкой.
ее
Цель работы — опытное определение зависимости расхода энер-
гии на размешивание от условий работы мешалки и ознакомление
с основными конструктивными типами мешалок.
Описание установки
Установка для исследования процесса перемешивания показана
на рис. 8-1. Установку приводят в действие электродвигателем по-
стоянного тока 1 мощностью
Рис. 8-1. Схема установки:
/—электродвигатель постоянного тока;
2—пускорегулировочцый реостат; 3—трех-
ступенчатая коробка передач; 4—дистаи-
ционный указывающий прибор (указатель
числа оборотов); 5—подъемный стол; 6—пру-
жинный динамометр; 7—вал; 3-сосуд;
3—отражательная перегородка; /3—ме-
шалка.
1 кет (с пуско-регулировочным
реостатом 2). Наличие трехсту-
пенчатой коробки передач 3 обес-
печивает плавное изменение час-
тоты вращения мешалки от 1 до
20 \!сек. Измерение частоты вра-
щения производят электромаг-
нитным тахометром, состоящим
из датчика, жестко связанного с
валом коробки передач, и дис-
танционного указывающего при-
бора 4, укрепленного на стене.
Подъемный стол 5 служит для
изменения положения мешалки в
сосуде по высоте 1.
Для определения мощности,
потребляемой мешалкой, исполь-
зуют пружинный динамометр 6
со стробоскопическим2 отсчетом
показаний, схема устройства ко-
торого изображена на рис. 8-2. .
Ведущая шестерня 1, соеди-
ненная с коробкой передач, при-
водит во вращение ведомую ше-
стерню 2, которая посажена на
шарикоподшипнике 3 и свободно
поворачивается на валу 6. Уси-
лие от этой шестерни передается
валу с помощью стальной пружи-
ны 4, один конец которой связан с шестернец 2, а другой закреп-
лен на муфте 5, соединенной с валом. В зависимости от сопротив-
ления, встречаемого мешалкой, пружина закручивается на некото-
рый угол, величина которого фиксируется стробоскопическим уст-
ройством. Последнее представляет собой две соосных тарелки:
1 Изменение положения мешалки можно осуществлять также применением
сменных валов различной длины.
2 Стробоскоп — прибор для наблюдения тел, находящихся в быстром ко-
лебательном или вращательном движении, позволяющий сделать изображение
тела неподвижным.
70
внутренняя тарелка 7 с утроенной шкалой (счет справа налево)
неподвижно закреплена на валу и вращается вместе с валом;
б--
Рис. 8-2. Схема динамометра:
/-ведущая шестерня; 2—ведомая шестерня; 3—шарикоподшипник; 4— пружина
кручения; 3-муфта; 6—вал мешалки; 7—внутренняя тарелочка стробоскопа; 3—на-
ружная тарелочка стробоскопа; S—игла.
Рис. 8-3. Схема тарировочного приспособления;
/—коромысло; 2—неподвижная тормозная колодка; 3—подвижная Тормозная колодка;
4—регулировочные вниты; 5—стрелка-указатель; 6—ограничитель; 7—вал мешалки;
3—чашка.
наружная 8 с тремя узкими (шириной 0,5 мм) вертикальными ще-
лями (и установленными против них иглами 9) закреплена на ше-
стерне 2 и вращается вместе с ней.
П
Тарировку пружины производят в динамических условиях (при
разных частотах вращения вала) с помощью специального приспо-
собления, схема которого представлена на рис. 8-3.
Принцип действия тарировочного приспособления основан на
уравновешивании момента, создаваемого на вращающемся валу
силой трения, моментом, создаваемым определенным грузом. Ос-
новная часть тарировочного приспособления — коромысло 1, на ко-
тором (примерно по середине) закреплено тормозное устройство,
состоящее из двух колодок 2 и 3. Поджимая наружную (подвиж-
ную) тормозную колодку 3 регулировочными винтами 4, создают
момент трения, равный моменту, создаваемому установленным гру-
зом. При этом черта, нанесенная на левом плече коромысла, мо-
жет быть установлена по стрелке-указателю 5 и положение коро-
мысла зафиксировано. Сила трения, соответствующая данному
грузу, закручивает пружину динамометра на определенный угол.
Этот угол определяют по шкале стробоскопа.
Методика проведения работы
Опыты по определению расхода
Рис. 8-4. График градуировки динамо-
метра.
мощности на размешивание на-
чинают с установления «нулевого показания диаметра (Ло), т. е.
показания, наблюдаемого при
холостом ходе установки. Да-
лее приступают к тарировке
пружины динамометра, для че-
го устанавливают тарировоч-
ное приспособление и при 2—3
различных частотах вращения
(в пределах заданных) на-
гружают вал так, чтобы полу-
чить 4—5 точек на участке пря-
молинейной зависимости угла
поворота вала от нагрузки
(рис. 8-4) \
Действительное число деле-
ний шкалы динамометра, соот-
ветствующее каждой нагруз-
ке, определяют как разность
между показанием нагружен-
ного динамометра и «нуле-
вым» показанием. При тари-
ровке пружины необходимо
учитывать массу чашки (62 г).
После построения тарировочного графика устанавливают со-
суд определенных размеров и формы, мешалку указанного раз-
1 Пружина, соответствующая нагрузкам, ожидаемым в опытах, должна быть
установлена до начала работы.
72
Тарировка динамометра
№ по пор. Частота вращения ведущего вала мешалки Нагрузка Показания динамометра, деления шкалы Число делений шкалы, соответствующее нагрузке
па тахометру, об/мин действитель- ная 1/сек г н
0 0 0 До 0
I 62 0,608 А' А1 — А' — Aq
2 102 1.0 А" А2 = А" - До
5
мера и типа, заполняют сосуд той или иной жидкостью1 и изме-
ряют ее температуру.
В условиях установившегося режима работы мешалки опреде-
ляют показания динамометра (Л) при 6—8 заданных частотах
вращения. Для получения надежных результатов проводят не ме-
нее трех серий измерений, каждый раз последовательно изменяя
частоту вращения2.
Обработка опытных данных и составление отчета
В нормальных условиях работы пружины деформация ее про-
порциональна нагрузке. Следовательно, зависимость между на-
грузкой и показаниями динамометра выражается прямой, прохо-
дящей через начало координат в соответствии с равенством:
G = КА
где G — сила, нормально приложенная к концу коромысла (вес
груза), н;
А — показание динамометра, деления шкалы;
К — переводной множитель, н!дел.
Мощность на валу мешалки определяют по формуле
N — ЛГкр • 2лп
где N — мощность, вт;
Мкр — крутящий момент, н-м\
п — частота вращения вала (мешалки), \1сек.
Величину Л4кр находят из выражения:
Мкр ~ GR
1 Вода или технический глицерин, или его водные растворы разных концен-
траций, а также концентрированные водные растворы минеральных солей.
2 Представляет также интерес запись показаний динамометра в момент
пуска и последующее определение мощности, потребляемой в пусковой момент,
а также измерения глубины воронки (при работе в сосуде без отражательных
перегородок).
73
где R = 0,22 м — длина плеча коромысла тарировочного приспособ-
ления.
Таким образом, /V->1,38 КАп.
Для конкретных условий опыта величина К постоянна и, следо-
вательно, расчетная формула для вычисления мощности на валу
мешалки может быть приведена к виду:
N = CiAn
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) задание;
б) схема установки со спецификацией;
в) расчетные формулы;
г) таблицы измеренных и рассчитанных величин;
д) график зависимости lg KN=f (lg Re^).
e) Вычисленные значения показателя степени т и коэффициен-
та С уравнения (8-3).
Отчетная таблица
Диаметр сосуда * 1 £>==... л; тип мешалки..., диаметр мешалки dM=... л;
Среда ...; температура /=... °C; плотность р=... кг/л3 *; вязкость р. = ...
н-сек/м2. s
Частота
вращения
' Показания
динамометра,
деления шкалы
№
ПО
пор.
по
тахо-
метру,
об Iмин
дейст-
витель-
ная,
Нсек
III
сред-
нее
зна-
чение
Число
делений
шкалы,
определяю-
щее
нагрузку
Мощ-
ность
JV,
8Т
Кри-
терий
мощ-
ности.
Кд/
Кри-
терий
Рей-
нольд-
са IgK^
цеит-
робеж-
ный
Иец
lgReu
I
A' Ai — А' ~
8
* Отметить наличие или отсутствие отражательных перегородок.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. П. Г. Романков, И. С. Павлушенко, Хим. пром., № 10 (1947).
2. 3. Ш т е р б а ч е к, П. Т а у с к, Перемешивание в химической промышлен-
ности, Госхимиздат, 1963.
Работа 9
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРАВЛИКИ ВЗВЕШЕННОГО СЛОЯ
Введение
В настоящее время ряд процессов химической технологии, при
которых должно происходить взаимодействие газа или жидкости
с мелкораздробленным твердым материалом (сушка, обжиг, ад-
74
Рис. 9-1. Зависимость ДрСл
от w.
сорбция, каталитические процессы), осуществляют в аппаратах
с так называемым взвешенным (кипящим, псевдоожиженным),
слоем. В таких аппаратах указанные процессы значительно
ускоряются.
Если через неподвижный слой, твердых частиц, лежащих на ре-
шетке, пропускать снизу вверх поток газа (или жидкости) и при
этом постепенно увеличивать его скорость, то при некоторой ско-
рости газа, называемой критической, весь слой твердых частиц пе-
реходит во взвешенное состояние. При
повышении скорости газа объем взве-
шенного слоя увеличивается. Такой рас-
ширившийся взвешенный слой, в котором
происходит интенсивное перемешивание
твердых частиц, во многом напоминает
кипящую жидкость — он «течет», прини-
мает ф°РмУ сосуда, имеет поверхность,
через него пробулькивают пузыри газа;
поэтому его и называют часто кипящим
или псевдоожиженным слоем. При даль-
нейшем увеличении скорости газа про-
должается расширение взвешенного слоя.
Наконец, при некоторой скорости газа,
называемой скоростью уноса, взвешенный слой разрушается —
твердые частицы уносятся из аппарата потоком газа, — происхо-
дит их пневмотранспорт. '
Если измерять дифференциальным манометром величину ДрСл
падения давления газа при прохождении его через слой (гидрав-
лическое сопротивление собственно слоя, без сопротивления ре-
шетки) и построить затем график зависимости Дрсл от так назы-
ваемой фиктивной (условной) скорости газа w, отнесенной к пол-
ному поперечному сечению аппарата, то кривая будет иметь вид,
показанный на рис. 9-1. Фиктивная скорость газа w определяется
по уравнению расхода:
где Усек — расход газа, м3/сек;
S — площадь поперечного сечения аппарата, м2.
В области существования взвешенного слоя, начиная от крити-
ческой скорости газа о»Кр до скорости уноса wyH, величина Дрсл со-
храняет постоянное значение.
Переход твердых частиц неподвижного слоя во взвешенное со-
стояние будет происходить тогда, когда сила F динамического воз-
действия потока на частицу станет равной весу частицы G за вы-
четом подъемной (архимедовой) силы А:
F=G — A (9-1)
1 В технике используют и такие разновидности взвешенного слоя, как фон-
танирующий, вихревой (закрученный поток).
76
Для шаровых частиц:
. nd3
А = -g— Peg
(9-2)
(9-3)
(9-4)
где d — диаметр частицы, м\
— действительная скорость потока между частицами, м/сек\
р и рс — плотности частиц и среды, кг/м2-,
ф — коэффициент сопротивления (безразмерный), зависящий
от величины критерия Рейнольдса: 'ip=f(Re);
g — ускорение свободного падения, м/сек2.
Если среда — газ, то pS>pc и
F « G (9-5)
Когда весь слой перейдет во взвешенное состояние, то потеря
давления АрСл будет равна весу частиц, приходящихся на еди-
ницу площади поперечного сечения’ аппарата:
л„ _
&Рсл £
(9-6)
где Сел — вес всех частиц слоя, н;
S — площадь поперечного сечения, м2.
При увеличении расхода газа и его фиктивной скорости w, ве-
личина Арсл будет сохранять постоянное значение, равное
до тех пор, пока существует взвешенный слой, т. е. до скорости
газа Шуи (рис. 9-1). Постоянство величины Арсл для взвешенного
слоя объясняется тем, что при повышении расхода газа происхо-
дит одновременное увеличение объема взвешенного слоя. Из-за
расширения слоя действительная скорость газа wa между части-
цами, определяющая согласно уравнению (9-2) силу воздействия
потока на частицу, может оставаться неизменной.
Важнейшей характеристикой слоя твердых частиц как непод-
вижного, так и взвешенного, является порозность е — объемная
доля газа (жидкости) в слое:
„ _ Усл ~ Уч _ . _ Уч
Усл Усл
(9-7)
где Усл — общий объем, занимаемый слоем, л*3;
Уч — объем, занимаемый только твердыми частицами, .и3.
Для неподвижного слоя шаровых частиц одинакового диамет-
ра порозность во составляет приблизительно 0,4, независимо от
диаметра частиц.
Для взвешенного слоя порозность е с увеличением скорости
газа будет повышаться, так как объем взвешенного слоя УСл при
этом возрастает.
78
Рис. 9-2. Зависимость критерия Ly от критерия Аг при различных значениях а.
При скорости газа юун, предельной для взвешенного слоя,
можно считать, что и еун~1-
Таким образом, взвешенный слой шаровых частиц может су-
ществовать в пределах значений е от 0,4 (при щКр) до 1 (при wyH)-
С некоторым приближением эти пределы можно принять и для ча-
стиц, имеющих форму многогранника.
Для данных частиц (диаметр d, плотность р) и для( данной сре-
ды (плотность рс, вязкость рс) порозность взвешенного слоя е од-
нозначно определяется скоростью среды (газа) w.
Для вычисления величин w и е по известным свойствам систе-
мы (твердые частицы — газ) предложен ряд формул. С целью
обобщения опытных данных, полученных для разных систем, эти
данные представляют в виде зависимости между безразмерными
переменными — критериями подобия, которые включают все раз-
мерные физические величины, входящие в выражения (9-2) — (9-4).
Наиболее удобной для расчетов и наглядной является графиче-
ская зависимость:
Ly = f(Ar, е) (9-8)
т Re3 ау3р2
гДе Ly - = ^(р- pcjg ~ кРитеРий Лященко;
Аг = ~ рс^ = _ критерий Архимеда;
Fr Рс Рс.
Re — -„Рс — критерий Рейнольдса1,
Цс
Fr = ~т — критерий Фруда.
Удобство зависимости (9-8) заключается в. том, что критерий
Лященко (Ly) не содержит диаметра частиц, а критерий Архи-
меда (Аг)—скорости газа. На рис. 9-2 представлена в логариф-
мических координатах зависимость критерия Ly от критерия Аг
при разных значениях е.
Этот график дает возможность найти любую из трех величин
(d, w, е), если известны две остальные и физические свойства си-
стемы (р, рс, рс).
Цель работы,— получение зависимости Дрсл от скорости газа
w, определение критической скорости газа wltp и нахождение диа-
метра частиц d. Кроме того, определяют: вес слоя Осл и расход
газа УуН, при котором начинается унос твердых частиц из аппа-
рата.
Описание установки (рис. 9*3)
Установка состоит из двух смонтированных на щите стеклян-
ных колонок 7^ и К2 с внутренним диаметром 41,5 мм. В колонке
Ki имеются три, а в колонке К2 — четыре металлических сетки.
На нижних сетках в каждой колонке находятся слои твердых ча-
76
стиц, в колонке Kt— силикагеля (или кварцевого песка), в ко-
лонке /(2—активированного угля.
Воздух, подаваемый вентилятором, проходит через расходомер
(реометр) Р и с помощью вентилей Bi и В2 может быть подан под
нижнюю сетку в колонку Kt или в колонку Кг- Вентиль Bs позво-
ляет часть воздуха сбрасывать в атмосферу.
Падение давления воздуха в колонках измеряют дифферен-
циальными манометрами Dt или D2, которые с помощью переклю-
чателей П\ и П2 могут быть подключены для измерения перепада
давления либо в одной нижней секции колонки, либо в двух (и
трех) секциях, либо во всей колонке.
Расход воздуха, проходящего через ту или другую колонку,
определяют по показанию дифманометра £)3, присоединенного к
реометру, и по градуировочному графику.
Методика проведения работы
Приступая к работе, закрывают полностью вентили В{ и В2
(рис. 9-3) и открывают вентиль В3 на выход воздуха в атмосферу.
После этого пускают в ход вентилятор. Открывая впускной вен-
тиль в колонку (Bi или В2), устанавливают такой начальный рас-
ход воздуха, чтобы показание дифманометра Оз при расходомере
было приблизительно 10 мм вод. ст. С помощью переключателя
(П\ или П2) измеряют при этом расходе перепад давления по
19
дифманометру (D{ или D2) в нижней секции колонки — Дрь в двух
секциях — Др2 и во всей колонке (в трех секциях) —Др3.
Записав результаты измерений в отчетную таблицу, проводят
в той же последовательности измерения при втором расходе воз-
духа, затем — при третьем и т. д. до максимального, увеличивая
каждый раз расход воздуха на такую величину, чтобы показание
дифманометра D3 возрастало приблизительно на 10 мм вод. ст.
Отчетная таблица 1
№
ПО
пор.
Показа-
ние
дифма-
нометра
D3, мм
вод. ст.
Расход
возду-
ха
V,
мЧч
Ско-
рость
возду-
ха
w,
м/сек
Показания дифманометра
Г идравлическое
сопротивление
сетки
слоя
ДРь
мм вод. ст.
(сетка +
4- нижний
слой)
Дръ
мм вод. ст.
(две сет-
ки + два
слоя)
Др9,
мм вод. ст.
(три сет-
ки 4- два
слоя)
Дрс,
мм
вод. ст.
дРсл. 1-
мм
вод. ст.
&ры. IP
мм
вод. ст.
1 Для работы на колонке Ki. При работе на колонке К2 форма записи аналогичная.
Когда вентиль (Bj или В2) будет открыт полностью, дальнейшее
увеличение расхода воздуха в колонке получают, уменьшая вы-
пуск воздуха в атмосферу с помощью вентиля В3.
По окончании работы открывают полностью вентиль В3, закры-
вают вентиль (Bi или В2) и останавливают вентилятор.
Обработка опытных данных и составление отчета
По данным отчетной таблицы строят для каждого слоя график
зависимости ДрСл от скорости воздуха w (рис. 9-1). По этому гра-
фику определяют критическую скорость воздуха щкр.
Затем вычисляют критерий Лященко для критической скорости
и по рис. 9-2 находят при е=0,4 соответствующее значение кри-
терия Архимеда, по которому определяют диаметр частиц d. Далее
по рис. 9-2 находят предельное значение LyyH при е=1, позволяю-
щее определить скорость уноса wyH и расход воздуха Кун, при ко-
тором начинается унос из колонки загруженных в нее твердых ча-
стиц. Наконец, определяют по формуле (9-6) вес слоя частиц в
каждой секции.
89
В отчет о работе должны быть включены:
а) схема установки со спецификацией;
б) отчетная таблица;
в) график зависимости ДрСл от скорости воздуха;
г) расчеты диаметра частиц d, расхода воздуха Vyn и веса
СЛОЯ G с л*
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. С. С. Забродский, Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном
слое, Госэнергоиздат, 1963.
Работа 10
СГУЩЕНИЕ ВОДНЫХ СУСПЕНЗИЙ
Введение
Сгущение суспензии, применяемое, например, перед процессом
фильтрования, часто осуществляют в одноярусных сгустителях,
представляющих собой цилиндрические резервуары, в которых от-
деление твердых частиц от
жидкости происходит под
действием силы тяжести.
Цилиндрические резер-
вуары имеют плоское или
слегка коническое дно. Око-
ло дна отстойника размеща-
ются гребки (рис. 10-1), ко-
торые при вращении вала 2
медленно передвигают оса-
док от стенок к центру, где
расположено отверстие для
выгрузки <?.
При непрерывном про-
цессе осаждения в цилинд-
рической части отстойника
Рис. 10-1. Схема процесса осаждения:
/—гребки; 2—вал; 3—отверстие для выгрузки;
центральная труба; 5—кольцевой желоб.
устанавливается определенное распределение концентрации суспен-
зии по высоте. В верхней части сосредоточивается чистая (освет-
ленная) жидкость (сечение I—I, рис. 10-1); в нижней — наиболее
концентрированная сгущенная суспензия (сечение III—III). Между
сечениями I—I и III—III концентрация суспензии изменяется от
нуля (х = 0) до концентрации сгущенной суспензии жк-
Исходная суспензия поступает в центральную трубу 4, которая
имеет днище с отверстиями для равномерного распределения сус-
пензии и устранения взмучивания суспензии в отстойнике.
Исходная суспензия растекается по всему поперечному сече-
нию цилиндрической части отстойника, например на уровне II—II,
в котором концентрация отстаивающейся суспензии такая же, как
и исходной суспензии.
§ Зак. 1377
91
Через уровень II—II вниз перемещаются твердые частицы, а
вверх — чистая жидкость.
Чистая (осветленная) жидкость стекает по всей окружности
сгустителя в кольцевой желоб 5.
Поверхность осаждения промышленного аппарата Foc опреде-
ляют по формуле:
Рж®ос. Пр
ИЛН
Гос = д--^----(10-1а)
Рж^ос. лаб
где Foc = 0,785£>2—поверхность осаждения, м2;
D — диаметр цилиндрической части отстойника, м;
GH— начальное количество суспензии(исходной),по-
ступающей в отстойник, кг/сек-,
хн~ массовая доля твердой фазы в исходной (на-
чальной) суспензии, кг твердого!кг суспензии-,
хк — массовая доля твердой фазы в конечной (сгу-
щенной) суспензии, кг твердого/кг суспензии;
Рж~ плотность чистой (осветленной) жидкости, кг/л3;
Woe.пР-приведенная скорость осаждения, вычисленная
на основании опытных данных работы промыш-
ленного аппарата такого же диаметра и с той
же суспензией;
Woe. лаб — скорость осаждения наименьших твердых ча-
стиц, полученная в лабораторных условиях или
путем расчета, м/сек-,
А — коэффициент, учитывающий неравномерность
распределения исходной суспензии по всей пло-
щади осаждения, и следовательно, неравномер-
ность отстаивания, а также вихреобразование
и другие факторы, проявляющиеся при отстаи-
вании в производственных условиях.
Все перечисленные явления отсутствуют при лабораторном
определении скорости осаждения и не поддаются учету при опре-
делении скорости осаждения расчетным путем, чем и объясняется
введение указанного поправочного коэффициента, если известно
лишь Woc.na6 (10-1 а).
Коэффициент А — переменная величина, увеличивающаяся с
увеличением диаметра отстойника. Для приближенных расчетов в
обогатительной промышленности принимают при расчете отстой-
ников (небольших диаметров) Д = 1,33.
Наиболее .надежно скорость осаждения можно определить лишь
на основе опытных данных, так как частицы в суспензиях могут
агрегировать. Расчет дает лишь приближенные значения,
92
Существуют два метода приближенного расчета скорости осаж-
дения:
1. Для сильно разбавленных исходных суспензий определяющим
является процесс свободного осаждения одиночных мелких частиц
в неограниченном пространстве. Поэтому в этих условиях шос при-
нимают равной скорости свободного осаждения wCB.
Для шарообразных твердых частиц скорость свободного оса-
ждения частиц wCB определяется по следующим формулам.
При Лг 36
Re — 0,056 Аг (Ю-2)
или
(Ртв Рж)/? Шсв ' 18|хж - 10-3)
При Аг от 36 до 83 000:
Re = 0,152 Аг0,7|г 10-4)
При Аг>83 000:
Re = 1,74 Аг0 5 ,10-5)
В этих формулах:
Дг _ ^3(ртв ~ Рж)Рж£ Нж (10-6)
ре _ ^св^Рж М-ж (Ю-7)
где дасв — скорость свободного осаждения шарообразных
твердых частиц, м!сек\
d — диаметр шарообразной частицы, м;
g = 9,81 л/сек2— ускорение свободного падения;
ртв — плотность твердых частиц, кг/л3;
рж — плотность чистой (осветленной) жидкости, кг/м3;
рж — динамический коэффициент вязкости жидкости,
н. сек
м2 ' '
Скорость осаждения нешарообразных частиц меньше, чем ша-
рообразных. Для приближенного расчета скорость осаждения не-
шарообразных частиц можно принять равной 0,75 wCb, где иусв—
скорость осаждения шарообразных частиц.
Расчет отстойника производят для осаждения самых мелких
частиц, находящихся в исходной суспензии. Для самых мелких
частиц суспензий, характерных для многих химических произ-
водств, величина критерия Архимеда обычно меньше 36 и поэтому
используется лишь формула (10-3).
2. Для концентрированных исходных суспензий определяющим
может оказаться процесс стесненного осаждения. В этом случае
жидкость движется По извилистым каналам между твердыми ча-
стицами и сопротивление их движению складывается из сопротив-
ления среды и сопротивления, вызываемого трением и ударами
6* 83
частиц друг о друга. Поэтому скорость стесненного движения все-
гда меньше скорости свободного движения тех же частиц.
Исходя из того, что при осаждении самых мелких частиц обыч-
но Аг<36, скорость стесненного осаждения wCT приближенно опре-
деляется для шарообразных твердых частиц’ по следующим фор-
мулам:
при е>0,7
и)ст = к>све210“1-82<,“е) (10-8)
при е<^0,7
°>123е3 ПЛ 04
Шет = а>св _ g (10-9)
где дасв —скорость свободного осаждения наименьших шарообраз-
ных частиц, определяемая по формуле (10-2) или (10-3);
s — объемная доля жидкости в суспензии.
Величину е определяют из выражения
где х— массовая доля твердой фазы в суспензии;
ртв — плотность твердых частиц, кг/м3;
рсус — плотность суспензии, кг/м3.
Плотность суспензии можно рассчитать по формуле
РсУс = ^---!--(Ю-10)
X 1 — X
Ртв Рж
где рда — плотность чистой (осветленной) жидкости, кг/м3.
Цель работы,— изучение процесса сгущения сильно разбавлен-
ных водных суспензий; нахождение минимальной практической
скорости осаждения частиц заданной крупности; сравнение рас-
четной (о>св) и практической (даос) скорости,,осаждения; опреде-
ление практических удельных производительностей отстойника;
определение концентрации сгущенной суспензии.
Описание установки (рис. 10-2)
В аппарате 1 с пропеллерной мешалкой приготовляют исход-
ную суспензию, которую центробежным насосом 2 перекачивают
в аппарат 3, снабженный также пропеллерной мешалкой. В ап-
парате 3 суспензия поддерживается на. постоянном уровне и из
него самотеком через кран К-1 и воронку В-1 (с градуированной
переливной щелью), поступает в отстойник 4. В отстойнике имеют-
ся смотровые стекла, через которые можно наблюдать за линией
раздела чистой жидкости и суспензии в самом аппарате.
Из отстойника 4 сгущенная суспензия через регулируемый
кран К-2 и градуированную воронку В-2 (а слив через градуиро-
ванную воронку В-3) самотеком направляют обратно в аппарат 1
84
(в производственных условиях сгущенная суспензия поступает на
фильтрование).
По показаниям уровней в воронках В-1 и В-3 регистрируют
подачу суспензии в отстойник и количество чистого слива, уходя-
щего из отстойника.
Регулировку количества сгущенной суспензии, выходящей из
сгустителя 4, производят краном К-2 по показаниям градуирован-
ной воронки В-2.
Рис. 10-2. Схема установки:
1 и <3-аппараты с пропеллерной мешалкой; 2—центробеж-
ный насос; 4—отстойник; 5—термометр.
Производительность насоса 2 должна быть больше часовой
производительности по исходной суспензии для обеспечения по-
стоянного уровня в аппарате 3.
Методика проведения работы
Исходный материал, например кварцевый песок, измельчают,
отсеивают и определенные фракции отсева (для которых известен
минимальный размер частиц кварцевого песка) загружают в ап-
парат с мешалкой 1 вместе с водой в определенной пропорции
(например, в пропорции, обеспечивающей концентрацию хн=
= 0,05 кг песка/кг суспензии) и постепенно заполняют все аппараты.
При ежедневной работе в лаборатории сгуститель остается за-
полненным и концентрация твердой фазы в суспензии известна.
Для пуска установки включают мешалки всех аппаратов, пу-
скают насос 2 и открывают полностью кран К-3.
85
Затем постепенно открывают кран К-1 и следят за подъемом
уровня чистой жидкости в отстойнике до контрольной метки, после
чего открывают кран К-2 в заданной пропорции производитель-
ности по сливу и осадку в отстойнике.
Регулировку кранов К-1, К-2 и К-3 продолжают до получения
установившегося режима работы отстойника, при котором линия
раздела чистой жидкости и суспензии будет все время соответ-
ствовать контрольной линии на отстойнике и производительность
по сливу и осадку в отстойнике будет соответствовать заданной.
Обработка опытных данных и составление отчета
В задании указывается наименьший размер твердых частиц
в суспензии и какое должно быть достигнуто соотношение объема
сгущенной суспензии (по воронке В-2) и слива из отстойника (по
воронке В-3).
После ознакомления с установкой, составления схемы и таб-
лицы для записи показаний с разрешения преподавателя пускают
установку и добиваются установившегося режима.
При установившемся режиме работают в течение 15—20 мин и
производят запись показаний приборов.
1. Записывают объемные производительности по исходной сме-
си (воронке В-1), по осадку (воронке В-2) и по сливу (воронке
В-3).
2. Регистрируют температуру осветленной воды (по термомет-
ру 5).
3. Определяют плотность осадка. Для этого подставляют к во-
ронке (В-2) тарированный сосуд с рабочей емкостью 1 Ди3, напол-
няют его, взвешивают, находят чистый вес (массу) (бт, кг) 1 дм3
суспензии, вычисляют рсг ^Рсг = кг/м^.
4. По формуле (10-10) определяют х,;— концентрацию сгущен-
ной суспензии.
5. Рассчитывают практическую скорость осаждения (в м/сек)
по формуле
... _ ^ОСВ
W0C--п--
* ОС
где Роев — секундный объем слива из отстойника, м3!сек\
Foc — площадь поперечного сечения отстойника, м2.
Теоретическую скорость осаждения частиц заданной крупности
находят из зависимости (10-3).
6. Определяют соотношение ср — отношение действительной ско-
рости осаждения woc к теоретической wCB
<р = Д!о£
Доев
(10-11)
88
(10-12)
7. Определяют удельные производительности отстойника по ис-
ходной суспензии, сливу и осадку, пользуясь формулой
V' ____v—
УД 0.785D2
где УуД — удельная производительность отстойника, м?!м2 площади
осаждения;
D — диаметр цилиндрической части отстойника, м.
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) схема установки;
б) удельная производительность отстойника по исходной су-
спензии, сливу и осадку из отстойника;
в) концентрация осадка хк;
г) коэффициент ср (соотношение фактической скорости осажде-
ния и теоретической).
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. Н. Плановский, В. М. Р а м м, С. 3. Каган, Процессы и аппа-
раты химической технологии, Госхимиздат, 1967.
Работа 11
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ
Введение
Для инженерных расчетов фильтровальной аппаратуры необхо-
димо знать так называемые константы фильтрования, характери-
зующие гидравлическое сопротивление осадка и фильтрующей пе-
регородки.
Скорость фильтрования суспензий (взвесей) существенным об-
разом зависит от физических свойств и крупности твердых частиц.
По степени крупности твердых частиц суспензии делят на
а) грубые (размер частиц более 100 мкм);
б) тонкие (размер частиц от 100 до 0,5мкм);
в) мути (жидкости с размерами твердых частиц до 0,5 мкм);
г) коллоидные растворы (размер твердых частиц от 100 ммк и
меньше).
На практике встречаются все виды суспензий, большей частью
с разными размерами частиц, т. е. полидисперсные системы.
При фильтровании суспензия поступает на пористую фильтрую-
щую перегородку, через которую жидкая фаза проходит, а взве-
шенные частицы остаются на поверхности фильтра в виде осадка.
Хорошая работа фильтра во многом зависит от свойств фильт-
рующей перегородки. Фильтрующие перегородки изготавливают из
различных хлопчатобумажных тканей (бельтинг, бязь, миткаль, диа-
гональ и др.), шерстяных тканей (сукно, байка, войлок), тканей из
синтетических волокон (поливинилхлоридные, перхлорвиниловые,
87
полиамидные, виньон, саран, орлон, лавсан и др.), тканей из во-
локон минерального происхождения (асбестовые и стеклянные)
и др. В последнее время все шире начинают применять пористые
металлические, керамические и металлокерамические фильтрую-
щие перегородки.
Выбор той или иной фильтрующей перегородки обусловлен:
1) пористостью (размеры пор должны быть такими, чтобы части-
цы осадка задерживались на перегородке), 2) химической стойко-
стью к действию фильтруемой среды, 3) достаточной механической
прочностью, 4) теплостойкостью при температуре фильтрования.
Рассматривая параметры, влияющие на процесс фильтрования,
можно написать в самом общем виде закон фильтрования:
= T <|Н’
Где dV — производительность по фильтрату, за время dx
(в ч, мин, сек)',
dV ,
—скорость фильтрования;
Ар —движущая сила процесса фильтрования (перепад давле-
ний), н1м?-,
R — сопротивление фильтрования, н • сек.1м?.
Движущей силой процесса фильтрования служит разность дав-
лений по обе стороны фильтрующей перегородки. Разность давле-
ний может быть создана:
а) слоем самой суспензии, налитой на фильтр;
б) подачей суспензии на фильтр под давлением (например, в
фильтрпрессах давление достигает 12 атм)\
в) созданием вакуума под фильтрующей перегородкой (напри-\
мер, в промышленных вакуум-фильтрах вакуум составляет
600—650 мм рт. ст.).
Сопротивление фильтрования складывается из сопротивления
осадка /?Ос и сопротивления фильтрующей перегородки (ткани)
Rtk, т. е.
R ~ Roc + Rtk
Так как сопротивление осадка пропорционально количеству от-
ложившегося осадка, а следовательно, пропорционально количе-
ству прошедшего фильтрата, то R0C = K'V.
Сопротивление фильтрующей перегородки (ткани) можно заме-
нить сопротивлением слоя осадка, оказывающего такое же сопро-
тивление процессу фильтрования, какое оказывает ткань, и выра-
зить соответствующим количеством фильтрата С, т. е.
Rtk =
где К'— коэффициент пропорциональности.
Тогда:
Я-ЛЦУ + С) (11-2)
88
Подставив полученное значение Р в уравнение (11-1), разделив
переменные и проинтегрировав, после небольших преобразований
получим уравнение фильтрования
V2 + 2VC = Kr (11-3)
ц —вязкость фильтрата;
г0 — удельное сопротивление осадка;
xQ — концентрация суспензии.
Размерность V можно выразить в м21м2 или л/м2, С в м3[м2
или л/м2, к в Мъ! (м4 • мин) или л2/ (м4 • мин) итв мин.
Рис. 11-1. Схема лабораторной установки по изучению
фильтрования под вакуумом:
/-вакуум-фильтр; 2-бачок для суспензии; 3—мешалка; 4-термо-
метр; 5—кран или зажим; 6—вакуумметр; 7—приемник фильтрата;
8-воздушный кран; 9— вакуум-насос; /З-краи.
Если известны константы К и С уравнения (11-3), то можно
определить необходимую поверхность фильтрования при заданной
производительности фильтра, что особенно важно при проектиро-
вании фильтровальной аппаратуры. Эти константы определяют
опытным путем (см. также работу 12).
После дифференцирования уравнения (11-3) по V, замены пер-
вой производной отношением конечных разностей и некоторого
преобразования получим следующее уравнение:
= =_L у । । д (11-4)
dV К + к ’ ДУ К + К. AV+a
89
В уравнении (11-4) Дт и ДУ представляют собой приращения
времени фильтрования и объема полученного фильтрата. В коор-
динатах V — ^рг(рис. 12-1) это уравнение изображается прямой
линией DM, наклоненной к оси абсцисс под углом а, тангенс кото-
рого tga=-^-.3ra линия отсекает на оси ординат (при У=0) от-
2С
резок В, равный
Для определения постоянных процесса фильтрования К и С
проводят опыт по разделению исследуемой суспензии на фильтре
при постоянной разности давлений.
В течение опыта отмечают несколько значений объема полу-
ченного фильтрата Vi, V2, Уз, Уь ... и продолжительности филь-
трования ть тг, тз, т4...... Определяют приращения объема
фильтрата ДУ1 = Уь ЛУ2=У2—Уь ДУз=Уз — Уз и прираще-
ния продолжительности фильтрования Ati=ti, Лтг—т2— Ть Дтз=
Дт
=Тз — тг .... после чего вычисляют отношения -ду для всех
случаев.
Для построения прямой в координатах У—(рис. 1'2-1) на
оси абсцисс откладывают величины Уь У2, У3, ... и из получен-
ных точек восстанавливают перпендикуляры.
На каждом перпендикуляре откладывают соответствующее от-
ношение приращений Из полученных таким образом точек
проводят горизонтальные отрезки до пересечения с левым сосед-
ним перпендикуляром. Прямую проводят через середины отрез-
ков at — bi, а2 — Ь2 и т. д., что соответствует примерно средней
производительности по фильтрату в диапазонах изменения У от О
до Уь от У1 до У2, от У2 до Уз и т. д. для соответствующих прира-
„ Дт . . . Дт
щении-ду- или уменьшений скорости фильтрования, так как -др- —
величина, обратная уменьшению скорости фильтрования. Прямую
продолжают до пересечения с осями ординат и абсцисс. Построив
эту прямую по экспериментальным данным, можно определить
константы процесса фильтрования К и С.
Объемная скорость прохода жидкости через фильтр, или ско-
рость фильтрования, — величина переменная, непрерывно умень-
шающаяся, которую для заданного момента времени от начала
фильтрования определяют (на основании уравнения 11-4) как:
dV К м3 Л (tl Л X
—— = „ •. z" , —;- или —=---- (11-4а)
dx 2(У + С) мг-сек мР-сек
Цель работы — определение констант процесса фильтрования,
а также производительности фильтра по фильтрату и влажному
осадку.
К
Описание установки (рис. 11-1)
Установка для проведения лабораторных опытов по фильтрова-
нию состоит из погружного элемента вакуум-фильтра 1, бачка
для суспензии 2 с мешалкой <3, вакуум-насоса 9, приемника для
/
5^3
Рис/11-2. Фильтр для опреде-
ления констант фильтрования
(по методу погружения или
присоса):
/—решетка; 2—нажимная гайка
(крышка); 3—воронка; 4—барашек;
5—трубка; в—гайка.
Рис. 11-3. Фильтр для опреде-
ления констант фильтрования
(по методу налива):
/—решетка; 2—нажимная гайка
(крышка); 3-воронка; 4-барашек;
5-трубка; 6—цилиндр; 7—гайка.
фильтрата 7 и измерительных приборов — термометра 4, вакуум-
метра 6 и секундомера.
Элемент вакуум-фильтра (рис. 11-2 и 11-3) — разборный, со-
стоит из воронки <3 со съемной решеткой 2 (дырчатым диском) и
нажимной крышкой 1 (рис. 11-4). На воронку с установленной
решеткой накладывают фильтровальную ткань и зажимают
крышкой.
Отдельные части установки соединены между собой вакуумные
ми резиновыми трубками, как показано на рис. 11-1. На трубках
91
установлены кран 8 (которым при работающем вакуум-насосе со-
здают нужный вакуум) и кран 5 (или зажим). Последний откры-
вают после подготовки всей установки к работе (испытанию) на
заданном режиме.
Кроме указанного погружного элемента — элемента вакуум-
фильтра, применяют другие лабораторные фильтры, например
фильтрующую воронку Укрниихиммаша, на которой можно произ-
водить испытания фильтра под вакуумом и под давлением (в ос-
Рис. 11-4. Детали фильтра:
/—решетка; 2—нажимная гайка; Я—воронка.
новном по методу налива), а также отбирать пробы фильтрата по
ходу процесса фильтрования.
Примечание. Решетка, являющаяся опорой для фильтрующей ткани, должна
иметь достаточное живое сечение и, если производят исследование дей-
ствующих фильтров, возможно точнее воспроизводить опорную поверхность
производственных фильтров. В описываемом лабораторном фильтре решет-
ка сделана съемной, легко заменяемой и простой в изготовлении (плоский
диск с отверстиями). Иногда под ткань на решетку накладывают металличе-
скую сетку.
Методика проведения работы
Приготовляют суспензию (или пользуются готовой суспензией)
и заливают в бак 2. Суспензию готовят в соотношениях Т: Ж (по
указанию руководителя работы). Во избежание осаждения осадка
(мел или другой материал) включают мешалку <3.
Собирают вакуум-фильтр 1 и устанавливают его в баке 2, по-
гружая в суспензию на несколько сантиметров. Зажим (или кран)
5 закрывают. Если приемник фильтрата разобран, то осторожно
собирают его по схеме (рис. 11-1). Кран 8 вначале закрывают.
Включают вакуум-насос ₽ и, открывая кран 8, устанавливают за-
92
данный руководителе^ вакуум по вакуумметру 6. После установ-
ления назначенного режима открывают кран (зажим) 5 и одно-
временно включают секундомер. Первый замер времени делают
при появлении первых капель фильтрата в приемнике. Через неко-
торое время, когда в приемнике наберется некоторое количество
фильтрата, производят (не выключая секундомера) одновременный
замер времени и собранного фильтрата V'. Такие замеры произво-
дят несколько раз '.
После этого (не выключая вакуум-насоса) выключают секундо-
мер, записав время и объем фильтрата. Затем освобождают
фильтр 1 и поднимают его вверх так, чтобы резиновая труба нигде
не создавала застоев жидкости. Фильтрующая поверхность филь-
тра должна быть повернута вверх. При этом сливается в приемник
жидкость (фильтрат), находящаяся в фильтре и трубке. Когда по-
верхность осадка потеряет влажный блеск и перестанет изменять
свой вид, продувку прекращают, выключают вакуум-насос и секун-
домер и записывают время и объем фильтрата. Добавившееся при
продувке количество фильтрата1 2 3 приписывают к первому замеру
времени (до появления первых капель) и прибавляют ко всем
остальным записям (за исключением последней). Тогда предпо-
следняя и последняя записи объема будут одинаковы, так как при
продувке нового фильтрата не появилось.
Затем измеряют торцом металлической линейки (деления ко-
торой начинаются от среза) толщину слоя осадка на фильтре и
диаметр всего слоя. Фильтр разбирают, осадок снимают в спе-
циальный бачок, после этого промывают фильтр и ткань и соби-
рают фильтр снова ?. Результаты замеров заносят в таблицу.
Обработка опытных данных и составление отчета
По полученным замерам объемов Уь V2 ... до Vn и времени
П, Т2 ••• до Дп определяют разности4 Дт и ДУ и вычисляют отно-
Дт, Дт, Дт„ „ ,
шения урА, . до Затем строят график, откладывая
по оси абсцисс величины измеренных объемов от Vi до Vn, а по
и Дт, Дт п гт.
оси ординат величины отношении от-г-ту1- до -дтг-. Так как отноше-
V I ZJ V fl
Дх „
ния -др- являются средней величиной для соответственных интер-
валов ДУ, то величины этих отношений следует откладывать по
1 Все замеры времени и объема фильтрата производят, не выключая
секундомера и считая их от начального момента фильтрования.
2 Это количество фильтрата появилось в первые моменты фильтрования, но
его невозможно было обнаружить, так как оно заполняло фильтр и резиновую
трубку до приемника.
3 Если имеется возможность, то производят высушивание осадка и взвеши-
вание влажного и сухого осадка. Тогда можно определить влажность осадка.
4 Например, Дт=т1—0=т,; Дт3=т3—т3 , . AVj=Vi—0=Vi;
Д1/3=Е3— Vg ... и т. д,
03
вертикали из середины однозначных интервалов либо, проводя
прямую через середины отрезков п4— а2—Ьг и т. д., как об
этом сказано выше.
Для определения константы К находим тангенс угла наклона
прямой DM (см. рис. 12-1) как отношение катетов, взятых в соот-
ветственных масштабах. Например:
Дт4/ДУ4 - Дт./ДУ, , tga-„ , У4-У» у. (11'5) Кз+ 2 2
2
Из выражения tga = -^- находим константу фильтрования К:
О к = (11-6)
Константу С находим непосредственно замером отрезка DO по
рис. 12-1.
Примечание. Необходимо заметить, что для получения правильных резуль-
татов (в системе СИ) время т и Дт должно быть представлено в секундах,
а объемы фильтрата V и ДУ пересчитаны в удельные объемы, выраженные
в м3, отнесенные к площади фильтра, выраженной в м2, м3/м2.
Далее определяют скорости фильтрования в начальный.и конеч-
ный моменты: (~ \ = % (Н-7) Uta 2(У, + С) u 1 (dV\ К HI 81 \dx)n 2(V„ + C) 1
Работу заканчивают определением часовой производительности
фильтра по фильтрату и влажному осадку:
Уп • 3600
.. _ Уос-3600
У ос--Г _
Г ф^н
где Уп-общее количество фильтрата, собранное за время
опыта, л«3;
Уос —объем осадка, равный Еф1гсл, м3;
Рф — площадь фильтра, л2;
тп — продолжительность опыта, сек.
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) схема установки;
б) график;
в) диаметр фильтра
г) поверхность фильтрования . ..;
д) условия фильтрования:
Суспензия — вода и ... (мел)
Концентрация суспензии Т : Ж—...
Вакуум ... Рв = ... мм рт. ст.
Температура .,. /=... °C; Т=.., °К
94
Отчетная таблица
№ по пор. Время замера %, сек. Объемы фильтрата Интервалы At ДИ’ сек мЧм*
предвари- тельные замеры Г, СЛ48 окончательные замеры V времени Дт, сек объемов фильтрата AV, м'1мг
см9 Л4а мЧм2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
е) константы процесса фильтрования
Я=... С = ...
ж) производительность фильтра (удёльная)
По фильтрату Уф = ...
» осадку Voc=...
^ос = • •
з) скорость фильтрования
В начальный момент фильтрования 1-^-1 =
(dV\
» конечный » » . -т- =
\ at /к
и), влажность осадка
w...
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. А. Ж У ж и к о в, Фильтрование, Изд. «Химия», 1968.
Работа 12
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ БАРАБАННОГО ВАКУУМ-ФИЛЬТРА
* Введение
Для разделения суспензий (взвесёй) часто применяют фильтры
различных конструкций. В фильтрах для разделения суспензий
используют силу тяжести, давление и вакуум.
Следует отметить, что увеличение разности давлений относи-
тельно фильтрующей перегородки ограничено, с одной стороны,
конструктивными соображениями, с другой — свойствами осадка.
Если последний легко сжимаем, увеличение давления сверх опре-
деленного предела приводит к уплотнению осадка, (уменьшению
количества и объема пустот), в результате чего производитель-
ность фильтра может резко упасть.
В зависимости от расположения фильтрующей перегородки дви-
жение фильтрата может быть направлено вниз — по направлению
ОТ
силы тяжести, вверх — против направления силы тяжести и в сто-
рону— по нормали к направлению силы тяжести.
Если суспензия содержит преимущественно медленно оседаю-
щие небольшие и легкие твердые частицы, то обычно применяют
фильтрование с потоком, направленным вверх. В этом случае су-
спензия находится ниже фильтрующей поверхности, и частицы,
увлекаемые потоком фильтрата, поднимаются вверх, где оседают
на фильтре. Однако, так как наиболее крупные и тяжелые ча-
стицы все же могут при этом осесть на дно резервуара, в котором
Рис. 12-1. Определение постоянных фильтрования по урав-
нению (11-4).
находится суспензия, последняя непрерывно взбалтывается спе-
циальной мешалкой.
Если в суспензии преобладают крупные и тяжелые частйцы, то
предпочитают применять фильтрование с потоком, направленным
вниз. Частицы быстро оседают на фильтрующую поверхность, об-
разуя богатый большим числом широких каналов крупнозернистый
слой, оказывающий небольшое сопротивление проходу фильтрата.
Мелкие частицы, оседающие позже, располагаются сверху, не со-
прикасаясь с фильтрующей тканью, которая вследствие этого заби-
вается мало.
Фильтрование с потоком, направленным через вертикально рас-
положенную поверхность, применяется главным образом в тех слу-
чаях, когда необходимо создать фильтр с большой рабочей поверх-
ностью. Этот вид фильтрования применим, если образующийся оса-
док достаточно хорошо удерживается на вертикальных стенках
фильтра, не сползает под действием собственного веса.
Кроме того, фильтры делятся на периодически действующие и
непрерывно действующие.
К основным типам периодически действующих фильтров отно-
сятся фильтры с плоской горизонтальной фильтрующей перегород-
кой, намывные, батарейные и многокамерные или рамные. Важней-
96
шими типами непрерывно действующих фильтров являются ленточ-
ные, барабанные, дисковые и карусельные.
Фильтры непрерывного действия отличаются тем, что стадии
фильтрования, а также промывки, просушки, снятия осадка и дру-
гие осуществляются на них последовательно и одновременно. Для
этого фильтры снабжаются специальными устройствами, регули-
рующими очередность и продолжительность каждой стадии про-
цесса.
Одним из наиболее распространенных в производственной прак-
тике является барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия.
Применяются эти фильтры главным образом для кристаллических
осадков.
Производительность фильтра характеризуется скоростью фильт-
рования (11-4а), т. е. количеством фильтрата, проходящего через
1 м2 поверхности фильтрующей перегородки в единицу времени
(рис. 12-1).
Цель работы — практическое ознакомление с вакуум-фильтра-
ционной установкой и проведение испытания барабанного вакуум-
фильтра для определения
его производительности и
констант процесса филь-
трования.
Описание установки
Основной аппарат ус-
тановки — барабанный
вакуум-фильтр (рис. 12-2)
с распределительной го-
ловкой.
Литой барабан 1 уста-
новлен при помощи цапф
в подшипниках над коры-
том 2 так, что часть ба-
рабана погружена в сус-
пензию, находящуюся в
корыте. Барабан приво-
Рис. 12-2. Схема работы барабанного вакуум-
фильтра непрерывного действия с наружной
фильтрующей поверхностью:
дится во вращение от
электродвигателя через
редуктор и вариатор, по-
зволяющий изменять чис-
/—фильтрующий барабан; 2—корыто; 3—фильтрую-
щая ткань; 4—нож; 5—мешалка; 6—секция барабана;
7—трубка; 3—брызгало; Р—распределительная головка
(вращающаяся шайба).
ло оборотов барабана. Поверхность барабана (F=0,25 м2) перфо-
рирована и покрыта фильтрующей тканью 3, закрепленной на
барабане проволокой. Под фильтрующей поверхностью создается
разрежение и фильтрат проходит через фильтрующую ткань. На
поверхности фильтра остается осадок, счищаемый ножом 4. Для
предотвращения осаждения твердых частиц в корыте оно снаб-
жено качающейся мещалкой 5, делающей 80 колебаний в минуту.
'7 Зак. 1377
87
Внутри барабана перегородками образованы отдельный секции 6,
которые соединены трубками 7 с каналами, проходящими через
одну из цапф. Каналы соединены с автоматическим переключаю-
щим устройством, называемым распределительной головкой.
Схема устройства распределительной головки показана на
рис. 12-3. В головке размещены вращающаяся шайба 1, жестко за-
крепленная на цапфе барабана и имеющая столько же отверстий,
сколько каналов имеет эта цапфа, и неподвижная шайба 2, закре-
пленная на станине фильтра. Шайба 2 имеет кольцевые прорези,
сообщающиеся с соответ-
Рис. 12-3. Распределительная головка:
Z—к сборнику промывной жидкости и вакуум-насосу;
//—от газодувки; ///—подача пара; IV—к сборнику
фильтрата и вакуум-насосу; V—от секций барабана;
/—вращающаяся шайба головки; 2-иеподвижная
шайба головки.
ствующими трубопрово-
дами, по которым при по-
мощи вакуума отводится
фильтрат и промываю-
щая жидкость, и подво-
дят сжатый воздух для
отдувки осадка перед но-
жом и пар для регенера-
ции ткани (ниже ножа
перед сектором фильтро-
вания)1 *. Обе шайбы вза-
имно притерты и прижаты
друг к другу специальной
пружиной. Каждая филь-
тровальная камера филь-
тра за один оборот бара-
бана последовательно проходит зоны фильтрования (угол а), под-
сушки осадка (угол 0), зону промывки (угол у) и вторую зону
подсушки от промывной воды (угол Л), зону отдувки (угол е) и
пропарки (угол v).
Таким образом, в каждой отдельной секции фильтрование про-
текает периодически, в целом же фильтр дает фильтрат и осадок
непрерывно.
На рис. 12-4 приведена схема экспериментальной установки.
Барабанный вакуум-фильтр 1 погружен в корыто 2. Осадок сни-
мается с поверхности барабана ножом <3.
Сборник фильтрата 4 (рабочей емкостью 50 дм3) снабжен водо-
мерным стеклом 5 (со шкалой) и служит для измерения количе-
ства профильтрованной жидкости. Для измерения вакуума на сбор-
нике фильтрата установлен вакуумметр 6. Бак для суспензии 7
(емкостью 0,250 м3) снабжен пропеллерной мешалкой 8 и термо-
метром 9. Число оборотов мешалки 5,8 об!сек (или 350 об!мин).
Суспензия из бака подается в корыто фильтра центробежным
насосом 10.
1 В лаборатории кафедры процессов и аппаратов ЛТИ данную работу про-
водят без отдувки осадка и без регенерации ткани (сжатый воздух и пар ие
подведены к установке).
88
Вакуум в системе создается вакуум-насосом 11. Для выделения
масла, уносимого воздухом из вакуум-насоса, имеются маслоотде-
лители 12, представляющие собой сосуды диаметром 150 лии, в ко-
торых происходит выделение масла благодаря резкому понижению
скорости воздуха. Выделившееся масло сливается периодически
через спускные краны 13.
Отдувка осадка с ткани производится сжатым воздухом, на-
гнетаемым газодувкой 14. Давление воздуха РИзб = 0,2 -5-0,4 ат (из-
Рис. 12-4. Схема установки барабанного вакуум-фильтра:
/—суспензия и фильтрат; //—вода; ///—пар; IV—воздух (под давлением и вакуум);
V—масло; / — фильтрующий барабан; 2 —корыто; 3—иож; 4—сборник фильтрата; 5—водо-
мерное стекло ;6—вакуумметр; 7—бак для суспензии; 8—мешалка; 9—термометр; 10—центро-
бежный насос: 11—вакуум-насос; 12—маслоотделитель; /4-газодувка; 15 и 16—манометры;
25—брызгало; 18 и 30—перфорированные трубки; 13, 17, 19—24, 26 —29, 31, 32, 33 — вентили
и краны.
меряется манометром 15). Сжатый воздух поступает по резино-
вому шлангу в распределительную головку и затем по каналам
в зону отдувки осадка. Восстановление фильтрующей способности
(регенерация) ткани производится паром, подаваемым по трубо-
проводу в соответствующий канал распределительной головки.
Давление пара контролируется манометром 16.
Методика проведения работы
Для получения данных, необходимых для построения графика
в координатах — V и определения констант фильтрования К и
С, опыты необходимо проводить при различной продолжительности
фильтрования, т. е. при различных числах оборотов вакуум-фильтра.
Проводят не менее двух опытов. Фильтр испытывают при двух
скоростях (не меньше) вращения барабана при заданном вакууме
продолжительностью 5—10 мин.
7* ее
Отчатаая таблица
| Константы фильтрования “-5 1 СО
сч ч «р
X
Производительность по влаж- ному осадку кг/(«1 2-«ин) со
по филь- трату лКм2-мин) сч
Масса влажного осадка за время филь- , тровання С 1 Л2 поверхно- сти филь- трования G"a aF G" F ’ кг/м2 X
за одни оборот п кг/об о
за время опыта G', , кг!опыт 05
Объем фильтрата к « , КД «eg.и gs-e-g, £ । «О.
Idle'S * S о ft и Г-
за время опыта i л/опыт ю
Время филь- трования х^ах", мин ю еч
одного оборота г-4. п,' мин
опыта мин со
К f о А » — S я я ч В.® ® 2 о -к ?о 'О40 я о п О см
'бон ои «х СЧ
Для других значений ва-
куума могут быть проведе-
ны дополнительные опыты
(по два на каждый ваку-
ум) и получены соответст-
вующие константы фильт-
рования.
При пуске установки сус-
пензию в баке 7 перемеши-
вают мешалкой 8. Затем
включают центробежный на-
сос (предварительно убе-
дившись в том, что кран 17
открыт, а краны 19, 20, 21 и
22 закрыты). Далее немного
открывают кран 20 и после
полного перемешивания сус-
пензии в баке постепенно
открывают кран 19 (посто-
янство уровня суспензии в
корыте обеспечивает пере-
ливная труба, идущая на
бак 7). Одновременно пу-
скают барабанный вакуум-
фильтр "на первой скорости
вращения Включают ва-
куум-насос и устанавливают
нужный вакуум при помощи
кранов 21 и 22.
Включив газодувку 14,
при помощи вентиля 23 ус-
танавливают избыточное
давление отдувки 0,2 4- 0,3 ат,
которое контролируется по
манометру 15. Открыв вен-
тиль 24, устанавливают дав-
ление пара в зоне пропарки
ткани Ризб = 0,24-0,3 ат (по
манометру 16). После того
как установка проработает
в установившемся режиме
1 Во избежание срыва ткани
в период пуска иож 3 не должен
прикасаться к поверхности фильт-
ра. Нож прижимают к ткаии по-
сле того как установится необхо-
димый вакуум и ткань будет плот-
но прилегать к барабану.
100
несколько минут, начинают измерения. Измерения проводят и на
второй скорости вращения фильтра.
После окончания опыта закрывают краны 19 и 20, прекращают
подачу суспензии в корыто и останавливают насос 10. Открыв кран
22, выпускают суспензию из корыта в бак 7. Фильтрующую ткань
можно промыть водой, подавая воду через брызгало 25 на поверх-
ность вращающегося фильтра (открыв вентиль 26). Корыто промы-
вают водой, подаваемой через вентиль 27 в специальную перфо-
рированную трубку 18, расположенную по периметру корыта. Про-
мывную воду сливают в канализацию (через кран 21) или в бак 7
(через кран 22).
Промывка насоса 10 идет также водой, подаваемой по линии
через корыто 2 при открытом кране 19 и закрытом кране 17. Воду
к насосу подводят через вентиль 28. Промывную воду спускают
в канализацию (при открытии крана 21) или в бак 7 (через
кран 22).
Промывка бака 7 осуществляется подачей воды (через вен-
тиль 29) в специальную перфорированную трубку 30, охватываю-
щую внутреннюю полость бака по окружности.
Заполнение бака ,7 водой производят через вентиль 31. Содер-
жимое из бака в канализацию выпускают через кран 32, а филь-
трат из сборника 4 — через кран 33.
Обработка результатов опыта и составление отчета
Опытные данные и рассчитанные величины записывают в отчет-
ную таблицу.
При проведении опыта необходимо записать следующие харак-
теристики:
а) фильтруемую суспензию;
б) температуру суспензии (в °C);
в) поверхность фильтра F=0,25 м2‘,
г) отношение поверхности зоны фильтрования ко всей поверх-
ности фильтра а = 0,33;
д) вакуум;
е) давление отдувки осадка;
ж) давление пропарки ткани.
По данным таблицы строят прямую (рис. 12-1); из соотноше-
ния tga = -^ определяют К. Константу С находят непосредственно
на прямой. Значения К и С определяют также совместным реше-
нием уравнений (11-3), написанных для двух опытов:
1^ + 27/?-Кт,
У| + 272С = Кт2
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1, В. А, Ж У ж и к о в, Фильтрование, Изд. «Химия», 1968.
101
Работа 13
РАЗДЕЛЕНИЕ СУСПЕНЗИЙ НА ЦЕНТРИФУГЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Введение
Для разделения суспензий в производственной практике ши-
роко применяются центрифуги НОГШ *. Иногда эти центрифуги
используются и как классификаторы.
В центрифугах поступающая суспензия разделяется на два про-
дукта: слив и влажный осадок.
В слив уходят частицы, размеры которых меньше некоторой
определенной величины (граничного диаметра), в осадке же оста-
ются в основном частицы с размерами больше этой величины.
В суспензии содержится бесконечно узкий класс твердых ча-
стиц, вероятность попадания которых как в слив, так и в осадок
одинакова. Размер этих частиц (их приведенный диаметр) назы-
вается крупностью разделения.
При центрифугировании скорость осаждения частиц, величина
которых соответствует крупности разделения, может быть рассчи-
тана по формуле Стокса с учетом ускорения центробежного поля:
ч d1 2(p — рс) со2/?
(Шос)ц =---18^----
(13-1)
где d — крупность разделения, м;
р и рс — плотности твердых частиц и жидкости, кг/м3;
рс — вязкость жидкости, н • сек/м2;
R — радиус вращения, м;
« — угловая скорость вращения, 1/сек.
Скорость осаждения частиц, находящихся в центробежном по-
<о27? Л
ле, в —— раз больше, чем при осаждении их только под действием
силы тяжести.
Величина называется фактором разделения /, который по
существу является центробежным критерием Фруда, в чем можно
убедиться, придав ему следующее выражение:
СО2/? W2
Fl-ц =------- = -тт—
g Pg
(13-2)
где w — окружная скорость частицы, м!сек.
Следовательно, фактор разделения является одним из основ-
ных параметров, определяющих условия осаждения частиц под
действием центробежной силы.
1 НОГШ — центрифуга непрерывного действия, отстойная, горизонтальная
со шнековой выгрузкой осадка.
102
Крупность разделения, получаемая на шнековой осадительной
центрифуге, зависит от геометрической характеристики центри-
фуги, режима ее работы и свойств суспензии. Уравнение, связы-
вающее производительность по суспензии и крупность разделения
для этих центрифуг, имеет следующий вид [2, 3]:
'С’с^сЛР-Рс)^2
V = 3,5 —л -------—- (13-3)
где V — производительность центрифуги по суспензии, м3!сек;
£>сл-диаметр «сливного цилиндра» центрифуги, м\
£сл —длина «сливного цилиндра», м\
п — число оборотов ротора центрифуги, об/мин.
Принцип действия центрифуги заключается в следующем
'(рис. 13-1).
Суспензию подают по центральной трубе во внутрь центрифуги.
Центробежной силой из корпуса шнека через окна 4 она выбрасы-
вается на внутреннюю по-
верхность конического рото-
ра. Твердые частицы как бо-
лее тяжелые осаждаются на
этой поверхности, оттесняя
жидкость к центру. Вывод
чистой жидкости осуществ-
ляется через окна 3 с поверх-
ности «сливного цилиндра».
Ввиду того, что шнек
имеет число оборотов на
2% больше (или меньше)
числа оборотов ротора, осу-
Рис. 13-1. Схема центрифуги НОГШ:
1 — редуктор; 2 — ротор; 3 и 4—окна; 5—шнек;
6—разгрузочное окно.
ществляется медленное
транспортирование осадка к разгрузочным окнам 6. При транспор-
тировании влажного осадка на участке ротора Loc осуществляется
его центробежное отжатие (подсушка). Чем больше длина этого
участка, тем более сухой осадок выгружает центрифуга. С увели-
чением Loc уменьшается Ьсл и, следовательно, понижается полез-
ная емкость ротора, т. е. зона разделения суспензии. Это приводит
к снижению производительности центрифуги. Следовательно, воз-
можность получения более сухого осадка связана с уменьшением
производительности центрифуги.
Конструкция центрифуги предусматривает изменение соотноше-
ния Loc и Lcn за счет изменения Dc„ специальными сменными по-
лукольцами.
Цель работы — практическое ознакомление с работой центри-
фуги НОГШ-325 и установление режима, обеспечивающего клас-
сификацию по крупности или разделение суспензии. При этом дол-
жны быть сделаны расчеты фактора разделения, крупности разде-
ления и производительности центрифуги по суспензии.
103
Описание установки (рис. 13-2)
Горизонтальная шнековая центрифуга непрерывного действия
(НОГШ-325) 1 приводится во вращение электродвигателем 2.
Рис. 13-2. Установка для испытания центри-
фуги:
/—центрифуга; 2—электродвигатель; 3—станция
управления СУ; 4—бак с мешалкой для суспензии;
5—иасос центробежный; 6—распределитель; 7—пе-
рекидной отвод; 3—термометр; 9—мерный бачок;
/й-желоб для осадка; //-24-краны и вентили;
25—реле перегрузки.
Автоматизация работы центрифуги обеспечивается станцией управ-
ления 3 (СУ).
Суспензия из бака 4 центробежным насосом 5 может подавать-
ся в центрифугу тремя путями:
1) через распределитель 6 при открытом кране 11 и закрытых
кранах 13 и /5;
104
2) через воронку при открытом кране 13 и закрытых кранах//
и /5;
3) непосредственно от насоса через кран 15 при закрытых кра-
нах 11 и 13.
Распределитель 6 имеет три отсека А, Б и В. В зависимости от
положения перекидного отвода 7 суспензия будет поступать в один
из них.
Отсек В — мерник, имеет указатель уровня, шкала которого
проградуирована в единицах объема (в дм3), и спускной кран 12.
Мерник служит для определения производительности центрифуги
по суспензии, а отсек А для направления суспензии в центрифугу.
Отсек Б выполняет функцию переливной трубы, а также им поль-
зуются как проточной емкостью при регулировании производи-
тельности краном 11 и при замерах производительности 'мерни-
ком В.
Температуру суспензии измеряют термометром 8, установлен-
ным на линии подачи непосредственно перед центрифугой.
Слив из центрифуги самотеком через кран 14 стекает в бак 4.
В этот же бак по желобу 10 подается осадок. Замкнутость схемы
позволяет работать с небольшим количеством суспензии, что зна-
чительно уменьшает габариты вспомогательной аппаратуры. На
линии вывода слива из центрифуги имеется отвод с краном 16 для
замеров производительности по сливу и отбора проб в мерный ба-
чок 9.
Центрифугу и систему трубопровода промывают водой. Для
этого при необходимости сохранения промывной воды закрывают
лишь кран 17, открывают вентиль 23, и промывная вода идет по
линии подачи суспензии и вывода слива в бак 4. Если же промыв-
ная вода может быть выпущена в канализацию, то при закрытых
кранах 14, 17, 19 промывную воду выпускают через краны 16, 20,
21. Заполнение бака 4 водой можно осуществить, открыв вен-
тиль 24. Опорожнить бак можно, открыв кран 18.
Методика проведения работы
Включают мешалку бака 4 и производят тщательное переме-
шивание суспензии. Затем включают насос 5 при закрытых кранах
//, 13, 15 и открытом кране 22. В дальнейшем при налаживании
необходимой производительности кран 22 можно прикрывать.
Классификация суспензии по крупности частиц. Перед пуском
центрифуги устанавливают с помощью мерника В расчетную про-
изводительность V, полученную из формулы (13-3). Для этого,
открыв кран //, из поворотного отвода 7 суспензию направляют
в мерник (предварительно закрыв кран 12). После наполнения
мерника отвод переводят на отсек Б, и суспензия, минуя центри-
фугу, стекает в б’ак 4.
Фиксируя время заполнения мерника по секундомеру и зная
объем мерника, определяют производительность центрифуги по
105
суспензии. Таким образом находят необходимое положение откры-
тия крана 11 по его шкале, соответствующее необходимой произ-
водительности. Проведя несколько таких контрольных объемных
замеров, подачу суспензии полностью прекращают. Результаты за-
меров заносят в табл. 13-1.
Таблица 13-1
№
по пор.
Время
замера
т,
сек
Объем
собранной
суспензии
(слива)
v,
дм8
Производительность
по суспензии
по сливу
1
2
3
4
5
6
Установление расчетной
производительности
по заданной крупно-
сти разделения
Определение максималь-
ной производитель-
ности, при которой
еще обеспечивается
полное осветление
После пуска центрифуги и достижения ею полного числа обо-
ротов постепенно открывают кран И до необходимого положения.
Быстрое открывание крана приводит к перегрузке шнека в пуско-
вой период и к остановке центрифуги.
Перегрузку шнека центрифуги воспринимает реле перегрузки
25, которое подает сигнал станции управления 3, которая в свою
очередь выключает электродвигатель 2 центрифуги. Магнитный
пускатель центрифуги вмонтирован также в станции управления.
По истечении некоторого времени, когда установится режим
работы центрифуги, о чем можно судить по неизменной степени
мутности слива и по равномерности его течения в бак 4, отбира-
ются пробы осадка и слива для анализа.
Анализ осадка и слива на крупность твердых частиц произво-
дят под микроскопом. Перед анализом осадок предварительно раз-
бавляют водой до концентрации, примерно равной концентрации
слива. При анализе осадка в поле зрения микроскопа выбирается
несколько наиболее мелких частиц и находится их средний при-
веденный диаметр. При анализе слива определяют средний приве-
денный диаметр такого же количества наиболее крупных частиц.
Среднее из двух средних приведенных диаметров можно принять
за крупность разделения, которую сравнивают с заданной вели-
чиной.
Результаты микроскопического анализа для проверки круп-
ности разделения заносят в табл. 13-2.
109
Таблица 13-2
Результаты микроскопического анализа
Разделение суспензий. После пуска центрифуги и достижения
ею полного числа оборотов очень плавно открывают кран 13 (либо
кран 15), обеспечивая минимальную подачу до начала выгрузки
осадка. Затем плавно увеличивают подачу до тех пор, пока не пой-
дет мутный слив. Максимальная производительность по суспензии,
при которой еще идет чистый слив, будет соответствовать разде-
лительной способности центрифуги при данных условиях.
Производительность центрифуги, работающей на суспензии не-
высокой концентрации, может быть определена по сливу, так как
в этом случае V^VC.„. Для этого закрывают спускной кран 20
бака 9 и затем одновременно закрывают кран 14 и открывают
кран 16. Слив собирается в бачке 9, после заполнения которого,
опять же одновременно, закрывают кран 16 и открывают кран 14.
Время сбора слива в бачок 9 фиксируют секундомером. Исходя из
этого объемного замера, рассчитывают производительность центри-
фуги по сливу. Результаты замера производительности заносят в
табл. 13-1.
Оценка мутности слива может быть произведена визуально,
либо с помощью нефелометра.
Контрольный анализ слива и осадка на крупность частиц мо-
жет быть, как и при классификации, произведен при помощи мик-
роскопа.
107
Обработка опытных данных н составление отчета о работе
При проведении классификации суспензии производительность,
при которой обеспечивается заданная крупность разделения d,
рассчитывается по формуле (13-3).
При разделении же суспензии на чистый слив и осадок по про-
изводительности, полученной экспериментально, определяют круп-
ность разделения по формуле
d = 0.535 / Уцс
п£>сл V ^-сл(Р ~ Рс)
Вязкость жидкости (воды) берут из справочных таблиц по тем-
пературе суспензии.
При подсчете скорости осаждения уравнение (13-1) удобнее
привести к виду
I1 о rv- ^2(Р — Рс)я2£>сл
(^ОС)Ц = 3,06-----------
Фактор разделения рассчитывают по преобразованной фор-
муле:
) = 5,6 • 10-4п2£>сл
Технологические размеры центрифуги:
Диаметр сливного цилиндра £>сл = 230; 254; 280 мм
Длина сливного цилиндра Дел = 440; 380; 330 мм
Рабочая длина ротора L = 540 мм
Число оборотов п = 3500 об!мин
Разделяют водную суспензию мела; плотность мела р = 2200 кг]м3.
В отчет о выполненной работе должны быть также включены:
а) схема установки;
б) эскиз центрифуги в разрезе.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. И. Соколов, Современные промышленные центрифуги, Изд. «Маши-
ностроение», 1967.
2. Г. А. Финкельштейн, Шнековые осадительные центрифуги, Госхим-
издат, 1952.
ГЛАВА ///
ТЕПЛОВЫЕ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Работа 14
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ В КОЖУХОТРУБНОМ
ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Введение
Теплообменники кожухотрубного типа относятся к числу наи-
более распространенных производственных теплообменных аппа-
ратов.
В данной работе изучается передача тепла в кожухотрубном
теплообменнике при нагревании в нем атмосферного воздуха грею-
щим водяным паром.
К установившемуся процессу перехода тепла в теплообменни-
ке от пара к воздуху применимо общее уравнение теплопередачи:
Q=tfFAlcp (14-1)
где Q — расход передаваемого тепла, вт;
К — коэффициент теплопередачи, вт! (м2 • град);
F — поверхность теплообмена, л/2;
Д/ср — средняя разность температур пара и воздуха в тепло-
обменнике, град.
Из уравнения (14-1) значение коэффициента теплопередачи К
легко может быть найдено, если будут известны Q, F, Д/ср.
Расход тепла Q для случая нагревания воздуха от начальной
температуры t\ до конечной /2 определяется по уравнению:
Q -Gcp(t2-td (14-2)
где G — массовый расход воздуха, кг) сек;
ср—теплоемкость воздуха при постоянном давлении,
дж!(кг • град).
Среднюю разность температур Д/ср рассчитывают по формуле:
(14-3)
2'31^
где ДЛ — разность температур пара и воздуха на одном конце теп-
лообменника;
Д/2 — то же на другом конце.
Если отношение Д/i к Д/г лежит в пределах
1N
Рис. 14-1. К определению тер-
мического сопротивления.
то с достаточной точностью вместо теоретической формулы (14-3)
можно применять более простую
Д,ср = ^1±^ (14-4)
т. е. вычислять среднюю разность температур Д/ср не как среднюю
логарифмическую, а как среднюю арифметическую.
Коэффициент теплопередачи К представляет собою величину,
обратную общему термическому сопротивлению R при переходе
тепла от пара к воздуху. Это общее
термическое сопротивление R склады-
вается из следующих трех (рис. 14-1):
== Гп + Гст +/'в (14-5)
здесь гп — термическое сопротивление
при переходе тепла от на-
ружной поверхности трубы;
/Ст — термическое сопротивление
переходу тепла через стен-
ку трубы;
гв — термическое сопротивление при переходе тепла от внут-
ренней поверхности трубы к воздуху.
Величины, обратные термическим сопротивлениям га и гЕ,
ап = — и ав = — (14-6)
fn
называются коэффициентами теплоотдачи. Они имеют размерность
втЦм2 • град).
Из уравнений (14-5) и (14-6) получаем:
-- (14-7)
— + Г СТ + —
(Хп «в
Последнее уравнение справедливо для плоской стенки, но с
достаточной точностью может быть применено и для цилиндриче-
ской стенки (труба), если толщина ее мала по сравнению с диа-
метром трубы.
В данной работе экспериментально определяют коэффициенты
теплопередачи К в теплообменнике, выполненном из тонкостенных
латунных труб, для которых термическое сопротивление /-ст очень
мало.
Так как коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося во-
дяного пара (ап) в сотни раз больше коэффициента теплоотдачи
для воздуха (ав), то в данном случае
110
и из уравнения (14-7) следует:
Ksa, (14-8)
Коэффициент теплоотдачи зависит от многих переменных вели-
чин: геометрических, гидродинамических и теплофизических. При
вынужденном турбулентном движении газа по трубам обобщенная
критериальная зависимость для определения коэффициента тепло-
отдачи имеет вид:
Nu = CRe'1 (14-9)
где Nu = — критерий Нуссельта;
Re w dp_ _ Критерий Рейнольдса,
н
Здесь а—коэффициент теплоотдачи, вт/(м2 • град)-
^ — внутренний диаметр трубы, м;
X — теплопроводность газа, втЦм • град);
w — скорость газа в трубе, м/сек-,
р—плотность газа, кг/м2-,
ц — вязкость его, н • сек/м2.
По Михееву [1] при Re>10 000 п = 0,8.
Коэффициент С зависит только от природы (атомности) газа.
При Re<10 000 действительные значения критерия Нуссельта
и коэффициента теплоотдачи будут меньше вычисленных по фор-
муле (14-9).
Цель работы — экспериментальное определение коэффициента
теплопередачи К в паровом подогревателе для воздуха при раз-
ных его расходах и получение обобщенной расчетной зависимости
между критериями Nu и Re для воздушного потока, т. е. опреде-
ление численных значений постоянных величин С и п в формуле
(14-9).
Описание установки (рис. 14-2)
Вентилятор / по трубопроводу 2 подает воздух в кожухотруб-
ный теплообменник 3, в котором воздух, проходя по трубам, на-
гревается, после чего он уходит в вентиляционный канал. Расход
воздуха можно изменять с помощью поворотной заслонки 4. В тру-
бопроводе перед теплообменником установлен расходомер (Pi) —
нормальная диафрагма с поплавковым дифференциальным мано-
метром, шкала которого проградуирована в м3/ч. Температуры
воздуха, входящего в теплообменник и выходящего из него, изме-
ряются термометрами (Л) и (Тг)-
Кожухотрубный теплообменник — воздухоподогреватель 3 имеет
31 латунную трубу диаметром 25x2,5 мм. Рабочая длина каждой
трубы 800 мм. Поверхность теплообмена (суммарная боковая по-
верхность всех труб) составляет 1,56 м2. Теплообменник имеет лин-
зовый компенсатор для устранения температурных напряжений и
покрыт слоем теплоизоляции.
111
Греющий пар после водоотделителя 5 поступает в межтрубное
пространство теплообменника 3, где он конденсируется, отдавая
тепло воздуху, проходящему по трубам. Давление пара в паропро-
воде показывает манометр (Mt). Давление пара в межтрубном
пространстве теплообменника регулируется вентилем (В3) и изме-
ряется манометром (М3). Конденсат греющего пара из межтруб-
ного пространства теплообменника и из водоотделителя 5 отво-
Конденсат тель; 6 н /-конденсацион-
ные горшки.
дится через конденсационные горшки 6 и 7 и возвращается в ко-
тельную.
Методика проведения работы
Ознакомившись с установкой и с инструкцией и получив зада-
ние от преподавателя, пускают вентилятор и устанавливают с по-
мощью заслонки 4 максимальный расход воздуха.
Открыв полностью вентили (Bi) и (В2) на паропроводе1, про-
дувают паром межтрубное пространство теплообменника и кон-
денсационный горшок 6, открывая слегка вентиль (В3). При этом
необходимо следить, чтобы давление пара в межтрубном прост-
ранстве теплообменника не превышало 1,5 ат по манометру (М2).
По манометру (М2) устанавливают заданное преподавателем дав-
ление греющего пара в межтрубном пространстве теплообменни-
ка. В дальнейшем в течение всей работы установки это давление
необходимо тщательно поддерживать постоянным, непрерывно
регулируя его с помощью вентиля (В3).
Записывают показания термометров (Л) и (Т^); через 3—4 мин
их записывают снова и еще через 3—4 мин — в третий раз. После
этого переходят на следующий (меньший) расход воздуха, пере-
ставляя заслонку 4. Работая с новым расходом воздуха, снова за-
писывают (3 раза с интервалом 3—4 мин) температуры воздуха
1 Вентиль (Bi) находится в траншее.
111
Таблица обработки опытных данных
№ по пор. Наименование и размерность величины 1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Расход воздуха V, м3/ч Температура воздуха до тепло- обменника °C1 Температура воздуха после теплообменника t2, °C1 Плотность воздуха р, к^/м3 (при температуре /]) Массовый расход воздуха г Vp / G= 3600 ’ кг1сек Средняя температура воздуха в теплообменнике fcp- 2 , С Теплоемкость воздуха2 Ср, дж/(кг град) Вязкость воздуха2 ц, н сек/м2 Теплопроводность воздуха2 X, вт/(м • град) Расход тепла на нагрев воздуха Q = Gcp (12—Н), ет Температура греющего пара берется по его давлению (см. Приложение) Средняя разность температур в теплообменнике Д7ср, град, по' формуле (14-3) или (14-4) Коэффициент теплопередачи К- ^д, , вт/(м2-град) Критерий Нуссельта кт ad Kd Nu= —~ — Критерий Рейнольдса к ц 0,785n dp р (га—число труб в теплооб- меннике; d — внутренний диаметр трубы, м) 1g Nu 1g Re
1 Среднее из трех значений.
2 Берется для средней температуры воздуха tcp (см. Приложение).
§ Зак. 1377
113
до и после теплообменника, затем переходят на следующий рас-
ход воздуха и т. д. Таким путем получают данные для 6—7 рас-
ходов воздуха.
Наименьший расход воздуха не должен быть ниже 300 м3/ч.
В таблицу обработки опытных данных записывают средние из
трех значения температур воздуха ti и t2.
Обработка опытных данных и составление отчета
Для обработки опытных данных составляют таблицу.
После определения логарифмов критерия Нуссельта и крите-
рия Рейнольдса строят на миллиметровой бумаге график зависи-
мости lg Nu от 1g Re. Через экспериментальные точки проводят
прямую линию, уравнение которой в соответствии с (14-9) будет
lg Nu = п lg Re + lg С
Далее определяют по этому графику величину п — угловой
коэффициент прямой, после чего, взяв любую точку на прямой,
находят для нее lgC = lgNu — nig Re и затем — значение С.
Отчет о выполненной работе должен включать:
а) схему установки со спецификацией;
б) таблицу обработки опытных данных;
в) график зависимости lg Nu от lg Re с определением значе-
ний п и С.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. М. А. Михеев, Основы теплопередачи, Госэнергоиздат, 1956.
Работа 15
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ „ТРУБА В ТРУБЕ“
Введение
Процесс передачи тепла между двумя теплоносителями, имею-
щими различные температуры, осуществляется в так называемых
теплообменниках. Одной из таких конструкций является теплооб-
менник «труба в трубе», представляющий собой систему двух
коаксиальных труб разных диаметров. По внутренней трубе про-
ходит один теплоноситель, по кольцевому зазору между труба-
ми— второй. Поток тепла при этом направлен поперек цилиндри-
ческой поверхности внутренней трубы.
Количество передаваемого в теплообменнике тепла может быть
определено из уравнения теплопередачи:
Q = AAA/cp (15-1)
где F — теплопередающая поверхность;
114
Л/ср —температурный напор, т. е. разность между температу-
рами горячего и холодного теплоносителей, усредненная
вдоль теплопередающей поверхности (длине теплообмен-
ника). Усреднение требуется в тех случаях, когда темпе-
ратура хотя бы одного теплоносителя изменяется при про-
хождении его вдоль теплообменника.
Можно показать, что независимо от взаимного направления
движения теплоносителей:
A/q> = (15-2)
2-3 1g
где Д/б и Д/м — соответственно большая и меньшая разности тем-
ператур между теплоносителями на концах теплообменника.
Коэффициент теплопередачи К по физическому смыслу являет-
ся термической проводимостью того пути, по которому тепло пере-
дается от горячего теплоносителя к холодному. Вдоль этого пути
обычно выделяются следующие термические сопротивления: 1) со-
противление при переходе тепла от основной массы (потока) пер-
вого теплоносителя к поверхности трубы (—, где at — коэффи-
циент теплоотдачи или термическая проводимость ламинарного
пристенного слоя); 2) термическое сопротивление слоя загрязне-
ний на стенке трубы (накипь, ржавчина); 3) термическое сопро-
тивление собственно стенки трубы где бСт — толщина стенки,
ХСт — коэффициент теплопроводности материала трубы); 4) тер-
мическое сопротивление загрязнений на стенке трубы со стороны
второго теплоносителя; 5) термическое сопротивление ламинар-
ного слоя при переходе тепла от наружной стенки трубы к основ-
ной массе второго теплоносителя. Так как все перечисленные со-
противления проходятся тепловым потоком последовательно, то
общее термическое сопротивление системы равно сумме отдельных
сопротивлений, а проводимость, как всегда, есть величина, обрат-
ная сопротивлению:
Естественно, что общая проводимость К всегда меньше любого
слагаемого в знаменателе.
Определение коэффициентов теплоотдачи является одной из
основных задач теории теплообмена. В настоящее время коэффи-
циенты теплоотдачи рассчитываются из критериальных соотноше-
ний, в которых сам вид обобщенных безразмерных переменных
(критериев подобия) определяется теоретически на основе теории
подобия, а явный вид зависимости между критериями находится
экспериментально для каждого вида теплообмена (см. работу 14).
8:
115
В данной установке холодная вода проходит по внутренней
трубе и нагревается насыщенным водяным паром, поступающим
в кольцевое пространство и конденсирующимся на наружной по-
верхности внутренней трубки.
При пленочной конденсации чистого насыщенного пара на на-
ружной поверхности горизонтальной трубы коэффициент теплоот-
дачи от пара к стенке трубы может быть определен по формуле
Нуссельта:
Nu = 0,72(Ga Рг К)0’25
где Nu =— критерий Нуссельта (безразмерная форма пред-
ставления коэффициента теплоотдачи);
Ga -= gfi2p , Рг = К = —,- г — критерии Галилея, Пранд-
тля и фазового превращения. Здесь d— диаметр трубы; р, ск, г,
лк, р. — соответственно плотность, теплоемкость, скрытая теплота
конденсации, а также коэффициенты теплопроводности и динами-
ческой вязкости конденсата; /п и /Ст — температуры насыщенного
пара и стенки трубы, на которой происходит конденсация; в кри-
терии Ргст физические константы берутся при /Ст,.
Если удельный тепловой поток на стенку является известной
величиной, критериальное соотношение [3] можно привести к упро-
щенному виду:
9/~ oiL Рг
«, = 2.03^1/ —1/ -й2— (15-4)
Г |лО Г РгСТ1
где L — длина трубы;
D — расход конденсирующегося пара.
Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к тур-
булентному вынужденному потоку жидкости дается в зависимости
от критерия Рейнольдса ^Re = и физических свойств жид-
кости (Рг и Ргст):
Nu = 0,021ег Re0-8 Рг0-43 (-Д-У'25 (15-5)
\ гГст / - •
где ^ — поправочный коэффициент, учитывающий возмущающее
воздействие входного участка трубы (при LM>50 ez= 1);
w — средняя по сечению трубы скорость жидкости.
Цель работы — экспериментальное определение коэффициента
теплопередачи К. в теплообменнике; расчет термического сопроти-
вления загрязнений стенки; сравнение тепловой проводимости за-
грязнений стенки с коэффициентами теплоотдачи и теплопередачи.
Описание установки (рис. 15-1)
Установка состоит из теплообменника 1, паропровода 2, водо-
провода 3, линии отвода конденсата 4, контрольно-измерительных
приборов (ротаметр 5, манометр 6, термометр 7). Теплообменник
118
«труба в трубе» состоит из четырех расположенных друг над дру-
гом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб; на-
ружной трубы диаметром 60X4 мм и концентрически расположен-
ной внутри ее трубы диаметром 32X3 мм. Внутренние трубы эле-
ментов соединены друг с другом последовательно при помощи
съемных калачей. Наружные трубы также связаны между собой.
Общая рабочая длина трубы L —8,8 м. Поверхность теплообмена
F=0,8 м.2.
Р1—
Рис. 15-1. Схема установки;
/—теплообменник; 2—паропровод; 5—водопровод;
4—линия для отвода конденсата; 5—ротаметр; 6— мано-
метр; 7—термометр; 8—конденсатоотводчик.
Греющий пар подают в межтрубное кольцевое пространство
теплообменника. Конденсат отводится через конденсатоотводчик
в линию конденсата. Воду подают во внутреннюю трубу теплооб-
менника. Расход воды устанавливают при помощи расходомера —
ротаметра.
Давление конденсирующегося пара регулируют вентилем по
показанию манометра, присоединенного к средней части теплооб-
менника. Температуру воды до и после теплообменника измеряют
ртутными термометрами.
Методика проведения работы
При пуске установки устанавливают примерный расход воды
(~13 делений на шкале ротаметра) и только затем продувают
паром межтрубное (кольцевое) пространство теплообменника в
течение 5—10 мин. После продувки устанавливают заданный
117
расход ёОДЫ и постоянное (избыточное) давление пара (0,3 ат).
Работают на установившемся режиме. Через каждые 24-5мин
записывают показания термометров 7. Замеры заканчивают, когда
начальная и конечная температуры воды примут постоянные зна-
чения.
Обработка опытных данных и составление отчета
1. Величину коэффициента теплопередачи вычисляют по фор-
муле (15-1). При этом среднюю разность температур Д/ср опреде-
ляют из формулы (15-2) по измеренным температурам воды (tH и
tK) и взятой по таблицам свойств насыщенного водяного пара, в
зависимости от давления при температуре насыщенного пара tn.
Количество тепла, переданное от пара к воде, находят из тепло-
вого баланса:
Q = Л4всв (^к — /н)
где Q — количество воспринятого водой тепла, вт;
Мв — расход воды, кг/сек1,
св — теплоемкость воды, дж/ (кг • град);
tu и tK — начальная и конечная температуры воды.
При этом теплоемкость воды определяют при ее средней тем-
пературе <Ср. в=^п—Д^ср- Последний способ определения tcp. в учи-
тывает то обстоятельство, что температура воды при прохождении
ее вдоль греющей поверхности возрастает не линейно, а экспонен-
циально.
2. Величину термического сопротивления загрязнений на стенке
теплопередающей трубы 2гзагр находят из выражения для коэффи-
циента теплопередачи (15-3). Для этого необходимо вычислить
значения коэффициентов теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи от пара к наружной стенке а опре-
деляется по формуле (15-4). Значения физических констант бе-
рутся при температуре пара tn. Расход пара находится из тепло-
вого баланса для пара Drx=Q [где г — удельная теплота конден-
сации (в дж)кг) и х — степень сухости пара принимается равной
0,9 (90%)]. Так как температура стенки /с11 заранее не известна,
то в качестве первого приближения при вычислении ai принимает-
ся Рг/Ргст, = 1. После этого, во втором приближении определяется
значение /СТ1 из выражения для теплового потока от пара к стенке;
у = al (Zn ~ %г,)
где F — теплопередающая поверхность, м2;
aj — приближенное значение коэффициента теплоотдачи, опре-
деленное из формулы (15-4) при Рг/Ргст, = 1, втЦМ’град).
Вычисляется значение Ргст, при полученной температуре на-
ружной поверхности стенки /Стг Наконец, вычисляется более точ-
ное значение aj по соотношению (15-4),
118
Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к воде опреде-
ляют по соотношению (15-5). Значения физических констант
берутся при средней температуре воды /ср. в- Здесь также заранее
неизвестна температура стенки /СТ2 и приходится прибегать к ме-
тоду последовательных приближений. Последовательно полагается
Рг/РгСт2=1 и рассчитывается первое приближение [в вт/(м2 • град)]
из полученного по формуле (15-5) значения критерия Нуссельта.
Далее определяется температура поверхности трубы со стороны
жидкости /Ст2 из выражения для потока тепла от стенки к жид-
кости:
Р % (^СТ2 ^ср)
После этого уточняется значение коэффициента теплоотдачи
аг по формуле (15-5).
Отчет о выполненной работе должен содержать:
а) схему установки,
б) таблицу измеренных величин,
в) полный расчет искомых величин.
Отчетная таблица
Задание: 1. Расход воды: показание ротаметра......................делений
Мв................................................. кг/сек
2. Давление греющего пара Р„зб....................... атм
3. Температура конденсации пара tn................... °C
Измеряемая величина Время замера
Начальная температура воды, °C Конечная температура воды, °C
Таблица вычисляемых величин
№ по пор. Наименование величины Расчетная формула Результат
1 Разность температур на кон- ^н Д^б =
цах теплообменника . . . Д^м e tn~
2 Средняя разность температур Л/ - ^ГСр — А, =
в теплообменнике 2,3 1g-Д®-
3 Средняя температур жид-
кости ^ср в А/Ср ^ср
4 Расход тепла Q = МВСВ (tK— /н) Q-
119
№ по пор. Наименование величины Расчетная формула Результат
5 Коэффициент теплопередачи К РД/ср ~ Д/ср K =
6 Расход греющего пара . . . Пп = -^- гх
7 а) из формулы (15-8) .... a', =
]^оп V 1*
t' CTt * q/k=«; t' == CTi
8 Pt по tn для конденсата . . Приложение Pr =
9 РГСТ1 по ^СТ1 ......... Приложение PrpT =
10 Определение Re Re = -^- Ц Re =
Рг по tcp для жидкости . . . Приложение Pr =
Nu' (формула 15-5) . . Nu' = 0,021 Re°-8Pr0’43 Nu' =
' Nu'Z
«2 “2 а «2 =
Zct2 Q/F = a2(zCT2-^p) ^CT2
Ргст2 по ^стг Приложение РПт = CTj
• '7/ Pri
а2 a2 p CT2 a2 —
11 Гзагр i _ 1 , 6 , V , 1 T“^T+T + 2^3arP+^r ^Гзагр —
Работа 16
ИСПЫТАНИЕ ДВУХКОРПУСНОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ
Введение
Выпариванием называется процесс концентрирования растворов
нелетучих веществ в жидких растворителях, заключающийся в
удалении растворителя путем испарения его при кипении.
Большей частью из раствора удаляют лишь часть раствори-
теля, так как в выпарных аппаратах обычных конструкций упа-
ренной раствор должен оставаться в жидком состоянии. Полное
удаление растворителя в таких аппаратах возможно лишь тогда,
когда растворенное вещество либо является жидким (например,
выпаривание растворов глицерина), либо при температуре про-
цесса находится в расплавленном состоянии (например, выпари-
вание растворов аммиачной селитры или едкого натра).
В промышленности в большинстве случаев вымаривают водные
растворы различных веществ. Выпаривание ведут как под атмо-
сферным, так и под повышенным или пониженным давлением.
При выпаривании растворов под атмосферным давлением обра-
зующийся вторичный (соковый) пар выводится в атмосферу.
120
При выпаривании под пониженным давлением в аппарате со-
здается вакуум в результате конденсации вторичного пара в спе-
циальном конденсаторе. Неконденсирующиеся газы удаляют из
конденсатора вакуум-насосом. Вакуум-выпарка позволяет понизить
температуру кипения раствора, а также увеличить разность темпе-
ратур между греющим агентом и кипящим раствором, что дает
возможность уменьшить поверхность теплообмена.
При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар
может быть использован как греющий агент в подогревателях,
для отопления или других технологических нужд.
В промышленности широко распространены многокорпусные
выпарные установки. В отдельных случаях используют и однокор-
пусные выпарные установки.
Многокорпусные выпарные установки состоят из нескольких
(до четырех) соединенных друг с другом Аппаратов (корпусов),
работающих под давлением, понижающимся от первого корпуса
к последнему. В таких установках вторичный пар, образующийся
в каждом предыдущем корпусе, используют для обогрева после-
дующего корпуса. Свежим паром обогревают только первый кор-
пус. Вторичный пар из последнего корпуса направляют в конден-
сатор (если этот корпус работает под разрежением) или исполь-
зуют вне установки (если цоследний корпус работает под повышен-
ным давлением). В многокорпусных установках осуществляется
многократное использование одного и того же количества тепла
(тепла, отдаваемого греющим паром в первом корпусе), что по-
зволяет значительно уменьшить количество потребляемого свежего
пара, т. е. повысить технико-экономические показатели установки.
Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего применяют во-
дяной пар, но могут быть использованы топочные газы и высоко-
температурные теплоносители (дифенильная смесь, перегретая
вода, масло), а также электрический обогрев.
Цель работы — изучение двухкорпусной выпарной установки не-
прерывного действия, определение количества выпариваемой воды
и определение коэффициентов теплопередачи по корпусам, а также
определение удельного расхода греющего пара.
Описание установки
Установка (рис. 16-1) состоит из двух выпарных аппаратов —
корпусов, барометрического конденсатора, вспомогательного обо-
рудования и контрольно-измерительных приборов. В каждом вы-
парном аппарате следует различать две основные части:
1) греющую камеру, в которой происходит кипение раствора;
- 2) сепаратор, в котором вторичный пар отделяется от раствора.
Корпус / — выпарной аппарат с внутренней греющей камерой
и центральной циркуляционной трубой (естественная циркуляция
раствора)—работает под избыточным давлением 0,2—0,4 ат.
Корпус II— выпарной аппарат с выносной греющей каме-
рой и наружной циркуляционной трубой (тоже с естественной
121
Рис. 16-1. Схема установки:
1 и 17—баки; 2 и 16—центробежные насосы; 3—теплообменник; 4—корпус /; 5 и
11 — брызгоуловители; 6 —корпус II; 7 —сепаратор; 8 и У—вакуум-сборники; 10—сборник;
/2-барометрический конденсатор; /^-барометрическая труба; И—барометрический
ящик; /5-насос-эжектор; /4—27-вентн.'1и,
122
циркуляцией раствора)—работает под вакуумом 0,8 ат (или
610 мм рт. ст.). Поверхность теплообмена в каждом корпусе
равна 1 м2.
Установка работает на разбавленных растворах соды (от 3 до
15 масс. %), так как в этом случае исключается возможность выде-
ления солей при охлаждении упаренного раствора после второго кор-
пуса. Одновременно упрощается составление теплового баланса, по-
скольку оказывается возможным пренебречь теплотой дегидратации.
Слабый водный раствор Na2CO3 из бака 1 подают центробеж-
ным насосом 2 через двухходовой теплообменник 3 в корпус /.
Обогрев теплообменника и корпуса / осуществляют свежим
паром постоянного давления (Апб—1,1—1,25 ат). Вторичный пар
из корпуса / проходит брызгоуловитель 5 и поступает в греющую
камеру корпуса II.
Раствор, упаренный до определенной концентрации в корпусе /,
под действием разности давлений по трубе с разорванным сифоном
перетекает в сепаратор 7 корпуса II, где выпаривается до конечной
концентрации. Концентрированный раствор отводится в вакуум-
сборники 8 или 9, работающие попеременно. Опорожнение вакуум-
сборников производят периодически (по мере их заполнения) в
сборник концентрированного раствора 10. Вторичный пар из кор-
пуса II проходит брызгоуловитель И и поступает в барометриче-
ский конденсатор смешения 12. Охлаждающую воду в барометри-
ческий конденсатор подают из городской водопроводной сети.
Удаление смеси воды и конденсата производится самотеком через
барометрическую трубу 13 в барометрический ящик 14, а затем
в канализацию. Воздух из барометрического конденсатора отсасы-
вают водоструйным насосом-эжектором 15. Воду в эжектор подают
центробежным насосом 16 из бака 17.
В барометрическом конденсаторе пар и вода движутся в про-
тивоположных направлениях (пар — снизу вверх, вода — сверху
вниз). Для увеличения поверхности контакта фаз конденсатор
снабжен четырьмя переливными полками. Расход разбавленного
раствора и воды на барометрический конденсатор устанавливают
по ротаметрам. Концентрацию разбавленного и упаренных раство-
ров в корпусах / и II определяют ареометром при 20°С.
Давления измеряют манометрами и вакуумметрами.
Измерение температуры в аппаратах производят ртутными тер-
мометрами, а температуры поверхности аппаратов — лучковой
(ленточной) термопарой.
Методика проведения работы
I. Перед началом работы необходимо:
1. Закрыть все воздушные краны и вентили на линии вакуума,
паровой линии и линии раствора.
2. Проверить наличие разбавленного раствора в баке 1.
3. Проверить наличие раствора в корпусах / и II.
4. Проверить наличие воды в баке 17.
123
5. Проверить опорожнены ли вакуум-сборники 8 и 9 и сборник
концентрированного раствора 10.
II. При пуске установки сначала надо подготовить к работе
корпус II, для чего следует:
1. Закрыть вентиль 18 на линии вторичного пара (между кор-
пусами / и II).
2. Открыть вентиль 19 на линии свежего пара (из котельной) и
установить давление в паропроводе РИзб = 2—3 ат.
3. Продуть через конденсационный горшок и воздушную линию
межтрубное пространство подогревателя 6 корпуса II (для этого
открыть вентиль 20 на линии свежего пара и вентиль 21 на воздуш-
ной ли^ии. После продувки закрыть вентиль 21).
4. Подогреть раствор в корпусе II до 72—76° С свежим паром,
а затем закрыть вентиль 20.
III. При достижении требуемой температуры в корпусе II надо
подготовить к работе корпус I и подогреватель, для чего следует:
1. Продуть межтрубное пространство греющей камеры корпу-
са / и теплообменника 3 (для этого открыть вентили 22 и 25 на
линии свежего пара и вентили 23 и 24 на воздушных линиях.
После продувки закрыть вентили 23 и 24).
2. Подогреть раствор в корпусе I до температуры кипения и
установить постоянное давление (РИзб = 0,2 ат) в паровом про-
странстве (сепараторе) регулирующим вентилем 22.
IV. После того как раствор в корпусе I закипит, следует:
1. Открыть вентиль 18 на линии вторичного пара и начать по-
дачу разбавленного раствора в корпус / (для этого включить цен-
тробежный насос 2 и по ротаметру установить заданный расход
22—28 см3/сек).
Температура разбавленного раствора после теплообменника 3
должна быть постоянной ~50°С.
2. Пустить охлаждающую воду из городской водопроводной
сети в барометрический конденсатор 12, установив заданный рас-
ход воды по ротаметру. Во время работы установки температура
воды, выходящей из барометрического конденсатора, не должна
превышать 30° С.
3. Из бака 17 центробежным насосом 16 подать воду в эжек-
тор 15 и медленно открыть вентиль 26 на линии вакуума.
V. После того как уровень раствора, кипящего в корпусе /,
приблизится к верхней отметке, следует:
1. Начать подачу раствора из корпуса I в корпус II, для чего
осторожно открыть регулирующий вентиль 27 на линии раствора
между корпусами с таким расчетом, чтобы уровень раствора в смо-
тровом фонаре находился между красными отметкамц.
2. Подключить к корпусу II один из вакуум-сборников 8 или 9.
Пустив, таким образом, всю установку, дать ей работать 30—
40 мин, обязательно при непрерывной подаче раствора из корпу-
са / во II. Когда установится постоянный режим работы установки,
приступить к замерам.
124
Необходимые измерения следует 'производить через каждые
10—15 мин в течение 40—60 мин.
Результаты наблюдений надо свести в таблицу.
Для расчетов использовать средние значения измеренных ве-
личин.
Обработка опытных данных и составление отчета
I. Количество воды {кг!сек), выпариваемой в корпусе Г.
wi-GKi(xb-X^xKi (16-1)
где GH/ — количество исходного (разбавленного) раствора, кг!сек-,
xHj и хК/ — концентрация сухого вещества в разбавленном и кон-
центрированном растворах, масс. %-
Количество воды, выпариваемое в корпусе //:
wn=% (%" М/Ч/ (16‘1а)
где GH// — количество раствора, поступающего из корпуса / в
корпус II, кг/сек-,
хап и хК//—начальная и конечная концентрация раствора в кор-
пусе //, масс.%.
Проверка расчетов:
W^W,+ W„~ GUi (xKii - xH/)/xK//
II. Расход тепла (вт) на выпаривание в корпусе /:
Q; = ^подогр + ОисП/ + ^ПОТ/ (16’2>
где
^подогр ~ ^иси ^кип7 ~ ^нач) (16-3)
Здесь: сн — теплоемкость разбавленного раствора, дж/(кг -град)\
/КНП/-температура кипения раствора в корпусе I, °C;
/нач— температура, при которой разбавленный раствор по-
ступает в выпарной аппарат, °C.
Теплоемкость водных растворов при концентрации ниже 20%
может быть вычислена по формуле:
c = (’4119,103 (16'4)
<?Hcn/ = ^(4z-y (16-5)
где - энтальпия вторичного пара при давлении в сепараторе
корпуса /*, дж!кг\
iB/ — энтальпия воды при /КИП/, дж/кг.
1 Находят по таблицам «Свойства насыщенного водяного пара».
125
Потери тепла в окружающую среду можно вычислить по фор-
муле:
^пот^ ~ ~ ^возд) (16-6)
Здесь: а7 — коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воз-
духу, вт/ (м2 • град);
Fai — наружная поверхность выпарного аппарата (без грею-
щей камеры), ж2;
/Ст; — температура наружной стенки аппарата, °C;
^возд- температура воздуха в помещении, °C.
При вычислении потерь тепла в окружающую среду 1 суммар-
ный "коэффициент теплоотдачи конвекций и излучением от стенки
аппарата к воздуху вычисляют по формуле
а; = 9,74 + 0,07 Ы, (16-7)
где A/j—разность температур поверхности стенки аппарата и
окружающего воздуха, град.
Расход тепла на выпаривание в корпусе //:
Qn = ~ Ссамоисп + QHcn + ^пот (16'8)
где
^самоисп ~ ~ ^Kllnz/) (16-9)
Здесь: бИ//—количество раствора, поступающего в корпус II из
корпуса I, кг/сек;
си — теплоемкость раствора, упаренного в корпусе /,
дж/ (кг- град)',
/кНП/-температура кипения раствора в корпусе /, °C;
/КИП//-температура кипения в корпусе II, °C.
где 1ЙП — энтальпия вторичного пара при давлении в сепараторе
корпуса II, дж/кг;
I-kjj — энтальпия воды при /Кип/7> дж/кг.
Потери тепла в окружающую среду для II корпуса выпарной
установки можно определить по формуле:
^пот/7 = а/Лу/ (<стя ~ ^возд) (16-11)
III. Коэффициент теплопередачи по корпусам (Ki и Кп) опре-
деляют из основного уравнения теплопередачи:
Q = KFA/cp (16-12)
где Q — расход тепла на выпаривание, вт;
К — коэффициент теплопередачи, вт/(м2 • град);
F — поверхность теплообмена, м2;
1 Потери тепла для изолированной и неизолированной части поверхности
аппарата, строго говоря, надо находить раздельно.
128
Отчетная таблица
№
по
пор.
Наименование и размерность
измеряемой величины
1 I 2 3 | 4 5
время проведения
измерений
Среднее
значение
величины
I Температура раствора после подогревателя
t °с
*нач» и
2 Температура греющего пара 1 tr, °C
Давление в корпусе ат
Температура кипения раствора /кипу,
°C
изолированной
Температура fCT н /, °C
наружной -----------::------------
поверхности неизолированной
^ст. н. /’ С
Температура вторичного пара /вт, °C
Давление в корпусе Рц, ат
Температура кипения раствора ^КИПуу.
°C
изолированной
Температура /ст и //, °C
наружной -----------1— -----------
поверхности неизолированной
*ст. и. II’ °C__
12 13 Концентрация соли в растворах, масс. % Концентрация разбавленного раст- вора хк
’ Концентрация раствора в корпусе I ХК]
14 Концентрация раствора в корпусе II хкц
1 В производственных условиях температуру насыщенного водяного пара обычно опре-
деляют по давлению.
Д/ср — разность температур конденсации греющего пара и кипе*
ния раствора, град.
Q,
Ki~~bt • (16-13)
ГеР/
К//° F £ (16-13а)
11 Ч/
IV. Расход греющего пара находят по формуле:
Qi
Gr. п = —' (16-14)
127
где Qz — расход тепла на выпаривание в корпусе 1 ’, вт\
г — теплота конденсации греющего пара, дж!кг\
х — паросодержание (степень сухости) греющего пара 1 2.
Расход греющего пара на 1 к,г выпаренной воды определяют
по формуле:
d = (16-14а)
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) схема установки:
б) таблица измеренных величин;
в) последовательный расчет искомых величин.
Форма отчета
I. Задание.
1. Расход исходной смеси.................................... см?/сек,
2. Расход воды на барометрический конденсатор............... см^/сек.
3. Давление в корпусе /..................................... ат
4. Температура исходного раствора (после теплообменника) . . /иач
II. Отчетная таблица.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
И. И. Чернобыльский, Выпарные установки, Изд. Киевского универси-
тета, 1960.
Работа 17
ИСПЫТАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Введение
В химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и других от-
раслях промышленности для разделения жидких смесей на техни-
чески чистые продукты широко применяют ректификацию. Этот
процесс основан на различной летучести составляющих смесь ком-
понентов, т. е. на различии в температурах кипения компонентов
при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют
в противоточных аппаратах, называемых ректификационными ко-
лоннами. Наиболее распространены в промышленности тарельча-
тые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми и про-
вальными тарелками.
Сущность процесса ректификации, происходящего в ректифика-
ционной колонне, заключается в обмене компонентами между па-
ром, поднимающимся вверх по колонне, и жидкостью (флегмой),
1 Следует помнить, что при таком методе расчета расход греющего пара бу-
дет найден с некоторой недостачей (не более 2—3%), так как величина Qi не
включает того количества тепла, которое свежий пар теряет в окружающее про-
странство через наружные стенки греющей камеры.
2 Принимаем влажность пара 5%.
128
стекающей в колонне вниз навстречу пару. В тарельчатых ректи-
фикационных колоннах такой массообмен между паром и жид-
костью осуществляется во время барботажа — прохождения пу-
зырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке.
На колпачковых тарелках (рис. 17-1) барботаж происходит по
периметру колпачков, края которых имеют зубцы или прорези
для раздробления потока пара на отдельные мелкие паровые струй-
ки. При контакте в барботажном
слое пара и жидкости, состоящих
из двух компонентов и неравновес-
ных друг с другом, возникает слож-
ный процесс тепло- и массообмена
между фазами. При этом процессе
более летучий, низкокипящий ком-
понент (НКК) из жидкости частич-
но испаряется и переходит в пар,
а менее летучий, высококипящий
компонент (ВКК) из пара частично
конденсируется и переходит в жид-
кость. В результате такого обмена
компонентами поток пара, подни-
маясь по колонне, все более обога-
щается НКК, а поток жидкости,
стекая вниз, постепенно обогащает-
ся вкк.
Пар, поступающий на ректифи-
кацию под нижнюю тарелку колон-
ны 1 (рис. 17-2), имеет небольшую
концентрацию НКК. Этот пар идет
из куба-испарителя 2, в котором он
образуется при кипении бедной
НКК жидкости, стекающей в куб-
испаритель с нижней тарелки ко-
Рис. 17-1. Одиоколпачковая тарел-
ка:
1 и 2—переточные трубы; 3—перегород-
ка; 4-отбойиик; 5—патрубок для пара;
6—колпачок.
лонны. По мере того, как пар поднимается по колонне, концен-
трация НКК в нем увеличивается и с верхней тарелки колонны
пар уходит в расположенный над колонной конденсатор (дефлег-
матор) 3 уже с высокой концентрацией НКК. В дефлегматоре
этот пар полностью конденсируется. Образовавшаяся жидкость
(флегма) с высокой концентрацией НКК поступает на верхнюю
тарелку колонны. Стекая в колонне вниз с тарелки на тарелку,
флегма теряет НКК и обогащается ВКК.
На одну из тарелок в середине колонны непрерывно подают на
разделение исходную жидкую смесь (питание) Gf, состоящую из
двух компонентов. Часть богатой НКК жидкости из сборника под
дефлегматором отбирают в качестве верхнего продукта — дистил-
лята Од. В качестве нижнего продукта — кубового остатка Gw из
куба-испарителя отбирают часть жидкости, бедной НКК. Таким
образом в ректификационной колонне осуществляют непрерывный
9 Зак. 1377
129
процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной сме-
си Gf на дистиллат GD с высоким содержанием НКК и кубовый
остаток Gw с малой концентрацией НКК. Концентрации получае-
мых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от
режима ее работы.
Для того чтобы в кубе-испарителе происходило непрерывное
кипение жидкости, куб обогревают конденсирующимся в змеевике
конденсат
греющим паром (или другим теплоно-
сителем), а для конденсации пара, по-
ступающего в дефлегматор, последний
охлаждают водой (или другой охлаж-
дающей жидкостью).
Цель работы. I. Пуск и наладка
устойчивого режима работы тарельча-
той ректификационной колонны для
непрерывного разделения смеси эти-
ловый спирт—вода, расчет материаль-
ного баланса колонны и определение
скорости пара в ней.
II. Определение числа ступеней из-
менения концентрации (теоретических
тарелок) и среднего коэффициента
обогащения (или так называемого
к. п. д.) установленных в колонне од-
ноколпачковых тарелок.
Описание установки (рис. 17-3)
жидкости, имеет переливную
Рис. 17-2. Схема ректифика-
ционной колонны;
/“Колонна; 2 — куб-испаритель;
3 — дефлегматор.
Исходная спирто-водная смесь из
сборника-хранилища исходной смеси 1
перекачивается насосом 2 в напор-
ный бак 3. Бак 3 снабжен указателем
уровня
трубу, не допускающую его перепол-
нения.
Из напорного бака 3 исходная смесь поступает самотеком че-
рез расходомер (Pi), регулирующий вентиль (Bi), ареометр-спир-
томер (Ai) и подогреватель 4 в ректификационную колонну 5. Рас-
ходомер (Р\) представляет собой прибор дроссельного типа — рео-
метр (рис. 17-4). В подогревателе 4 исходная смесь подогревается
горячей водой, циркулирующей через специальный змеевик, погру-
женный в жидкость, кипящую в кубе-испарителе 6. Такой обогрев
исходной смеси устроен с целью не допустить ее перегрева и испа-
рения в подогревателе. Температуру исходной смеси после подо-
гревателя, перед ее поступлением в колонну, показывает термо-
метр (Ti). В ректификационную колонну 5 подогретая исходная
смесь поступает на пятую тарелку, считая сверху. Колонна имеет
130
всего восемь одноколпачковых тарелок (рис. 17-1). Диаметр ко-
лонны 150 мм. Расстояние между тарелками 200 мм. Для визуаль-
ного наблюдения за процессом барботажа над второй сверху та-
релкой имеется смотровое окно с подсветкой.
С нижней тарелки колонны жидкость стекает в выносной куб-
испаритель 6, имеющий внутри змеевик, обогреваемый греющим
(котельным) паром. Перед поступлением в змеевик греющий пар
—•— — вода; .....воздушники.
проходит через водоотделитель. Конденсат греющего пара из змее-
вика и из водоотделителя отводится через конденсатоотводчики
(конденсационные горшки) и возвращается в котельную. Давление
греющего пара в паропроводе и в змеевике определяют по мано-
метрам (ЛК) и (ЛК).
Температуру жидкости в кубе-испарителе показывает термо-
метр (Г2). Давление пара над жидкостью, кипящей в кубе-испари-
теле, показывает напоромер — чувствительный мембранный мано-
метр (Af3), по показаниям которого регулируют интенсивность ки-
пения жидкости в кубе-испарителе путем изменения паровым вен-
тилем (В2) давления греющего пара в змеевике. Отвод кубового
остатка из куба-испарителя осуществляется через гидравлический
затвор, обеспечивающий постоянство уровня кипящей жидкости
9* 131
Рис. 17-4. Расходомер:
/-дифференциальный манометр; 2 и
3—трехходовые краны; 4-кармаи для
термометра.
в кубе-испарителе. Уходящий из куба-испарителя горячий кубовый
остаток проходит через водяной холодильник 7, смотровой фонарь 8
и возвращается в сборник 1.
Сборник 1, бак 3 и трубное пространство дефлегматора 9 со-
общены с атмосферой воздушниками, благодаря чему работа уста-
новки происходит под атмосферным давлением. Во избежание по-
тери паров спирта все воздушники , пропущены через добавочный
водяной холодильник (на схеме не
показан).
Прошедший через колонну пар,
богатый НКК, поступает с верхней
тарелки в трубы дефлегматора 9,
который охлаждается водой, пода-
ваемой в межтрубное пространство.
Подачу воды регулируют вентилем
(В3). Температуру воды, выходящей
из дефлегматора, показывает тер-
мометр (Т3). Жидкость, образовав-
шаяся в трубах дефлегматора после
полной конденсации пара, стекает
в нижнюю коническую часть дефлег-
матора. Температуру этой жидкости
измеряют термометром (Т4).
Часть жидкости вытекает через
калиброванное отверстие в дне де-
флегматора (рис. 17-5) и поступает
в качестве флегмы на орошение ко-
лонны. Для измерения расхода сте-
кающей в колонну флегмы установ-
лен расходомер (Рг), действие кото-
рого основано на существовании определенной зависимости между
уровнем жидкости в сосуде и расходом жидкости, вытекающей
через отверстие в дне сосуда. Шкала расходомера (Р2) проградуи-
рована непосредственно в единицах расхода (в л!мин). Другую
часть жидкости отбирают из дефлегматора в качестве верхнего
продукта—дистиллата. Дистиллат проходит через водяной холо-
дильник 10, расходомер (Р3), регулирующий вентиль (В4), арео-
метр-спиртомер (Аг) и возвращается в сборник 1.
.. В помещении ректификационной установки применена взрыво-
безопасная осветительная арматура. Все выключатели и пускатель
электродвигателя вынесены из помещения.
Методика проведения работы
После ознакомления с установкой и с инструкцией распределяют
рабочие места (два внизу и три наверху). С разрешения препода^
вателя приступают к пуску установки.
132
Рис. 17-5. Дефлегматор:
/—расходомер флегмы (Рз);
2—карман для термометра (Т4);
3—карман для спуска воды.
Прежде всего пускают воду в дефлегматор и в холодильники
дистиллята и кубового остатка. В дальнейшем следят, чтобы темпе-
ратура воды, уходящей из дефлегматора, не превышала 25° С.
Затем открывают вентиль на паропроводе, продувают конденса-
ционный горшок и начинают прогрев куба-испарителя, следя, чтобы
во время прогрева, т. е. до начала кипения жидкости, давление
греющего пара в змеевике не превы-
шало 0,5 ат по манометру (М2).
После этого проверяют, наполнен
ли напорный бак 3 исходной смесью,
и, если необходимо, насосом 2 подка-
чивают ее в этот бак из сборника-хра-
нилища 1.
С момента начала кипения жидко-
сти в кубе-испарителе, что обнаружи-
вается по показаниям напоромера (Л43),
непрерывно регулируют подачу грею-
щего пара в змеевик только по напо-
ромеру, поддерживая постоянным
заданное преподавателем давление
-~600 мм вод. ст.). Это давление, по-
казываемое напоромером, равняется
гидравлическому сопротивлению рек-
тификационной колонны.
Когда жидкость в кубе-испарителе
закипит, начинают подавать питание
(исходную смесь) в колонну. Объем-
ный расход питания Vy, который необ-
ходимо все время держать постоян-
ным, задает преподаватель (0,6—
0,8 л)мин при концентрации спирта в
питании соответственно не ниже 16—13 объемн.% или 13—
10 масс.%).
После того как в нижней части дефлегматора накопится до-
статочное количество флегмы (0,6—0,7 л/мин по шкале расходо-
мера флегмы), начинают отбирать дистиллат. Объемный расход
дистиллята VD, который также необходимо держать все время по-
стоянным, задается преподавателем (~0,1. л/мин).
Когда начат отбор дистиллата, пусковой период установки
считается законченным. Начиная с этого момента, через каж-
дые 3—5 мин снимают одновременно (по команде «отсчет») и за-
писывают в таблицу характеристики работы ректификационной
установки.
После окончания работы закрывают оба вентиля на линии
греющего пара, прекращают подачу питания и отбор дистиллата
из колонны, закрывают воду на холодильники дистиллата и кубо-
вого остатка. Воду на дефлегматор не закрывать! (Ее закрывают
только после того, как остынет колонна.)
133
Таблица измеряемых величин
№
По
пор.
Характеристика
Время
Среднее расчет-
ное значение
для устано-
вившегося
режима
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Давление, показываемое напо-
ромером, мм вод. ст.
Давление (изб.) греющего пара
в паропроводе рь ат
Давление (изб.) греющего пара
в змеевике р2, ат
Температура жидкости в кубе-
испарителе tw, °C
Концентрация спирта в дистил-
ляте хд, объемн. % (показа-
ние ареометра)
Концентрация спирта в пита-
нии Хр, объемн. % (показа-
ние ареометра)
Расход флегмы Vj>, л)мин
Температура дистиллята, выхо-
дящего из колонны tD, °C
Температура питания после по-
догревателя tp, °C
Температура воды, выходящей
из дефлегматора /в, °C
Температура дистиллята после
водяного холодильника tD, °C
Примечания. 1. Характеристики по пп. 1, 2 и И ие являются расчетными, а лишь отражающими
стабильность работы установки.
2. Измерения по пп. 1—5 производятся внизу, а по пп. 6—11 — на верхней
площадке, где регулируют (поддерживают постоянными) заданные объемные
расходы питания и дистиллата.
Обработка опытных данных и составление отчета
I. Из уравнений материального баланса ректификационной ко-
лонны (рис. 17-2)
G/j = Ghz + Gd (17-1)
рХр = + @DXD (17-2)
находят значения Gw и xw.
Здесь: G = Ур — массовый расход, кг/сек-,
V — объемный расход, мЛ1сек\
р — плотность, кг/м?’,
х — массовая доля НКК (спирта).
Индексы: F — питание;
W — кубовый остаток;
D — дистиллат.
134
Значения хР и xD (в масс. %), а также плотности рР и pD Для
полученных средних значений х'Р и x'D (см. таблицу измеряемых
Рис. 17-6. Зависимость аг>пред от рас-
стояния между тарелками Н и отноше-
ния рп/рж.
величин) находят по графикам (см. Приложение).
Определяют среднюю скорость пара в колонне. Средняя моле-
кулярная масса пара:
где MD и Mw — молекулярные массы дистиллата и кубового остат-
ка, подсчитанные как аддитивные величины по
мольным долям компонентов.
Средняя плотность пара:
Мер 273
Рп=-22ЖГ’ Кг'
где 7'Ср = -^^- + 273,оК.
Средняя скорость пара:
уп (со + ^ИсР ,
W S MDpn-0,785d2 ’
(17-3)
(17-4)
где Gr = VrPd— расход флегмы, кг/сек-,
d = 0,15 м — внутренний диаметр колонны.
_ w
Далее находят отношение --------, где и»Пред — предельно допу-
^пред
стимая (во избежание чрезмерно большого уноса паром брызг
жидкости) ркорость пара в колонне. Величина ®Пред для тарелок с
круглыми колпачками определяется по рис. 17-6 в зависимости от
расстояния между тарелками Н и отношения рп/рж (где рж — сред-
Рп 4- Pr-Z
няя плотность жидкости в колонне, равная , кг/м6).
135
Из уравнения теплового баланса колонны с кубом и дефлегматором
(рис. 17-2), без учета тепловых потерь в окружающую среду
®BCiA. н + Gr. j" ~ GBCD*B + GWCWtW + GBCt/e. к + ®г. п1'
находим
Gr. п ~ i') = Gbcb (*в. к ~ {в. н) + GBCB*B ^VS^W^W ~ GFCFtF
или
<4 = Фд + GBCB(B + GWCWtW ~ ^СГ*Р ( 17‘6)
где с—теплоемкость, джЦкг • град);
GB—расход охлаждающей воды в дефлегматоре, кг!сек-,
tB. н и /в. к~jse начальная и конечная температуры, °C;
От. п~ расход греющего пара, кг/сек\
I" и г'—энтальпии греющего пара и конденсата, дж/кг-,
QK~ расход тепла, отдаваемого греющим паром в змеевике куба-испа-
рителя, вт;
Qe—расход тепла, получаемого охлаждающей водой в дефлегматоре,
вт.
Если расход воды, охлаждающей дефлегматор, и температура воды на
входе в него неизвестны, то величину <?д можно подсчитать по уравнению
Q^(GB+Gp)rB <17'7)
где Гц — теплота конденсации дистиллата, дж/кг.
Теплоту конденсации вычисляют по формуле:
rB = XBrc+ ({~хв) Гв
где массовая доля спирта в дистиллате,
гс и Гв~ теплоты конденсации спирта и воды, дж/кг.
Значения теплот конденсации спирта и воды определяют приближенно для
температуры tD по справочным данным.
По аналогичной формуле
с = хес + (1 — х) св
вычисляют (для соответствующих температур) теплоемкости питания, дистил-
лата и кубового остатка, входящие в уравнения (17-5) и (17-6)'. Здесь
х — массовая доля спирта.
Вычислив по уравнению (17-6) величину QK, расход греющего пара, имею-.
щего степень сухости хп, определяют по формуле
Сг.п»-^- (17-8)
'ПАП
считая, что конденсат греющего пара отводится при температуре конденсации,
т. е. что V—i'—rB. Теплоту конденсации гв при давлении рз находят по паро-
вым таблицам. Степень сухости пара хп при ориентировочных расчетах обычно
принимают равной 0,9—0,95.
II. Для определения числа ступеней изменения концентрации
(теоретических тарелок) величины Хр, xD, xw пересчитывают из
G V
массовых в мольные доли. Находят число флегмы R = -?т*-ав
ив v в
Строят на миллиметровой бумаге по справочным данным кривую
равновесия жидкость — пар в координатах х — у* (рис; 17-7) и от-
мечают на оси абсцисс значения Хр, xD, xw в мольных %.
13В
Затем на этот график наносят так называемые рабочие линии
для верхней и для нижней части колонны. Уравнения 'этих двух
прямых линий выводятся из уравнений материального баланса
верхней и нижней части колонны (составленного в мольных еди-
ницах) и выражают зависимость между переменными по высоте ко-
лонны мольными концентрациями НКК в жидкости (х) и.в паре (у)
в любом поперечном сечении колонны между двумя соседними та-
релками. Уравнения рабочих линий имеют следующий вид:
для верхней части колонны
хп
’-«+Т' + « + Т
для нижней части колонны
R + F Wxw
у = Т+Т х ~ «ГТ
(17-10)
где F — относительный мольный расход питания на 1 кмоль ди-
стиллата;
W — относительный мольный расход кубового остатка на
1 кмоль дистиллата.
Рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ
диаграммы (рис. 17-7) в точке А, а рабочая линия нижней части
колонны — в точке В.
Обе рабочие линии пере-
секаются в точке С. Для
нанесения их на график
откладывают на оси ор-
XD
динатвеличинууууи по-
лученную точку D соеди-
няют прямой линией с
точкой А, а. точку В — с
точкой С.
Далее между равно-
весной и рабочей линия-
ми строят ступени изме-
нения концентрации, как
показано на рис. 17-7.
Каждая ступень соответ-
ствует одной теоретиче-
ской тарелке. Определив
Рис. 17-7. Определение числа ступеней изме-
ЧИСЛО теоретических сту- нения концентрации.
пеней пс и зная число
реальных тарелок п в верхней и в нижней части колонны, нахо-
дят для каждой части среднее значение (в данных условиях ра-
боты колонны) коэффициента обогащения или так называемого
к. п.д. тарелок г] по формуле:
п
(17-11)
137
Величина ц не является постоянной. Те же тарелки при других
гидродинамических условиях (расходах пара и жидкости) и цругих
физико-химических свойствах системы пар — жидкость могут иметь
другие значения коэффициента обогащения (к. п. д.).
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) схема установки со спецификацией;
б) таблица исходных экспериментальных данных;
в) все необходимые расчеты по разделам I и II; .
г) график определения числа ступеней изменения концентрации
(рис. 17-7).
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. Н. Стабников, Перегонка и ректификация спирта, Пищепромиз-
дат, 1962. ''
2. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков, Примеры и задачи
по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 6-е изд., Изд. «Химия»,
1964.
Работа 18
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МАССОПЕРЕДАЧИ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ
Введение
Абсорбцией называется процесс поглощения газа жидким по-
глотителем. Этот процесс является избирательным и обратимым.
В абсорбционных процессах участвуют две фазы — жидкая и
газовая и происходит переход вещества из газовой фазы в жид-
кую.
Примерами использования процесса абсорбции в технике могут
служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабаты-
вающих установках, получение аммиачной воды, извлечение из
коксового газа аммиака и углеводородов, очистка отходящих газов
с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газо-
сбросов и другие.
Равновесие в процессах абсорбции определяет состояние, ко-
торое устанавливается при весьма продолжительном соприкосно-
вении фаз и зависит от состава одной из фаз, температуры, дав-
ления и термодинамических свойств компонента и поглотителя.
В качестве основного закона, характеризующего равновесие в
системах газ—жидкость, обычно используется закон Генри:
где р* — парциальное давление газа над раствором в условиях
_ равновесия;
X — концентрация поглощаемого компонента в растворе, кг/ка
поглотителя;
Ф — коэффициент пропорциональности, имеющий размерность
давления и зависящий от температуры, свойств раствО’
ренного газа и поглотителя.
Закон Генри точен только для разбавленных растворов.
138
Материальный баланс и кинетические аакономерности абсорбции
Материальный баланс абсорбера (рис, 18-1):
G (Ун - Ув) = L (Хн - хв)
где G и L — массовые расходы инертного газа и жидкого поглоти-
теля, кг/сек;
Уи, Ув—концентрация поглощаемого компонента в газе внизу
_ и вверху абсорбера, кг/кг инертного газа;
Хн, Хв — концентрации поглощаемого компонента в жидкости
внизу и вверху абсорбера, кг/кг поглотителя.
Рис. 18-1. Схема процесса абсорбции:
ОС-линия равновесия У* = f (X); АВ-рабочая_лииия, прямая, проходящая
через точки (Уи, Хн) и (Ув, Хв).
Скорость процесса массообмена определяется движущей силой
процесса (т. е. степенью отклонения системы от равновесного со-
стояния), свойствами поглотителя, компонента и инертного газа,
а также устройством абсорбционного аппарата и гидродинамиче-
ским режимом его работы.
Уравнение массопередачи для процесса абсорбции:
где Ма — количество поглощенного компонента, кг/сек-,
— коэффициент массопередачи, кг компонента/(м2 насад-
кг компонента \
ки • сек -------------- ;
кг инертного газа /
F — поверхность насадки, м2;
А Уср —средняя движущая сила процесса абсорбции, кг компо-
нента/кг инертного газа.
-Среднюю движущую силу процесса абсорбции находят по фор-
муле: _ _
2,3
ДУв
139
Здесь
дун = гн - Гн
ЛУВ = 7В-У*В
движущие силы на концах абсорбера.
В данной работе производится поглощение водой аммиака из
аммиачно-воздушной смеси.
' Цель работы — практическое ознакомление с работой абсор-
бера и определение коэффициента массопередачи процесса абсорб-
ции, отнесенного к единице поверхности насадки.
Описание установки (рис. 18-2)
Абсорбер 1 диаметром 100 мм и высотой 1700 мм заполнен
насадкой из керамических колец 15X15X2 мм. Высота насадки
1500 мм. Верхний фланец абсорбера соединен с брызгоотделите-
лем 2. Внутри брызгоотделителя размещены распределитель жид-
кости и каплеотбойник. Вода, стекающая по насадке, проходит
опорную решетку и накапливается в кольцевом зазоре между
базовым патрубком и обечайкой переходной царги 3, откуда по
трубопроводу сливается в сборник 4. Подачу воды осуществляют
вентилем 5 через ротаметр 6. Абсорбируемый газ из баллона 7
дросселируется редукционным вентилем 8. Расход газа опреде-
ляют по ротаметру 9. Газ в смесителе 10 смешивается с воздухом,
просасываемым через систему вентилятором 11. Расход воздуха
определяют ротаметром 12. Смесь газа и воздуха направляют в
абсорбер. Расход ее регулируют краном 13. Краны 14 служат для
отбора проб газа, поступающего в абсорбер, а краны 14а — для
отбора проб газа, прошедшего через абсорбер. Для замера сопро-
тивления насадки установлен U-образный дифманометр 15. Раз-
режение в нижней части абсорбера' замеряют вакуумметром 16.
Температуру поглотителя после абсорбера замеряют термомет-
ром 17.
Методика проведения работы
При открытых кранах 13 и 13а включают вентилятор и уста-
навливают заданный расход воздуха. Записывают показание диф-
манометра 15 (гидравлическое сопротивление сухой насадки). За-
тем подают воду и аммиак. Через 10—15 мин приступают копре-
делению концентраций аммиака в газовом потоке внизу и вверху
колонны и одновременно производят запись показателей в отчет-
ную таблицу.
Для определения концентрации аммиака в газе до и после
абсорбера анализируемый газ при помощи аспиратора пропускают
через две последовательно соединенные поглотительные склянки,
в которые наливают по 20 еле3 0,1 н. раствора НС1 и по 2—3 капли
140
метилового оранжевого. Объем воздуха в отобранной для анализа
аммиачно-воздушной смеси определяют по количеству воды, вы-
текшей из аспиратора. После окончания отбора пробы газа и
измерения объема прососанного воздуха содержимое поглотителей
титруют 0,1 н. раствором NaOH до перехода розовой окраски в
Рис. 18-2. Схема абсорбционной установки:
/—абсорбер; 2—брызгоотделитель; 3— переходная царга; 4—сборник для поглотителя; 5—вен-
тиль для подачи воды; 3—ротаметр для измерения расхода воды; 7—баллон с аммиаком;
3—редуктор; Р—ротаметр расхода аммиака; 10—смеситель; //—вентилятор; 12—ротаметр
расхода воздуха; 13, /За—краны для подачи аммначно-воздушной смеси; 14, 14а—краны для
отбора проб газа на анализ; 15—дифманометр; 16—вакуумметр; /7—термометр; 18—вентиль
для спуска поглотителя в канализацию; 19—заслонка для продувки вентилятора; 20—спуск
поглотителя с тарелки.
желтую. Содержание аммиака в смеси (в объемных долях) опре-
деляется по формуле:
2,24 (Ь - а)
У‘
(273 + 0 ’
где Ь — количество 0,1 н. раствора НС1, налитое в поглотите-
ли, см3;
141
Отчетная таблица
Расход воздуха Показания ротаметра, делений
м3/ч
Расход воды Показания ротаметра, делений
дм3/ч
Расход аммиака Показания ротаметра, делений
дм3/ч
Гидравлическое сопротивление сухой насадкн Др, мм вод. ст.
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Др, мм вод. ст.
Температура в колонне, °C
Концентрапия аммиака перед абсорбером Ь— количество НС1, налитое в поглотители, см3
а —количество NaOH, пошедшее на титрование, см3
У—объем воды, вытекшей из аспиратора, см3
ук~объемная доля
Ун, кг аммиака/кг воздуха
Концентрация аммиака после абсорбера Ь~ количество НС1, налитое в поглотители, см3
а—количество NaOH, пошедшее на титрование, см3
У—объем воды, вытекшей из аспиратора, см3
Уъ~ объемная доля Ув, кг аммиака/кг воздуха
Расход аммиака (по ма- териальному балансу) Поверхность насадки Средняя движущая сила Коэффициент массо- передачи Мл, кг/сек F, м2 ЛУср, кг аммиака/кг воздуха ,, кг аммиака Лу, о кг аммиака м1 насадки • сек кг воздуха
« — количество 0,1 н. раствора NaOH, пошедшее на титрова
ние избытка кислоты, см3;
V — объем воды, вытекшей из аспиратора, см3;
t — температура в колонке, °C.
Обработка опытных данных и составление отчета о работе
Обработка опытных данных сводится к расчету коэффициента
массопередачи, соответствующего заданному режиму работы уста-
новки, по уравнению:
к =
Y F ДУср
1. Количество поглощенного аммиака находят из уравнения:
Ma = G(Ya-Ys)
где G — Гр — массовый расход воздуха, кг/сек;
V — расход воздуха, м3/сек;
р — плотность воздуха при температуре опыта, кг/м3;
Ун и Ув — концентрации аммиака в воздухе внизу и вверху
абсорбера, кг/кг инертного газа.
Пересчет объемной доли аммиака в относительную массовую
концентрацию его:
У = д —г- кг NHj/кг воздуха
2. Поверхность насадки рассчитывают по формуле:
F = 0,785£>2Яа
где D — диаметр абсорбера, м;
Н — высота слоя насадки, м;
о —удельная поверхность насадки, м2/м3.
Для керамических колец размером 15X15X2 мм о=330 м2/м3.
3. Для расчета средней движущей силы процесса абсорбции не-
обходимо знать У в и Ун.
В данной работе на орошение подается чистая вода, следова-
тельно Лв = 0_и Ув = 0, так как У = f{X).
Значение Хн определяют из уравнения материального баланса,
а величину ф для раствора аммиака в воде находят по формуле:
1422
1g ф = 9,343 -
где ф —константа Генри, в мм рт. ст.;
Г—температура растъора, ° К (по показаниям термометра 17).
Рассчитывают Р*=фХ и вычисляют равновесное содержание
аммиака в газовой смеси по формуле:
V* Л4К Р* , ,
Ун = ~М~ ' П — Р* Кг аммиака/кг в03духа
142
143
где Мк и Л/г —молекулярные массы аммиака и воздуха;
П — атмосферное давление (760 мм рт. ст.).
Теперь рассчитывают ДУСр и Ку-
Результаты расчета заносят в отчетную таблицу. К отчету при-
лагают схему установки.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. В. М. Р а м м, Абсорбция газов, Изд. «Химия», 1966.
2. Т. Хоблер, Массопередача и абсорбция, Изд. «Химия», 1964.
Работа 19
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИИ В ПРОТИВОТОЧНОМ КОЛОННОМ
АППАРАТЕ СО ВЗВЕШЕННЫМ СЛОЕМ АДСОРБЕНТА
Введение
Адсорбция — процесс избирательного поглощения одного или
нескольких компонентов из газовой или жидкостной смеси поверх-,
ностью твердого поглотителя (адсорбента).
Адсорбция позволяет почти полностью поглощать целевые ком-
поненты 1 и обеспечивать глубокую очистку разделяемой смеси.
Этим объясняется все большее применение в технике адсорбцион-
ных методов разделения и очистки там, где другие методы оказы-
ваются недостаточно эффективными.
Процесс адсорбции происходит на поверхности твердого пори-
стого тела — адсорбента, где ненасыщенные поверхностные силы
вступают во взаимодействие с силовыми полями адсорбируемых
молекул. В результате притяжения молекул на поверхности адсор-
бента образуется «пленка», в которой сорбированное вещество на-
ходится в сжатом или ожиженном состоянии.
Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. Количе-
ство выделяющегося тепла зависит от характера взаимодействия
поглощаемых молекул с адсорбирующей поверхностью, в зависи-
мости от которого различают физическую и химическую адсорб-
цию.
Физическая адсорбция обусловливается действием вандерва-
альсовых сил и является обратимым процессом в отличие от хи-
мической адсорбции, которая связана с химическими превраще-
ниями на поверхности адсорбента.
Обратимость физической адсорбции дает возможность прово-
дить последовательно адсорбцию и десорбцию. Последнее обстоя-
тельство имеет большое значение при разделении паро-газовых и
1 Целёвым компонентом здесь называется поглощаемый компонент (сорб-
тив).
144
газовых смесей. Не меньшую роль играет также селективность —
избирательная способность адсорбентов поглощать по-разному
компоненты смеси, обусловленная влиянием физической структуры
(строением) адсорбента и природой адсорбционных сил. Как пра-
вило, вещество поглощается тем легче, чем выше его критическая
температура.
При протекании процесса адсорбции концентрация сорбтива
в адсорбенте непрерывно увеличивается. В пределе при достиже-
нии равновесия между паро-газовой фазой и адсорбентом она
достигает наибольшего значения, возможного при данных усло-
виях. Это предельное содержание сорбтива в 1 кг (или в 1 см3)
адсорбента, соответствующее полному насыщению адсорбента по-
глощаемым веществом, называется статической емкостью (стати-
ческой активностью) адсорбента. Статическая емкость зависит от
структуры адсорбента, от природы адсорбируемого вещества, его
парциального давления в газовой фазе (концентрации), от тем-
пературы.
При равновесии между паро-газовой смесью и адсорбентом
количество пара данного сорбтива, поглощенного единицей массы
(или объема) данного адсорбента (статическая емкость), является
функцией только двух переменных — температуры и парциального
давления (концентрации) сорбтива в газовой фазе:
z'-f(P, Т) (19-1)
где z* — количество вещества, поглощенного единицей массы (объ-
ема) адсорбента;
р — парциальное давление поглощаемого вещества.
При постоянной температуре количество адсорбированного ве-
щества зависит только от парциального давления (концентрации)
сорбтива:
г* = Нр)г (19-2)
Выражение (19-2) называется уравнением изотермы адсорб-
ции.
М. М. Дубининым была установлена количественная зависи-
мость между адсорбционными свойствами адсорбента, его струк-
турой и физико-химическими свойствами поглощаемого вещества.
Исходя из объемной теории адсорбции, им были получены фор-
мулы для изотермы адсорбции на пористых адсорбентах.
Наиболее широко распространенными адсорбентами являются
активные угли, силикагели, алюмогели и цеолиты (молекулярные
сита). Все адсорбенты представляют собой гранулы диаметром
1—5 мм с сильно развитой внутренней поверхностью. Путем спе-
циальной обработки в гранулах адсорбента образуются поры, раз-
меры которых сопоставимы с размерами молекул адсорбируемых
газов и паров, а общая поверхность пор достигает величины по-
рядка 1000—1200 м2/г, для активных углей и порядка 500—800м2/г
для силикагелей и алюмогелей. Все поры, в зависимости
10 Зак. 1377 145
от размера, делятся на микропоры (с диаметром до 40А), пере-
ходные поры (40—100 А) и макропоры (больше 100 А)
В зависимости от соотношения суммарного объема макро- и
микропор адсорбенты условно подразделяются на три структур-
ных типа: первый — с преобладанием микропор; второй — макро-
пор; третий — смешанный.
Все промышленные адсорбенты, кроме цеолитов, наряду с пре-
обладанием тех или иных пор, содержат поры и других размеров.
Молекулярные сита (цеолиты) имеют поры строго определенных
размеров.
В промышленности применяют адсорбционные процессы с не-
подвижным слоем, движущимся слоем (под действием силы тя-
жести) и взвешенным (кипящим или псевдоожиженным) слоем
адсорбента. Последние два способа позволяют перейти от перио-
дического процесса адсорбции к непрерывному, значительно, ин-
тенсифицировать его и автоматизировать управление адсорбцион-
ными установками.
Независимо от принятой схемы, адсорбцию проводят в аппара-
тах (адсорберах) путем пропускания паро-газового потока снизу
вверх через слой адсорбента.
В данной работе изучается процесс адсорбции водяного пара
из воздуха силикагелем в противоточной адсорбционной колонне
со взвешенным слоем адсорбента.
При установившемся процессе в колонне массовый расход во-
дяного пара М, переходящего из воздуха в слой силикагеля, опре-
деляется уравнениями:
материального баланса (рабочей линии)
М = G (ха - Xs) = L (zH-zB) (19-3)
и массопередачи
M = KyV^x^ кг/сек (19-4)
где G — расход сухого воздуха, проходящего через колонну, кг/сек;
L — расход силикагеля, кг/сек;
ха — влагосодержание воздуха на входе в колонну,
кг водяного пара .
кг сухого воздуха ’
хв —то же на выходе воздуха из колонны1 2;
га — содержание воды в силикагеле на выходе его из колонны,
кг воды _
кг силикагеля ’
zB — то же на входе в колонну;
Kv — коэффициент массопередачи, отнесенный к единице объе^
, кг
ма адсорбента, --------——;
м3 •сек -
кг
1 1 А (ангстрем) =10"10 м.
2 Индексы: «н» н «в» означают низ и верх колонны.
14В
Vc —объем силикагеля в колонне, ж3;
Дхср— средняя движущая сила процесса, равная
дХср^_А?»-^. (19-5)
2.3 1g 4^
е Дхв
Здесь:
ЛЯн^н-4 (19-6)
Ахв = Хв — Хв О9’7)
х* и х* — влагосодержания воздуха, находящегося в равновесии
с силикагелем, имеющим содержание воды г„ и гв — см. рис. 19-1.
На этом рисунке: ОГ — изотерма адсорбции; АБ — рабочая линия.
Если объемный расход возду-
ха V, подаваемого на адсорбцию,
не задается, то его можно рассчи-
тать по уравнению:
V = 0,785D1 2w м3/сек (19-8)
здесь D = 0,l м — диаметр адсор-
бера;
w — скорость воздуха, отне-
сенная к свободному
сечению адсорбера. Она
находится из уравне-
ния:
Re=^ (19.9)
р.
Значение критерия Re, в свою
очередь, определяется по уравне-
нию:
Аг е4,75
Re --------АГ- --=г (19-10)
18 + 0,6 У Аг е4,75
где критерий Архимеда
Аг = (19.Ц)
Рис. 19-1. Изотерма адсорбции и рабочая
линия.
р.
Здесь d = 4- 10~4 м — диаметр зерна адсорбента;
рч= 1300 кг/м3— плотность частиц силикагеля марки ШСМ;
е = 0,5 — порозность взвешенного слоя адсорбента;
рв— плотность влажного воздуха, кг/м3 (см. стр. 31);
«• сек
ц — вязкость воздуха, ---— .
Если расход воздуха на пневмотранспорт не задан, то его определяют по
уравнению:
VT=0,785d>T (19-12)
Где dT = 0,02 м— диаметр трубы пневмотранспорта;
щт—скорость пневмотранспорта, которая должна быть больше критической
1 При таком выражении движущей силы предполагается, что распределение
концентрации поглощаемого компонента по сечению достаточно мелких зерен
адсорбента можно принять равномерным.
10*
147
скорости wHp, равной:
,3 Г Ьукрц(рч - pB)g
а’кр=|/ ------^2----- (19-13)
где LyKp—критическое значение критерия Лященко, определяемое по графику
рис. 9-2 (стр. 77), при порозности е=1.
Цель работы — ознакомление с работой адсорбционно-десорб-
ционной установки непрерывного действия со взвешенным слоем
адсорбента и определение объемного коэффициента массопере-
дачи Ку.
Описание установки (рис. 19-2)
Воздушный поток от воздуходувки 1 проходит через маслоот-
делитель 2, ватный фильтр 20, кран К-1, расходомер 3 и поступает
снизу в адсорбер 4.
Адсорбер выполнен в виде колонны диаметром 100 мм, снаб-
женной перфорированными тарелками (диаметр отверстий тарелок
1 мм). На тарелках установлены переточные трубы диаметром
10 мм. На нижнем конце переточной трубки установлен дисковый
отражатель. Величину зазора между отражателем и нижним сре-
зом переточной трубы можно изменять в зависимости от круп-
ности зерен адсорбента. Воздух проходит снизу вверх по колонне
со скоростью, обеспечивающей «кипение» адсорбента на тарел-
ках.
Из циклона 6 сверху вниз по колонне навстречу потоку воздуха
движется адсорбент (силикагель ШСМ). По мере движения пото-
ков в адсорбере силикагель насыщается поглощаемым из воздуха
водяным паром от значения zB до zH, а воздух изменяет свое вла-
госодержание от значения хв до хв.
Воздух с влагосодержанием хв покидает адсорбер вверху,
пройдя через циклон 5, а силикагель с содержанием воды гн вы-
ходит из адсорбера снизу и, пройдя через кран К-2 и расходомер-
ную трубку 7, поступает в десорбер 8.
Скорость поступления силикагеля из адсорбера в десорбер
определяется по расходомерной трубке 7.
Конструктивно десорбер отличается от адсорбера и представ-
ляет собой полый цилиндр диаметром 58 мм, заполненный хордо-
вой насадкой 9 и имеющий наружный электрообогрев, предназна-
ченный для поддержания постоянной температуры в десорбере по
всей его высоте.
Измерение температур в десорбере 8 производится термопара-
ми, подключенными к потенциометру. Последний производит вклю-
чение и выключение, наружных электрообогревателей десорбера
через электромагнитные реле.
Силикагель в десорбере движется так же, как и в адсорбере —
сверху вниз. В насадке высотой 0,2 м адсорбент «кипит». Десор*
бирующий воздух, нагретый в электроподогревателе 10 до темпе-
148
ратуры десорбции, поступает в десорбер снизу и движется на-
встречу адсорбенту. По мере движения в десорбере силикагеля
сверху вниз и десорбирующего воздуха снизу вверх вода (водяной
Рис. 19-2. Схема установки.
пар) переходит из адсорбента в десорбирующий воздух. Силика-
гель выходит из десорбера снизу и, пройдя кран Л-3, поступает
в пневмотранспортную трубу 11, по которой перемещается вверх
с помощью потока воздуха, поступающего из воздуходувки / через
маслоотделитель 2, ватный фильтр 20, кран К~4 и расходомер 12.
Остаточное содержание воды в силикагеле, выходящем из десор-
бера, зависит от температуры десорбции.
149
За время перемещения по пневмотранспортной трубе силика-
гель практически успевает охладиться до температуры транспор-
тирующего воздуха.
Десорбирующий поток воздуха, содержащий выделившийся из
силикагеля водяной пар, выходит из десорбера сверху, проходит
через фильтр 21 и поступает в холодильник-конденсатор 13,
охлаждаемый водой, которую подают в змеевик, а воздух — в меж-
трубное пространство, где из него конденсируется водяной пар.
Сконденсировавшаяся вода поступает в бюретку 17, а охлажден-
ный воздух (десорбат), выйдя из холодильника 13, проходит рас-
ходомер 15, воздуходувку 16, электроподогреватель 10 и вновь
поступает в десорбер. Температура воздуха, выходящего из подо-
гревателя 10, измеряется термопарой и регулируется с помощью
потенциометра. Расход десорбирующего воздуха устанавливают
по расходомеру 15.
Методика проведения работы
1. Ознакомиться с содержанием работы и установкой.
2. Закрыть кран К-3 и открыть краны К-5 и К-6, подать охлаж-
дающую воду на воздуходувку 1 и холодильник 13 так, чтобы не
происходило накопления охлаждающей воды в смотровых фона-
рях 18 и 19.
3. Открыв кран К-4, включить рубильником воздуходувки 1 и
16, электроподогреватель 10 и наружный обогрев десорбера 8.
4. Включить на приборном щите потенциометр и электромаг-
нитные реле.
5. По расходомерам 3 и 12, установленным на приборном щите,
кранами К-1 и К-4 установить расходы воздуха, поступающего в
адсорбер и на пневмотранспорт.
6. Открыть кран К-3 на подаче адсорбента из десорбера 8 в
пневмотранспортную трубу 11,
Время от начала опыта Показания термометров психрометра, °C Время про- хождения ... см% адсор- бента через расходомер- ную трубку (по секундо- меру) и, сек Показание бюретки, Показания дифманометров, мм вод. ст.
сухого t мокрого воздух на адсорбер воздух на пневмо- транспорт воздух на десорбер
Среднее: Среднее: Среднее: Среднее:
150
7. После выхода установки на стационарный режим (установ-
ления постоянной температуры в десорбере) через 30—40 мин от
начала пуска установки приступить к замерам.
Замеры производят каждые 3 мин, их результаты записывают
в таблицу. Продолжительность испытания 18—20 мин.
По окончании замеров останавливают установку. Для этого:
1) закрывают кран Л'-З;
2) выключают рубильник и выключатели;
3) закрывают краны К-1, К-5 и К-6.
Обработка опытных данных и составление отчета
1) Определяют расход воды, поглощенной из воздуха силикаге-
лем (собранной в бюретке 17):
я кг/сек (19-14)
где цв—объем воды, собранной
в см3:
р — плотность воды, кг/м3;
т — продолжительность ис-
пытания, сек.
2) По показаниям сухого и
мокрого термометров психромет-
ра находят по диаграмме Рамзи-
на влагосодержание воздуха, по-
ступающего в адсорбер, хн и пар-
циальное давление в нем водяно-
го пара р (см. рис. 19-3).
3) Определяют массовый рас-
ход сухого воздуха G (в кг)сек),
поступающего в адсорбер, из
уравнения:
(П-р) Р = (19-15)
где П-барометрическое давле- Рис 19.3 Определейие н р п0
ние, Н/М , диаграмме Рамзина.
р — парциальное давление
водяного пара, н/м2;
V — объемный расход влажного воздуха, м3/сек (определяется
по градуировочному графику расходомера 3).
Мв — молекулярная масса воздуха, кг/кмоль:
R — 8310 дж/{кмоль•град);
Т— температура воздуха, ° К-
4) Из уравнения (19-3)
М = G(xH — хв)
151
находят хв. Определяют степень поглощения водяного пара Сп,
равную:
Сп = -?н (19-16)
5) Определяют расход силикагеля L, проходящего через адсор-
бер, по уравнению:
Л = ’ кг1сек (19-17)
где ос — объем силикагеля в см3, проходящий через расхо-
домерную трубку 7 за время 0, сек-,
рс = 770 кг/м3 — насыпная плотность силикагеля ШСМ.
6) Определяют содержание воды в силикагеле на входе в ад-
сорбер zB и на выходе из него гн.
При данных значениях хп, гв, G и L, если бы поверхность мас-
сообмена в адсорбере была бесконечно большой, то влагосодержа-
ние воздуха, выходящего вверху из адсорбера, достигало бы пре-
дельного равновесного значения х* и рабочая линия занимала бы
положение, показанное на рис. 19-1 пунктиром. В реальных усло-
виях равновесие не достигается. На основании опытных данных
можно принять, что действительное изменение влагосодержания
воздуха составляет ~85% от предельно возможного, т. е. что
~ *в = °’85(*н ~ *в) (19-18)
откуда находят х*.
Построив в координатах z—х * изотерму адсорбции (данные
для построения приведены в приложении), определяют по ней вла-
госодержание силикагеля zB. Затем по уравнению
M = L(zH-zB)
находят zH.
7) Наносят на график рабочую линию АБ (см. рис. 19-1), опре-
деляют Дхн, Дхв и Дхср по уравнению (19-5).
8) Из уравнения массопередачи (19-4) находят значение объ-
емного коэффициента массопередачи Kv. Объем силикагеля в ад-
сорбционной колонне Ус рассчитывают по уравнению:
Vc = 0,785О2п/г, л3 (19-19)
где D = 0,l м — внутренний диаметр адсорбера;
п — число тарелок в колонне;
h — 0,035 м — высота слоя силикагеля (неподвижного)
на тарелке.
Отчет о выполненной работе должен включать:
а) Задание.
б) Схему установки со спецификацией.
в) Таблицу измеренных величин.
г) Все расчеты по пп. 1—8.
д) График изотермы адсорбции и рабочей линии.
152
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Е. Н. С ер пионов а, Промышленная адсорбция газов и паров, Госхим-
издат, 1956.
Работа 20
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ В ВОЗДУШНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СУШИЛКЕ
Введение
Одним из распространенных способов удаления влаги из влаж-
ных материалов является сушка в токе нагретого воздуха.
При соприкосновении влажного материала с нагретым возду-
хом начинается испарение влаги с поверхности этого материала, и
образующийся пар диффундирует через пограничный слой в окру-
жающий воздух. В материале возникает разность концентрации
влаги, и она начинает перемещаться из внутренних слоев к поверх-
ности. Пока влага из внутренних слоев подводится в количестве,
достаточном для полного смачивания поверхности, — скорость
сушки (количество испаренной влаги в единицу времени и с еди-
ницы поверхности) остается постоянной и не зависит от влагосо-
держания материала при постоянстве условий сушки: температуры
воздуха, его скорости, направления движения и влагосодержания.
В течение периода постоянной скорости процесс сушки опреде-
ляется главным образом скоростью диффузии испаренной влаги
через пограничный слой воздуха, т. е. внешними условиями. По-
этому этот период называют периодом «внешней диффузии». На
рис. 20-1 он характеризуется участком /.
Так как в случае воздушной сушки тепло к влажному мате-
риалу подводится только через поверхность, с которой испаряется
влага, то в течение периода постоянной скорости температура ма-
териала приблизительно равна температуре мокрого термометра.
Когда влагосодержание материала становится меньше критиче-
ского влагосодержания, количество влаги, подводимой к поверх-
ности испарения, становится меньше, чем может испариться, и то-
гда скорость сушки начинает падать. Период падающей скорости
сушки продолжается до тех пор, пока материал не достигнет рав-
новесного влагосодержания.
В периоде падающей скорости сушки процесс сушки зависит
главным образом от скорости, с которой влага диффундирует к по-
верхности материала, т. е. обусловливается «внутренней диффу-
зией». Скорость внутренней диффузии зависит от структуры мате-
риала и его температуры и мало зависит от внешних условий про-
цесса.
На рис. 20-1 период падающей скорости характеризуется участ-
ками II и III.
Участок II характеризует испарение с ненасыщенной поверх-
ности: непосредственно за критическим влагосодержание м
153
наступает период, когда на поверхности материала начинают
появляться сухие участки («островки»), и хотя скорость сушки со
смоченной поверхности продолжает оставаться такой же, какой
она была в период постоянной скорости, уменьшение смоченной
поверхности приводит к общему падению скорости сушки, отнесен-
ной ко всей геометрической поверхности высушиваемого материа-
ла. Скорость сушки в течение этого периода пропорциональна со-
держанию влаги в материале.
Так как влагосодержание материала продолжает убывать, то
в конце концов наступает момент, когда вся влага на поверхности
испарилась, и процесс сушки начинает зависеть только от скоро-
Рис. 20-1. Зависимость ско-
рости сушки от влагосодер-
жания.
сти, с которой влага диффундирует к
поверхности. Этот период характеризует-
ся участком III на рис. 20-1. Для различ-
ных материалов вид кривой скорости
сушки в этом периоде может быть раз-
личным. Он зависит от физической при-
роды высушиваемого материала и от ус-
ловий сушки.
В периоде падающей скорости сушки
температура материала становится выше
температуры мокрого термометра и при
достижении материалом равновесного
влагосодержания становится равной тем-
Период постоянной
янной скорости сушки
пературе воздуха.
скорости сушки. В течение периода посто-
скорость испарения влаги с поверхности
влажного материала, как отмечалось выше, равна скорости, с ко-
торой влага диффундирует через пленку насыщенного воздуха.
При выводе основного уравнения для скорости испарения мож-
но считать, что скорость испарения пропорциональна разности
концентраций пара у поверхности испарения и в окружающем воз-
духе Де, а также поверхности испарения F, т. е.
= ₽ AcF
dr
(20-1)
где р —коэффициент испарения, учитывающий аэродинамические
условия испарения и физические свойства жидкости, м/сек.
Коэффициент испарения Р можно определить, зная величину диффузионного
критерия Нуссельта, который для процесса испарения имеет следующий вид:
Nu' = -^y- (20-2)
здесь Л—длина образца в направлении движения воздуха, м;
D—коэффициент диффузии, мг1сек.
Для определения критерия Nu' (в случае вынужденного движения воздуха,
которое имеет место в условиях циркуляционной сушки) пользуются, по ана-
логии с процессами теплоотдачи, критериальной зависимостью:
Nu' = С, Re” Рг'™ (20-3)
154
Критерий Re, который характеризует аэродинамические условия испарения,
в данном случае имеет вид:
Re = ^
v
где w~ скорость воздуха, м/сек-,
v—кинематический коэффициент вязкости воздуха, м?/сек.
Диффузионный критерий Прандтля учитывает физические свойства среды
и испаряемой жидкости:
Численные значения коэффициента С и показателей степени
симости (20-3) находят при обработке опытных данных.
Критерий Рг' при испарении воды в воздух равен ~ 0,75, а
пени т в пределах допустимой ошибки можно принять равным
п и т в зави-
показатель сте-
0,33. Если обо-
Таблица 20-1
Nu'
значить .....п „„ = А,
ргл),зз
то уравнение (20-3) примет
вид:
А = С Re" (20-4)
Конкретные значения п и С для различных Re
приведены в табл. 20-1.
Опыты ряда исследователей показали, что в пе-
риоде «внешней диффузии» скорость сушки отли-
чается от скорости испарения со свободной поверх-
ности и зависит от рода материала. Это объясняется
Re с п
3 000 0,51 0,58
10 000 0,38 0,62
30 000 0,21 0,68
тем, что в этом периоде испарение жидкости проис-
ходит не с геометрической поверхности образца, а внутри его (на некоторой
глубине), т. е. образуется зона испарения.
Скорость сушки в периоде постоянной скорости может быть выражена урав-
нением (20-1), но с коэффициентом b = fie, где:
F исп
F геом
здесь Еисп—действительная поверхность испарения;
Егеом - геометрическая поверхность.
Продолжительность периода постоянной скорости сушки мо-
жет быть определена по уравнению:
1 «н ~ <р
К “кр - “р
(20-5)
где /(—константа скорости процесса сушки, 1/сек;
и'п’ и'к ’ — начальное, критическое и равновесное влагосодержа-
ние материала, считая на абсолютно сухое вещество.
Период падающей скорости сушки. Скорость внутренней диф-
фузии зависит от толщины слоя материала, его структуры, физи-
ко-химических свойств жидкости и температуры материала. Влага
внутри твердого материала перемещается как в виде жидкости,
так и в виде пара под действием капиллярных сил и теплового
воздействия. Ввиду чрезвычайно большого количества факторов,
155
от которых зависит скорость процесса сушки в периоде падающей
скорости, математическое описание его чрезвычайно сложно.
Продолжительность периода падающей скорости сушки можно
определить в большинстве практических случаев только по экспе-
риментальным данным.
В технических расчетах можно допустить, что зависимость ме-
жду скоростью сушки и влагосодержанием материала в периоде
падающей скорости сушки характеризуется прямолинейной зави-
симостью, начиная от критического влагосодержания (рис. 20-1).
В этом случае продолжительность периода падающей скорости
сушки можно определить по приближенному уравнению
/ / I '
т2 = —----2- 2,3 lg -А (20-6)
* "к ~ "р
здесь и'к —конечное влагосодержание материала (в пересчете на
абсолютно сухое вещество).
Цель работы, I. Определение зависимости скорости сушки от
влагосодержания материала и нахождение константы сушильного
процесса Ц. II. Определение зависимости коэффициента скорости
сушки b от скорости воздуха и нахождение коэффициента е.
Описание установки (рис. 20-2)
Опытная установка, предназначенная для изучения процесса
воздушной сушки, состоит из сушильной камеры 1 прямоугольного
сечения шириной 0,15 м, высотой 0,2 м и длиной 0,7 м и циркуля-
ционного трубопровода 2 диаметром 0,15 м. Общая длина уста-
новки 3,5 м, высота 1,5 м.
Воздух подогревается электрическим калорифером 3 (состоя-
щим из четырех секций, каждая мощностью 2,2 кет), расположен-
ным в горизонтальной части циркуляционного трубопровода.
Регулирование заданной температуры воздуха производится
автоматически при помощи контактного гальванометра 4. Горячий
спай термопары помещен в воздуховод у входа в сушильную ка-
меру навстречу потоку горячего воздуха. Холодный спай помещен
в сосуд Дьюара, в котором поддерживается постоянная темпера-
тура, контролируемая термометром 51. Термопара соединена с кон-
тактным магнито-электрическим гальванометром, смонтированным
на щите. В цепь термопары введен двухполюсный рубильник для
проверки нуля контактного гальванометра.
Одна из секций электрического калорифера соединена с кон-
тактным гальванометром через электромагнитное реле 6 типа АР-1.
Питание реле и контактного гальванометра подается через пони-
1 Так как шкалу гальванометра градуировали при to=2O°C, т. е. при ком-
натной температуре, то в опытах эту температуру можно не контролировать.
1Б&
жающий трансформатор 120/12 в. Над контактным гальваномет-
ром помещено сигнальное устройство, состоящее из трех ламп.
При нормальной (заданной) температуре включается желтая лам-
па, при недогреве — зеленая, при перегреве — красная.
Подача воздуха в сушильную камеру производится венти-
лятором (№ 1) 7, который делает 950 об/мин и приводится во
Рис. 20-2. Схема воздушной циркуляционной сушилки:
1—сушильная камера; циркуляционный трубопровод; 3—калорифер; 4—контактный гальвано-
метр; 5 и 23—термометры; 5—реле; 7—вентилятор; 8, 9 и 10—задвижки; 11—диафрагма;
12 и /3—психрометры; /^—дифференциальный манометр; 15—весы.
вращение с помощью ременной передачи от электродвигателя
мощностью 0,8 кет.
Для регулирования расхода воздуха, сбрасывания части отра-
ботанного воздуха и засасывания свежего служит регулирующая
поворотная задвижка 8 внутри трубопровода и задвижки 9 и 10 на
патрубках.
Скорость и расход, воздуха, поступающего в сушилку, изме-
ряются нормальной диафрагмой 11с дифференциальным маномет-
ром 14, установленной на циркуляционном трубопроводе.
Для измерения относительной влажности воздуха до и после
сушильной камеры на трубопроводе установлены психрометры 12
и 13. Для измерения температуры воздуха, проходящего через диа-
фрагму, установлен термометр 16. Влажный материал распола-
гается внутри камеры 1 на рамке, закрепленной с одной из чашек
циферблатных весов 15 *, установленных на площадке над сушиль-
ной камерой. По мере высыхания материала стрелка весов меняет
1 Весы до 200 г с ценой деления 2 г.
157
Таблица 20-2 Высушиваемый материал—... Барометрическое давление В, мм рт. ст. Масса абсолютно сухого материал? Gc, г Скорость воздуха в камере w, м/сек Поверхность испарения F, м2 Константа скорости сушки К v Равновесная влажность ир, % Относительная влажность воздуха: до камеры <рх после камеры q>2 i Рассчитанные величины Л у" О 3 «О 1 О 1
влажность материала на абсо- лютно сухое вещество и', % 1
содержа- ние влаги в материале W, г - 1
убыль влаги ДГ, г 1
Пока- зания весов G, г 1
Показания дифферен- циального манометра Др. мм вод, ст.
Темпера- тура воздуха У диа- фрагмы *3. °C
Показания психрометров, °C на выходе мок- рого *2М
сухого *2
на входе мок- рого . бм
сухого 11 1
Интервал времени Дт, мин Среднее
Текущее время т, мин
№ замера
свое положение. При записи показаний весов через определенные
промежутки времени получают данные для построения кривой
«убыль влаги — продолжительность сушки».
Методика проведения работы и обработка результатов
I. Включают вентилятор и калорифер, установив задвижки 8,9
и 10 в определенное положение (в зависимости от желаемой ско-
рости и степени рециркуляции воздуха). Когда будет достигнута
Рис. 20-3. Зависимость
влагосодержания от време-
ни.
Рис. 20-4. Зависимость скорости сушки от влаго-
содержания.
заданная температура воздуха, на полки сушильной камеры по-
мещают влажный материал1 и начинают снимать (через интер-
валы 2—5 мин) показания контрольно-измерительных приборов.
Опыт заканчивают после того, как прекратится убыль веса ма-
териала.
Результаты опыта заносят в табл. 20-2.
Затем строят кривую «убыль влаги — время» и кривую «ско-
рость сушки — влагосодержание» (рис. 20-3 и 20-4) (на миллимет-
ровой бумаге в выбранном масштабе) 2. Из кривой «скорость
сушки — влагосодержание» определяют значение критического
1 Целлюлоза, картон и т. п.
2 При сушке сравнительно толстых образцов критическая влажность мате-
риала определяется как «приведенная» «кр.пр, поскольку критическая влаж-
ность отдельных тонких слоев достигается не одновременно. Определение
«кр.пр показано на рис. 20-4. В формулы (20-5) и (20-6) вместо икр подстав-
ляется «kP. пр.
159
158
влагосодержания и из уравнения (20-5)—константу сушильного
процесса.
Для определения скорости воздуха (в м]сек) в циркуляционном
трубопроводе пользуются формулой
(20-7)
где Ар — среднее за опыт показание дифференциального маномет-
ра, мм вод. ст.-,
а—коэффициент расхода, который в среднем может быть
принят равным 0,636;
d — диаметр отверстия диафрагмы, 75 мм;
D — диаметр трубопровода 150 мм;
р—плотность воздуха, кг]м3 (рассчитывают по среднему за
опыт значению /3).
Для определения скорости воздуха в сушильной камере делают
пересчет по формуле
Дц(273 +1)
/гк(273 + /3)
(20-8)
где FK и Рц — площади поперечного сечения камеры и циркуляци-
онного трубопровода соответственно;
/ — температура воздуха в камере (определяется как
среднее арифметическое значение из средних тем-
ператур t\ и t2).
IL Для нахождения зависимости коэффициента скорости сушки (5=08) от
скорости воздуха следует провести не менее трех опытов при различных скоро-
стях воздуха (температура иоздуха должна оставаться неизменной). Опыты мо-
гут быть кратковременными, так как достаточно снять необходимые показания
всех приборов в период постоянной скорости процесса. Практически достаточно
сделать 4—5 замеров для одного опыта.
В табл. 20-3 записывают измеренные (средние значения для каждого опы-
та) и рассчитанные величины для 4—5 опытов. В результате этих опытов на-
ходят зависимость коэффициента скорости сушки от скорости воздуха, коэф-
фициент 8, равный -frn .
Г геом
Для определения коэффициента сушки b необходимо найти скорость сушки
п . [в кг/(м2 сек.)] для периода постоянной скорости сушки, а также раз-
Г дт
ность концентраций пара у поверхности испарения и в окружающем воздухе
(движущую силу сушильного процесса) Дс (в кг/м3). Для этого надо предва-
рительно, по показаниям психрометров, определить соответствующие влагосо-
держания воздуха х (в кг/кг сухого воздуха) из I — х диаграммы Рамзина сле-
дующим образом: по показаниям мокрых термометров психрометров Лм и /2и
находят соответствующие влагосодержания Хи, и х2н на пересечении изотерм
с линией <р= 100% (рис. 20-5). Величины xt и х2 определяют в точках пересе-
чения изотерм 6 н t2 линиями 7= const, проходящими, через точки пересечения
изотерм 6м и /2м с линией ф=100%.
Средние значения влагосодержаний для данного опыта (в периоде постоян-
ной скорости) находят как среднее арифметическое из соответствующих
160
Таблица 20-3
Движущая сила процесса Дс, кг/м3
Концентрация влаги, кг/м3 в погра- ничном слое сп
в воздухе с
е Влагосодержание воздуха, кг/кг сухого воздуха в камере в погра- ничном слое ХИ
в воздухе X
иа выходе в погра- ничном слое хн
в воздухе Х2
иа входе в погра- ничном слое Х1н
в воздухе XI
Показания психрометра, °C иа выходе а 2 s ° О « S А*4
О X и
на входе мок- рого
сухого tl
№ опыта
й)
>. S Z с 00 со о £
Бароме- трическое давле- ние В, ММ рт. ст.
ж . s S д &Q.4) и «
-> рго,33
1 в , ss uf cxcx>. Nu'
Я _ 4.4 Г O gs-M •tr <u Jb, co ясч * **
Коэффи- циент скоппсти сушки в, | м/сек 1
Скорость сушки Д№ 5? - Q) <5 X
л Н СО i o£s о to * « О _ О и ® Р-3
Д О Я 1, о га X go „а* СиИ
® С s о ш h Ч 3 я С qn § 3 S-J- о.» Ч ’й и о
Темпе- ратура погра- ничного слоя
11 Зак, 1377
161
значений влагосодержаний воздуха до и после камеры, т. е. х = —1 , а
хп = *1Н 7) Х2Н (в кг/'кг сухого воздуха).
Затем определяют концентрацию влаги в воздухе с н ся (в кг/м3), для чего
полученные значения влагосодержаний умножают на плотность воздуха при
температуре t = 2 и находят Дс, а затем и р.
Определенные таким образом коэффициенты скорости сушки для четырех
опытов записывают в табл. 20-3, а затем строят график зависимости коэффи-
циента скорости сушки от скорости воздуха (рис. 20-6).
Рис. 20-6. Зависимость
коэффициента скорости
сушки от скорости воз-
духа.
Определение величины критерия Re не представляет затруднений после того,
как определена скорость воздуха в сушильной камере.
тт АТ ' bL
Для определения численного значения критерия Nuc = -p- (при сушке)
надо предварительно рассчитать коэффициент диффузии D (в м-/сек). В соот-
ветствующих справочниках находят значения Do либо при 0° С, либо при иных
условиях и делают пересчет по формуле
п - п ! 273 + \т 760
D D°\2Ti + t0) ’ В
где
/0—температура, при которой определено Do',
tn— температура паро-воздушной смеси в пограничном слое, и определяет-
ся как средняя арифметическая
риала, равной tM = —” - и
/ = Л±12 т е / - tu + t
2 > т- е- п 2 ’
т—постоянный коэффициент, равный
В—барометрическое давление, мм рт.
о ' Nuc
Зная величину Nu , легко определить значение А' = —, так как Рг*
Рг' '• ,
случая испарения воды в воздух можно принять равным 0,75 н Pr''Zs=0,91.
из температуры поверхности мате-
температуры окружающего воздуха
1,75—2,0;
СТ.
для
182
Nu„
Значения А' записывают в табл. 20-3, также как и значения А = ,033 , опре-
деленные по уравнению A = 0,38Re0’62 (из табл. 20-1).
Коэффициент е определяется из соотношения
Ь Nu'c А'
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
А. В. Лыков, Тепло- и массообмен в процессах сушки, Госэнергоиздат,
1956.
Работа 21
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ПОД ВАКУУМОМ
Введение
Одним из распространенных способов сушки в химической про-
мышленности является сушка под вакуумом. Во многих случаях
этот метод удаления влаги из влажных материалов имеет неоспо-
римые преимущества перед сушкой воздухом или топочными га-
зами.
Основные технологические преимущества вакуум-сушки сле-
дующие:
1. Сушка под вакуумом идет быстрее, чем в атмосферных су-
шилках (при прочих равных условиях), так как с уменьшением
давления в сушилке увеличивается разность давлений паров влаги
над материалом и в окружающей среде.
2. Обеспечивается сушка при низких температурах.
3. При вакуум-сушке возможно улавливание ценных летучих
растворителей.
4. Процесс вакуум-сушки не зависит от атмосферных условий,
следовательно, можно полностью удалить влагу из материала.
5. Наличие герметически закрытой системы позволяет создать
стерильную среду, что предохраняет высушиваемый материал от
загрязнения.
6. Исключается выделение вредных газов и паров из сушилки
в окружающий воздух, что особенно важно при сушке ядовитых
продуктов.
Сушку под разрежением можно проводить в сушилках перио-
дического и непрерывного действия.
К периодически действующим сушилкам относится вакуум-су-
шильный шкаф. Тепло, необходимое для процесса испарения вла-
ги, подводится через греющую поверхность. Под влиянием темпе-
ратурного градиента возникает диффузия влаги в направлении к
поверхности испарения и ее парообразование.
11*
183
В зависимости от температурного режима процесса и вакуума
парообразование может начаться в первую очередь в слое, сопри-
касающемся непосредственно с греющей поверхностью. Образовав-
шийся пар будет конденсироваться, соприкасаясь с более холод-
ными слоями, нагревая их и частично испаряя находящуюся в них
жидкость.
Таким образом, процесс вакуум-сушки является типичным тер-
модиффузионным процессом.
При достаточно большой разности температур между греющей
поверхностью и материалом последний дает усадку и в нем обра-
зуются трещины, через которые выходит пар, образовавшийся в
нижних слоях материала. В этом случае общая физическая кар-
тина процесса настолько усложняется, что становится невозмож-
ным количественно оценить влияние отдельных факторов на об-
щий ход процесса.
Тогда единственно надежной характеристикой процесса являет-
ся кривая «убыль влаги — время», полученная опытным путем.
При сушке материалов на греющей поверхности под вакуумом
наблюдается так же, как и при сушке в токе нагретого воздуха,
период постоянной скорости сушки и период падающей скорости
сушки (рис. 21-6 и 21-7, стр. 172).
В периоде постоянной скорости сушки поверхность материала
покрыта пленкой влаги, и процесс определяется скоростью диф-
фузии образовавшихся паров в окружающую среду.
В периоде падающей скорости сушки процесс определяется ин-
тенсивностью подвода влаги из микрокапилляров к поверхности.
Решающим в этом периоде является сопротивление внутренней
диффузии.
В том случае, когда тепло подводится к материалу через по-
верхность, противоположную той, с которой происходит испарение,
температура поверхности испарения в первом периоде несколько
выше температуры мокрого термометра, а температура слоев, ле-
жащих ниже, выше температуры поверхности.
Температура каждого слоя материала остается постоянной в
течение периода постоянной скорости сушки и повышается в пе-
риоде падающей скорости, приближаясь к температуре греющей
поверхности к концу процесса.
Ввиду того, что процесс вакуум-сушки характеризуется чрезвы-
чайно большим количеством факторов и представляет собой сово-
купность ряда одновременно протекающих сложных процессов —
кипения, испарения и конденсации,— происходящих в мельчайших
порах и капиллярах влажного тела, а также неустановившегося
процесса теплопередачи, то математическое описание этого про-
цесса чрезвычайно затруднительно.
Так, например, нами получена зависимость количества испарен- -
ной при сушке под вакуумом влаги от температуры греющей по-
верхности, остаточного давления в сушильном шкафу, толщины
слоя высушиваемого материала и продолжительности сушки. Эта
1М
зависимость для периода постоянной скорости сушки имеет вид:
, , в'х. ( т \7’75 ( Р Г0’4
HtJ Ы (2М)
где и\ и и — влагосодержание материала начальное и текущее
соответственно, кг/кг сухого вещества;
Tj — продолжительность сушки (в периоде постоянной
скорости), сек;
/г —толщина слоя материала, м;
Т — температура греющей поверхности, 0 К;
Р — остаточное давление, мм рт. ст.;
Во — величина, характеризующая влагоотдачу материала
в периоде постоянной скорости сушки, определяемая
из опыта, при некоторых фиксированных условиях
процессах То и Ро (в м/сек);
В0 = “ Ро (“п ~ “пр)
(21-2)
Здесь So —скорость сушки (в кг/м2•сек) при То и Ро;
рс — плотность абсолютно сухого материала, кг/м3;
₽0— коэффициент испарения (в м/сек) при То и Ро;
и' ни — действительная и равновесная поверхностная влаж-
П Пр
ность материала, кг/кг сухого вещества.
Для периода падающей скорости сушки расчетное уравнение
имеет вид: г .
и Ко'Х'% / т \7,3 / р ''“°'2
1П -г- = --j-H— —
“кр h ’ \ То / \ Р0
где пкр — критическое влагосодержание материала, кг/кг сухого ве-
щества;
Ко — средняя влагопроводность материала при То и Ро, м2/сек;
Bq — характеризует среднюю влагоотдачу материала в пери-
оде падающей скорости при То и Ро, м/сек;
^ — продолжительность сушки (во II периоде), сек.
Для того чтобы применить на практике уравнения (21-1) и
(21-2), надо знать следующие величины:Во, Во, Ко и цкр, которые
определяют для каждого материала при фиксированных условиях
процесса, например при 7’0=313°К, Ро=76О мм рт. ст.
Цель работы—получение опытным путем .кривой убыли влаги
со временем, температурных кривых материала, а также критиче-
ского влагосодёржания, которое находят из кривой «скорость суш-
ки— влагосодержание материала» (рис. 21-7, стр. 172).
Имея эти данные, следует рассчитать по уравнениям (21-1) и
(21-2) продолжительность сушки материала в периоде постоянной
скорости и в периоде падающей скорости сушки (до заданного
влагосодержания и') и сравнить с продолжительностью, получен-
ной из опыта.
165
Описание установки
Вакуум-сушильный шкаф 1 представляет собой чугунную, гер-
метически закрывающуюся камеру (рис. 21-1) с размерами вну-
треннего пространства 350X350X300 мм.
Шкаф снабжен двумя смотровыми окнами, расположенными
друг против друга, и накладной стальной дверцей, прижимаемой
Рис. 21-1. Общий вид вакуум-сушнльного шкафа:
Z-вакуум-сушильный шкаф; 2—прибор для фотозаписи;
5—весовое устройство.
к фланцу шкафа болтами. На верхней крышке сушильного шкафа
установлены: прибор 2 для фотозаписи изменения веса сушимого
образца и весовое устройство 3.
На задней стенке вакуум-шкафа имеется кран для присоедине-
ния к вакуум-насосу и регулировки вакуума.
На рис. 21-2 изображено схематическое устройство вакуум-
шкафа. Нагрев плиты, подвешенной к рычагу весов, осуществляет-
ся при помощи электронагревательного устройства. Коромысло
весов с противовесом вынесено за пределы шкафа. Для сохране-
ния герметичности шкафа передача нагрузки на рычаг весов осу-
ществляется следующим образом: нагревательная плита подвеше-
на на трех проволочных нитях, проходящих через отверстия в
крышке шкафа и имеющих сальниковые уплотнения. Верхние, кон-
цы проволок, выведенные за пределы шкафа, прикреплены соот-
ветственно в трех местах к чугунной крышке стакана, которая
166
соединена при помощи металлической ленты с правым плечом ко-
ромысла.
К крышке присоединен полый металлический стакан, нижней
своей частью погруженный в сосуд, наполненный ртутью. Глубина
погружения стакана в ртуть является функцией веса материала,
находящегося на греющей плите.
По мере высыхания материала, т. е. по мере уменьшения его
веса, стакан постепенно поднимается, всплывая в ртути. Когда
Рис. 21-2. Схема вакуум-сушильного шкафа:
1—вакуум-сушильный шкаф; 2—противень; 3 и 4—весовое устройство; 5—зеркало;
6—электролампа; 7—прибор для фотозаписи; 8—штуцер для присоединения
к вакуум-насосу; 9—греющая плита; 10—реле; //—контактный гальванометр;
12—термопары; 13—переключатель; 14—милливольтметр; 15—термостатнрующий
сосуд; 16—вакуумметр.
процесс сушки заканчивается, вес материала остается постоянным
и выдавливание стакана из ртути прекращается.
Для определения убыли влаги в материале служит автомати-
чески записывающее фотографирующее устройство. Принцип его
действия заключается в следующем: на оси рычага весов (рис. 21-2)
укреплено зеркало 5, плоскость которого перпендикулярна к на-
правлению плеч рычага. Зеркало освещается под некоторым углом
электролампой.6 напряжением 1—2 в.
Между лампой и зеркалом имеется светонепроницаемая пе-
регородка с горизонтальной щелью. Луч света («зайчик»), отра-
женный от поверхности зеркала в виде горизонтальной поло-
ски, направляется через вертикальную щель футляра в барабан 7,
187
обернутый фотобумагой и вращаемый синхронным двигателем че-
рез редуктор.
По мере высыхания материала рычаг весов передвигается, вы-
зывая тем самым поворот зеркала. Незначительное изменение угла
наклона зеркала (по отношению к неподвижному источнику света)
дает значительный сдвиг зайчика по высоте барабана. Вращение
барабана с. движением
зайчика по высоте дает
на фотобумаге кривую.
Таким образом, запись
процесса сушки на фото-
бумаге получается в виде
кривой, опускающейся
сверху вниз.
Вся установка для фо-
тозаписи заключена в ме-
таллический кожух и
‘смонтирована на крон-
штейне вакуум-шкафа.
Создание вакуума и от-
сос паров производятся
высоковакуумным насо-
сом ротационного типа.
Контрольно-измеритель-
ное устройство состоит
из вакуумметра 16
(рис. 21-2), двух термо-
Рнс. 21-3. Принципиальная схема подключе-
ния термопар н автоматического регулиро-
вания температуры:
1, 2, 3 и 4—термопары; 5—греющая плита; в—проти-
вень; 7—переключатель; 8—милливольтметр; 9—кон-
тактный гальванометр; 10—двухполюсный рубильник;
11— реле; 12—реостат; 13—трансформатор; 14—сосуд
Дьюара.
S'
пар 1 и 2 (эти обозначения и следующие относятся к рис. 21-3),
заложенных в находящемся на противне влажном материале на
различной высоте слоя, и двух термопар 3 и 4, уложенных между
греющей плитой 5 и противнем с материалом.
Все термопары соединены через переключатель ПДЩЗМ1 7 с
милливольтметром 8, а термопара 4 — с контактным гальваномет-
ром 9, смонтированным на щите и регулирующим температуру
греющей плиты.
В цепь термопары 4 введен двухполюсный рубильник 10 для
установки нуля контактного гальванометра. Греющая плита со-
единена с сетью 120 в, в которую введены реле И типа АР-1 и
реостат 12. Питание реле 11, контактного гальванометра 9 и лам-
пы для фотозаписи подается через понижающий трансформатор
Тр (120/12 в) 13.
Во время опытов измерение температур внутри материала про-
изводится в двух точках.
Холодные концы термопар помещают в термостатирующий со-
суд (Дьюара) 14, температуру в котором измеряют обычным тер-
мометром.
1 Переключатель деревянный щеточный закрытый малый,
168
Зная температуру в термостатирующем сосуде, по градуиро-
вочной кривой находят поправку к показаниям милливольтметра 8.
Как уже указывалось, постоянство температуры греющей пли-
ты поддерживается контактным гальванометром 9. При повыше-
нии температуры контактный гальванометр через реле 11 размы-
кает цепь питания греющей плиты, и ее температура начинает па-
дать. При понижении температуры контактный гальванометр
вновь замыкает цепь питания плиты, и ее температура повы-
шается. Таким образом удается в небольшом интервале поддер-
живать постоянную температуру плиты. Термопара 3 служит для
контроля работы автоматического терморегулятора.
Методика проведения работы, обработка результатов
и отчет о работе
Влажный материал намазывают на металлический противень,
взвешивают и ставят на греющую плиту, предварительно нагре-
тую до нужной температуры.
В массу материала на противне через направляющие трубочки
вводят две термопары: 1 в верхний слой и 2 в нижний. После этого
дверцу шкафа герметически закрывают, наводят зайчик на верх-
нюю часть барабана с фотобумагой, включают фотозапись путем
открытия щели в кожухе и одновременно включают вакуум-насос.
Регулировку вакуума производят краном, находящимся на задней
стенке вакуум-шкафа (рис. 21-1).
Момент включения фотозаписи отмечают секундомером (на-
чало опыта).
В течение всего опыта через интервалы времени 5—10 мин про-
изводят запись показаний термопар 1, 2 и 3. Запись эксперимен-
тальных данных показана на следующем примере.
Опыт от . . . (дата).
Наименование влажного материала —
Условия опыта
Температура греющей плиты.................................
Остаточное давление.......................................
Масса влажного материала с тарой.....................
Масса высушенного материала с тарой . . . ............ .
Масса тары................................................
Масса влажного материала...................................
Масса высушенного материала...............................
Масса абсолютно сухого материала..........................
Количество испаренной влаги ..............................
Поверхность испарения.....................................
Толщина слоя материала....................................
t3, °C
Р, мм рт. ст.
г
г
г
G[, г
G2, г
Gc, г
^ИСП, г
F, м2
h, мм
Окончание процесса сушки (полное удаление влаги из мате-
риала в данных условиях) определяют по показаниям термопар 1
и 2 — /1 и /2’. когда материал подсыхает, повышается температура
169
Таблица 21-1
Время, мин Остаточное давление, мм рт. ст. Показания термопар
<1 (верх) (2 (низ) /3 (греющая плнта)
Мв °C Мв °C Мв °C
не--только нижнего, но и верхнего слоя материала, которая
остается постоянной после того, как вся влага из материала будет
удалена.
По окончании опыта необходимо выключить установку (вакуум-
насос, электролампу, электродвигатель барабана, нагреватель
греющей плиты), вынуть и взвесить противень с материалом и
проявить фотозапись.
Зная количество абсолютно сухого материала, можно опреде-
лить содержание влаги в материале в начале и конце процесса и
количество испаренной при сушке влаги.
Таким образом, в результате опыта получают следующие дан-
ные:
1. Кривую фотозаписи процесса убыли влаги.
2. Показания термопар 1, 2 и 3 (ii, t2 и t3).
3. Массу материала до и после сушки Gi и G2.
4. Показания вакуумметра (остаточное давление).
Для построения температурных кривых материала показания
термопар tj. и t2, пересчитанные с помощью градуировочной кри-
вой, наносят на миллиметровую бумагу в зависимости от времени
сушки (рис. 21-4).
На этом же графике необходимо построить кривую по показа-
ниям термопары 1з-
Полученную кривую фотозаписи, т. е. кривую убыли влаги в
материале во время сушки, необходимо перенести (переколоть)
на лист миллиметровой бумаги (рис. 21-5). Проекция кривой на
ось абсцисс дает продолжительность всего процесса сушки, а про-
екция кривой на ось ординат — количество влаги, удаленной из
материала за время сушки (равное разности масс материала до
и после сушки)
И^исп = О] — Gj
где G1 — масса влажного материала, а;
G2— масса высушенного материала, г.
Зная количество удаленной влаги 1ГИСп и продолжительность
опыта т, можно найти масштабы координатных юсей делением со-
170
Таблица 21-2
№ точки Текущее время т, сек Интервал времени Дт, сек Убыль влаги Содержание влаги W, г Влажность материала иа абсолютно сухой вес ц', % Скорость сушки дтг FAT кг/(м2-сек)
Д, мм ДП7, г
1 2 3 4 5 6 7 8
ответствующих значений ^исп или т на соответствующую коорди-
нату кривой.
На основании полученной (на миллиметровой бумаге) кривой
убыли веса (рис. 21-5) и найденных масштабов осей координат
надо составить таблицу, необхо-
димую для построения кривой
«скорость сушки — влагосодер-
жание материала» по следующе-
му образцу (табл. 21-2).
Для заполнения табл. 21-2 кри-
вую убыли влаги надо точками
Рис. 21-4. Температурные
кривые материала.
Рнс. 21-5. Кривая убыли
влаги со временем (по фото-
записи).
разбить на ряд участков (через интервалы времени 5—10 мин).
В графу 4 табл. 21-2 заносят значения убыли влаги (в мм), полу-
ченные как разность ординат за соответствующие интервалы вре-
мени, а значения графы 5 получают умножением значений преды-
дущей графы на величину масштаба оси ординат.
171
Значения графы 6 (содержание влаги в материале) равны
разности между весом высушенного и весом абсолютно сухрго ма-
териала.
В графу 7 табл. 21-2 заносят влагосодержание материала в
процентах на абсолютно сухое вещество, которое получают деле-
нием соответствующих значений графы 6 на вес абсолютно сухого
вещества и умножением на 100. Значения графы 8 — скорость
сушки получают делением убыли влаги Д№ (в кг) на данный про-
межуток времени (в сек) Дт и на
поверхность испарения F (в м2).
После составления расчетной таб-
лицы строят кривые «влагосодер-
жание— время» (рис. 21-6) и «ско-
рость сушки — влагосодержание»
Т
Рис. 21-6. Зависимость
убыли влаги от времени.
Рис. 21-7. Зависимость ско-
рости сушки от влагосодер-
жания материала.
(рис. 21-7), из которой находят критическое влагосодержание ма-
териала Икр-
Время сушки, полученное опытным путем, сравнивают с вре-
менем, рассчитанным по уравнениям (21-1) и (21-2).
Продолжительность первого периода:
г = (“'1 ~ Цкр)
1 о' ( Р Г0,4 ( Т V’75
°\Ро) \rj
Продолжительность второго периода сушки:
т2 = -2,31g
u7i1,8
а' V 0»8 r0,2
“кр^О “о
Общее время сушки (за исключением времени, необходимого
на подогрев материала):
Т = Tj +
172
Работа 22
ИСПЫТАНИЕ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ
Введение
Барабанные сушилки широко применяют в химической и дру-
гих отраслях промышленности для сушки различных сыпучих ма-
териалов. В зависимости от свойств высушиваемого материала
выбирают температуру сушильного агента (воздуха или дымовых
газов), а также схему направления потоков (противоток или пря-
моток).
Барабанные сушилки по принципу действия подразделяют на
три группы:
1. Сушилки прямого действия, в которых сушильный агент не-
посредственно соприкасается с высушиваемым материалом.
2. Сушилки непрямого действия, в которых сушильный агент
не соприкасается с материалом, а все необходимое тепло пере-
дается материалу через стенку.
3. Сушилки смешанного действия, в которых сушильный агент
передает материалу часть тепла через стенку, а часть — путем
непосредственного соприкосновения.
Наибольшее распространение имеют барабанные сушилки пря-
мого действия.
Цель работы — практическое ознакомление с работой барабан-
ной сушилки и определение основных величин, характеризующих
эффективность сушильной установки: удельного расхода топочных
газов и тепла, напряжения сушилки по испаряемой влаге, объем-
ного коэффициента теплопередачи и др.
Удельный расход топочных газов, кг сухого газа!кг испаренной
влаги:
где х2 и %! — влагосодержание газов на выходе и на входе, соот-
ветственно, кг влаги/кг сухого газа.
Удельный расход тепла (в кдж/кг испаренной влаги):
q = 71 ~-7°- (22-2)
Х2 — Х1 _
где Ц и /0 — энтальпия газов на входе в сушилку и атмосферного
воздуха, соответственно, кдж)кг сухого газа.
Объемный коэффициент теплопередачи, втЦм? • град):
К — Фпол
V Убар Д'ср
где QnOji~ тепло, затраченное на нагрев материала и на
ние влаги (полезное), вт;
У бар- объем барабана, л3;
Д/Ср-средняя разность температур между газами
риалом, град.
(22-3)
испаре-
и мате-
173
Коэффициент заполнения сушилки (в %):
Тсуш^под" 100 ,
₽ = -^-^7---- (22-4)
V бар
где тсуш — продолжительность пребывания материала в сушилке,
сек;
Упод — скорость (объемная) подачи материала в сушилку,
м3/сек.
Тепловой к. п. д. установки:
= Опол
<?ж
(22-5)
где Qp —высшая теплотворная способность газообразного топ-
лива (при сушке топочными газами), поступающего в
топку сушилки, кдж!кг\
Уг —расход газа (топлива), м?1сек',
рг — плотность газа, кг/м3.
Описание установки
Основной частью сушильной установки является вращающийся
барабан 1 (рис. 22-1) диаметром 250 мм и длиной 3 м с перемен-
ным углом наклона *. На барабане имеются два бандажа 2, каж-
дый из которых катится по двум опорным роликам 3, укрепленным
на металлической раме, и зубчатый венец 4, служащий для приве-
дения барабана во вращение от электродвигателя 5 через редуктор.
Для регулирования числа оборотов барабана (в пределах от 4 до
12 об]мин) установлен мотор постоянного тока мощностью 0,5 кет.
Для предохранения барабана от сползания имеются два упорных
ролика1 2 3. Изменение угла наклона барабана достигается с по-
мощью винта 6.
Влажный материал из бункера 7 при помощи ленточного пита-
теля 8 поступает по лотку 9 в сушилку, пройдя предварительно
ячейковый питатель 10, необходимый для обеспечения герметич-
ности установки.
Внутри барабана имеется насадка 11, состоящая из четырех
уголков размеров 50X50 мм, прикрепленных шпильками к стен-
кам барабана3. Назначение насадки — дать за один оборот бара-
бана возможно большее число пересыпаний материала. Со сторо-
ны входа газов установлено кольцо 12, препятствующее высыпа-
нию материала, а на выходе имеется подпорное кольцо 13,
обеспечивающее большее заполнение барабана материалом и уве-
личивающее таким образом время пребывания его в сушилке. При
1 Производственные сушилки имеют чаще всего постоянный угол наклона.
2 Два упорных ролика (на рис. 22-1 не показаны) установлены для того,
чтобы установка могла работать по принципу прямотока и противотока. Про-
изводственные сушилки устанавливают либо на прямоток, либо на противоток.
3 Подробнее о конструкции насадки см, [1].
174
вращении барабана материал проходит вдоль сушилки, причем
продвижение частиц происходит во время их падения как за счет
наклона барабана, так и вследствие относа частиц потоком су-
шильного агента.
Сушка производится смесью с воздухом топочных газов, полу-
чающихся при сгорании бытового газа. Из сети газ, расход кото-
рого измеряется счетчиком 14, поступает в горелки 15, которыми
инжектируется воздух. Воздух, необходимый для разбавления про-
дуктов сгорания, подсасывается через щель за счет некоторого
Рис. 22-1. Схема барабанной сушилки:
2—барабан; 2—бандажи; 3—опорные ролики; 4—зубчатый венец; 5—электродвигатель;
винт; 7—бункер; 8—питатель; 9—лоток; 10—ячейковый питатель; И—насадка; 12 и
/3—кольца; 14—газовый счетчик; 15—горелки; /5—вытяжной вентилятор; /7—приемник;
/8-цнклон; 19, 20 и 23—термометры; 21—психрометр; 22-расходомер.
разрежения, создаваемого вытяжным вентилятором 16. Величину
щели, а следовательно, и количество подсасываемого воздуха
можно регулировать.
Высушенный материал выгружается в приемник 17, а отрабо-
танные газы поступают в циклон 18, в котором происходит улав-
ливание материала (пыли), унесенного с газами1.
Отсасывание газов из циклона производится вытяжным венти-
лятором 16. Барабан покрыт слоем тепловой изоляции толщиной
50 мм.
Температуру поступающих в сушилку газов измеряют термо-
метром 19. Температуру газов, уходящих из сушилки, измеряют
термометром 20, их влагосодержание — психрометром 21, а количе-
ство — при помощи расходомера 22. Влагосодержание атмосфер-
ного воздуха измеряют психрометром, установленным в помещении.
1 Лабораторная установка ЛТИ в качестве пылеулавливающего устройства
имеет мокрый скруббер, одновременно охлаждающий газы.
175
Количество загружаемого влажного материала определяют
следующим образом: до начала работы измеряют производитель-
ность питателя взвешиванием выходящего из него материала в те-
чение некоторого промежутка времени и определяют таким обра-
зом количество материала, проходящего через сушилку за время
опыта, а затем и за 1 ч.
Количество высушенного материала определяют взвешиванием
приемника до и после опыта, а его температуру — термометром 23.
Расход газа измеряют обычным газовым счетчиком.
Методика проведения работы и обработка результатов
Сушильную установку прогревают до установившегося режима
(по заданию). Одновременно в бункер загружают влажный мате-
риал в количестве, необходимом для опыта, отобрав предвари-
тельно пробу для анализа. Отбор проб производят на специаль-
ном столе по методу квадратов. Затем определяют насыпную мас-
су материала и его влажность *.
Когда режим установится (показания термометров 19 и 20
остаются постоянными), включают вентилятор и мотор барабана и
начинают загрузку материала. Регистрацию показаний контрольно-
измерительных приборов производят каждые 5—10 мин. Время
пребывания материала в барабане (продолжительность сушки)
определяют от момента окончания загрузки до момента прекраще-
ния высыпания материала из разгрузочного конца барабана. По
окончании опыта высушенный материал взвешивают, из него отби-
рают пробу (методом квадратов) для определения насыпного веса
и влажности. Затем приступают к обработке опытных данных.
Отчетная таблица
№ по пор. Время т, мин / Показания газового счетчика Уг, Показания психрометров, °C Температура материала, С Показания дифмано- метра Др, мм вод, ст. Температура газов, °C
атмосферный воздух отходящие газы влажного Ох высушенного ^2 иа входе t\ на выходе /2
сухого мокрого *0м сухого /з мокрого *3М
Среднее . .
1 Для определения влажности материала следует воспользоваться одним из
экспресс-методов (например, карбидным или при помощи радиовлагомера).
170
В таблице приведена форма записи наблюдений; ниже дается
методика расчета.
Условия опыта
Высушиваемый материал.................. •
Угол наклона барабана .....................
Число оборотов барабана....................
Продолжительность пребывания материала в су-
шилке .....................................
Барометрическое давление...................
Влажность материала до сушки...............
Влажность материала после сушки............
Количество влажного материала..............
Количество высушенного материала (в прием-
нике) .....................................
Теплоемкость абсолютно сухого материала . . .
Продолжительность опыта ...................
Насыпная плотность влажного материала . . .
Насыпная плотность высушенного материала . .
Теплотворная способность газа .............
Плотность газа.............................
Расход газа................................
а
п, об/мин
Чунь
П, мм рт. ст.
«1, %
«2. % ,
glt кг/опыт или G2, кг/сек
g2, кг/опыт или G|, кг/сек
с, кдж/кг град
т, мин
рН1, кг/м3
рн2, кг/м3
Qp, кдж/кг
рг, кг/м3
УГ = 1,5 м3/опыт
Расчет. 1. Количество испаренной в сушилке влаги (в кг/сек}
рассчитывают по формуле
2. Количество высушенного материала (в кг/сек) находят по
уравнению
G^G.-W
3. Количество уходящих из сушилки газов (сухих) определяют
из выражения
, Ус. г 0,785£>2га
Нуд Нуд
где D — диаметр воздуховода, по оси которого установлена
трубка Пито — Прандтля, равный 0,1 м;
w — средняя скорость газов в воздуховоде, м/сек',
УУд-удельный объем уходящих газов, м?/кг сухого газа.
а) Скорость воздуха определяют из выражения:
w = 0,9
где Др — показание дифференциального манометра трубки Пито —
Прандтля, мм вод. ст.\
р— плотность газов при температуре t, кг/м3.
б) Удельный объем (в м3/кг сухого газа) уходящих газов на-
ходят по формуле:
12 Зак. 1377
17/
где — газовая постоянная для смеси газов, уходящих из су-
шилки
Г —температура уходящих газов, °К;
р — парциальное давление водяных паров, мм рт. ст.
Для определения парциального давления необходимо знать
влагосодержание уходящих газов х2, которое находят из I— х диа-
граммы по показаниям психрометра 21.
4. Количество водяных паров (в кг!сек), уходящих из сушил-
ки, находят по формуле:
IF2 = 1‘Х2
5. Влагосодержание газов (в кг влаги!кг сухого газа), посту-
пающих в сушилку, вычисляют по уравнению:
где IFi = IF2—W кг!сек.
6. Удельный расход газов (в кг сухого газа)кг влаги) опреде-
ляют по формуле (22-1):
Хг — %!
7. Удельный расход тепла (в кдж]кг влаги) рассчитывают по
формуле (22-2):
Значения энтальпий Л и /0 взяты из диаграммы I — х по t\, Xi
и t0, toM-
8. Напряжение сушилки [в кг/(м3 • сек)] по испаряемой влаге
находят по формуле:
9. Объемный коэффициент теплопередачи определяют по урав-
нению (22-8):
К = Qno.i
KjapA/cp
где Qnon=^(2493 + l,97f2-ai) + G2c2(a2-Oi), em;
д/ер = г град.
Здесь ,0’1 и ^ — начальная и конечная температуры материала, °C;
с2 — теплоемкость высушенного материала, кджЦкг'
• град).
1 Ввиду того что продукты сгорания газа разбавлены большим количеством
воздуха, Rr можно брать как для воздуха.
178
10. Коэффициент заполнения сушилки рассчитывают по фор-
муле (22-4):
_ тСуШцП0Д • 100
lz6ap
11. Тепловой к. п. д. установки определяют по формуле (22-5):
Т) = @пол
Qp^rPr
Работа 23
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Введение
Сушка влажных материалов — один из наиболее распростра-
ненных технологических процессов в химической промышлен-
ности. Разнообразие свойств материалов, подвергающихся сушке,
вызывает необходимость создания различных конструкций сушиль-
ных аппаратов. На многих производствах для интенсификации ря-
да технологических процессов, связанных с взаимодействием твер-
дой дисперсной фазы с газовой (или жидкой) фазой, используют
установки взвешенного (кипящего, псевдоожиженного) слоя. К та-
ким процессам относится процесс сушки зернистых материалов в
кипящем слое. Преимуществом этого метода сушки является пре-
жде всего простота и малые габариты аппаратов Ч
Установки для сушки материалов в кипящем слое могут рабо-
тать как в периодическом, так и в непрерывном режимах.
При периодическом процессе влажный материал загружают
единовременно в аппарат, высушивают до заданного влагосодер-
жания, после чего выгружают из аппарата. Такой режим процесса
обычно применяют в малотоннажных производствах. Если мате-
риал, подлежащий сушке, подают в аппарат непрерывно и высу-
шенный материал также непрерывно выгружают из аппарата, то
такой режим называют непрерывным и применяют как в мало-
тоннажных, так и в многотоннажных производствах.
Установку непрерывного действия, как правило, легче автома-
тизировать, что отвечает современным требованиям к промышлен-
ному оборудованию.
По физической схеме взаимодействия влажной частицы с по-
током сушильного агента сушка в кипящем слое является разно-
видностью процесса конвективной сушки и обезвоживание отдель-
ной частицы также может идти как в периоде постоянной, так и
в периоде падающей скорости сушки.
1 О гидравлике взвешенного слоя см, работу 9.
12*
178
При работе по непрерывной схеме, вследствие интенсивного пе-
ремешивания материала в кипящем слое, разные его порции на-
ходятся в зоне сушки различное время и, следовательно, частицы
выгружаемого материала имеют различное содержание влаги (от
влагосодержания исходного материала до влагосодержания рав-
новесного с параметрами сушильного агента). Неравномерность
по влагосодержанию в выгружаемом продукте может быть лишь
уменьшена в той или иной степени в сушилках, работающих со
слоем малой высоты и с направленным перемещением слоя. Прак-
тически полная равномерность сушки материала в кипящем слое
может осуществляться только при периодическом режиме работы
аппарата. Однако в большинстве случаев некоторая неравномер-
ность в конечной влажности высушенного материала несуществен-
на, и технологов интересует только среднее влагосодержание вы-
гружаемого из сушилки материала, которое все частицы приобре-
тают при хранении на складе.
Цель работы — ознакомление с работой сушилки кипящего
слоя и определение основных характеристик процесса.
Описание установки (рис. 23-1)
Экспериментальная установка непрерывного действия состоит
из собственно цилиндро-конической камеры 1, которая в нижней,
узкой, своей части имеет сетку 2, предохраняющую материал от
проваливания в подводящий трубопровод в случае прекращения
подачи сушильного агента (воздуха). Цилиндро-коническая форма
аппарата наиболее универсальна. Такие аппараты можно приме-
нять для сушки полидисперсных материалов широкого фракцион-
ного состава, для сушки комкующихся и пастообразных материа-
лов, растворов и суспензий. Широкие возможности сушильного ап-
парата связаны с тем, что значительная линейная скорость тепло-
носителя в меньшем сечении аппарата способна поддерживать во
взвешенном состоянии наиболее крупные частицы и, при сушке
пастообразных материалов, комки влажной пасты. Кроме того,
более крупные частицы или комки нуждаются в более длительном
пребывании в зоне сушки, в более высоких скоростях теплоноси-
теля и повышенных температурах. Оба эти требования обеспечи-
ваются в цилиндро-коническом аппарате. Действительно, крупные
куски материала стремятся опуститься в нижнюю, более узкую,
часть аппарата, где более высокие скорости газа и температура,
так как в верхней его части скорости сушильного агента слишком
низки для поддержания их во взвешенном состоянии. Так как вы-
грузка сухого продукта производится с верхнего уровня кипящего
слоя, то вероятность выгрузки крупной, еще влажной частицы,
невелика.
Корпус сушилки имеет два продольных смотровых окна с под-
светкой для визуального наблюдения за кипящим слоем 3,.
180
Влажный материал подается в сушильную камеру из бункера
4, внутри которого на вертикальном валу с небольшой скоростью
вращается проволочный рыхлитель и шнек. Такой питатель обес-
печивает равномерную подачу слабокомкующихся сыпучих про-
дуктов. Выгрузку сухого продукта можно производить через по-
рог с регулируемой высотой. К разгрузочному патрубку через тол-
стостенный резиновый шланг герметично подключена приемная
емкость 5. Герметичность необходима для обеспечения беспере-
бойной выгрузки сухого продукта после выравнивания давлений
в сушилке и в приемнике и во избежание подсосов .воздуха из по-
мещения. В верхней части сушилки предусмотрено отверстие для
заполнения ее материалом перед пуском.
181
Сушильный агент (воздух) засасывается из помещения венти-
лятором 6, проходит электрический калорифер 8 и поступает в су-
шильную камеру. По выходе из сушилки воздух проходит циклон
9, где улавливаются мелкие частицы материала, вынесенные из су-
шилки с воздухом.
Расход воздуха устанавливается задвижкой 7 и измеряется
нормальной диафрагмой 11 с подключенным к ней дифференци-
альным микроманометром 12. Температура воздуха перед сушил-
кой измеряется и регулируется электронным гальванометром 13,
подключенным к электрокалориферу. Калорифер питается от сети
трехфазного переменного тока 220 в. Одна секция калорифера:—
регулируемая.
Температура и влагосодержание воздуха, поступающего в су-
шилку 10 и х0, измеряются психрометром 14, а температура и вла-
госодержание воздуха, покидающего аппарат (t,2 и х2), — психро-
метром 15, расположенным за сушилкой.
Методика проведения работы
Вариант I. Перед опытом в бюкс отбирают несколько граммов
материала исходной влажности. Бюкс взвешивают и ставят в су-
шильный шкаф на сушку до постоянного веса. После достижения
постоянного веса бюкс снова взвешивают. Влагосодержание ис-
ходного материала определяют по следующей формуле
бел — бсух.
U, =--------
бсух - бб
где ^вд—масса бюкса вместе с влажным материалом;
йсух-масса бюкса с высушенным материалом после сушиль-
ного шкафа;
gf, — масса пустого бюкса.
Сушильную камеру загружают сухим материалом в количе-
стве, достаточном для создания кипящего слоя нужной высоты.
(Верхняя граница кипящего слоя должна находиться примерно
на уровне разгрузочного отверстия.) Количество начальной за-
грузки задается преподавателем.
Включают вентилятор и с помощью регулирующей задвижки
устанавливают нужный расход воздуха. При этом загруженный в
сушилку материал переходит в состояние кипящего слоя. Далее
включают электрокалорифер (регулятор на гальванометре 13
установлен на заданную температуру). Как только воздух, вхо-
дящий в сушилку, будет иметь постоянную температуру, можно
начать загрузку влажного материала. (Общее количество влаж-
ного материала предварительно взвешивают.) Одновременно с на-
чалом загрузки открывают шибер на выгрузном патрубке и начи-
нают выгрузку материала через сливной порог в сборник 5.
Как только в зону сушки начнет поступать влажный продукт,
температура сухого термометра 15, установленного на выходном
182
патрубке аппарата 1, начнет понижаться. Регистрируя эту темпе-
ратуру через определенные промежутки времени, получают так
называемую кривую разгона аппарата. После того, как темпера-
туры сухого и мокрого термометров 15 на выходе из сушилки пере-
станут изменяться во времени, можно считать, что аппарат вышел
на стационарный режим работы. Время, прошедшее от начала
пуска влажного материала до стационарного (установившегося)
режима бпер, характеризует инерционные свойства аппарата. По
достижении стационарных значений температур психрометра 15
выгрузку продукта из аппарата переключают на другую емкость.
Время переключения фиксируется в качестве начального для ста-
ционарного режима работы (0СТац)- Основные измерения, необхо-
димые для последующего расчета, производятся при стационарном
режиме (табл. 23-1). Частота измерений задается преподавате-
лем.
Таблица 23-1
i * == е ! § Н h । & go g&S iy Ifg ю s я О S я | Перепад давления в диа- 1 фрагме Лрд, мм вод. ст. 1 I Температура сухого термо- 1 метра для исходного возду- ха to, °C ® 5 g g 22 О ®S 2Й 2 и 3 о и "О 1Й 21 s s -г h 2§ h у я< и к §2 § Сал 2 g 2 и gag. я “ з & 5 5 и я * S s' « * и |1 ё я § Время работы в стационар- | ном режиме ест, сек |
Вариант II. Пуск установки производят так же, как и в ва-
рианте I, но работу проводят без определения влажности мате-
риала (ввиду длительности анализа на влажность).
Пусковой период соответствует моменту от начала работы до
выхода аппарата на стационарный режим. Для этого загружают
в сушилку через питатель постепенно 1,5—2,5 кг влажного мате-
риала и наблюдают за показаниями контрольно-измерительных
приборов. Когда режим установится (постоянство температуры
воздуха на входе в аппарат и его расхода, постоянство показаний
психрометра для воздуха на выходе из сушилки и гидравличе-
ского сопротивления аппарата), то после того как бункер пита-
теля освободится от влажного материала начинают опыт, загру-
жая в сушилку через питатель (постепенно) 5—6 кг влажного ма-
териала и регистрируя (по секундомеру) продолжительность его
подачи в сушилку. Основные измерения, необходимые для после-
дующего расчета, заносят в табл. 23-1а.
183
Таблица 23-la
Количе- влажного риала, Перепад давлений, мм вод. ст. Текущее Показания психрометра Темпера- тура воздуха на входе в сушил-
фрагме APg в сушилке Др на входе на выходе
сухого мокрого сухого мокрого
Обработка опытных данных1 *
1. Расход сушильного агента (воздуха) (в кг/сек,)-.
где d0 — диаметр отверстия диафрагмы, м\
р0 — плотность воздуха при /0, кг/м3-,
а—коэффициент расхода диафрагмы (задается);
Ард — перепад давления на диафрагме, мм вод. ст.
2. Влагосодержание воздуха на входе (х0) и на выходе (х2)
из сушильного аппарата определяют из I — х диаграммы по из-
вестным значениям to,
to и t2, t-2 (рис. 23-2).
3. Расход абсолютно сухого воздуха
(в кг сухого воздуха/сек)-.
L-Th
4. Производительность аппарата по су-
хому материалу (в кг/сек) в стационарном
режиме работы
Рис. 23-2. Определение
влагосодержания возду-
ха хо и х2 из диаграм-
мы I — х.
и производительность по влажному
с ^вл
'-'вл в о 4- А
”стэц ‘ ^пер
5. Производительность по абсолютно сухому материалу (в кг
абс. сухого материала/сек):
г — ^вл
°абс. сух = 1 + Uj
1 Обработка опытных данных дается применительно к варианту I. При ра-
боте по варианту II после расчета по пунктам 1, 2 и 3 находится производи-
тельность по испаренной влаге п. 6, по влажному и по высушенному материалу,
а затем, начиная с п. 8 и до конца, расчет проводится также как в варианте I.
184
6. Производительность аппарата по испаренной из материала
влаге (в кг влаги/ч)-.
W = L (х2 — Хо) 3600
7. Из уравнения материального баланса по испаряемой влаге
определяют конечное влагосодержание выгружаемого материала:
W
Сабе. сух(Ч1 — Ч2) = W", U2 — U-i---
иабс. сух
8. Удельный расход абсолютно сухого воздуха (в кг сухого
воздуха[кг влаги)-.
, L
l=w-
9. Расход тепла (в вт) на сушку (тепло, подводимое к сушиль-
ному агенту в электрокалорифере):
Q = L [cB(^i — /о) + ХдСп(^1 /»)] = ^о) (гв + XqCu)
где са и са — соответственно теплоемкости сухого воздуха и пара,
дж! (кг • град).
10. Удельный расход тепла (количество тепла, пошедшее на
испарение из материала 1 кг влаги) (в дж/кг влаги)-.
11. Тепловой коэффициент полезного действия исследуемой
установки:
где г — теплота парообразования при атмосферном давлении,
дж]кг.
12. Удельный влагосъем с 1 л2 сечения цилиндрической части
[в кг влаги/(сек • м2) или кг влаги/(ч • м2)]:
где S — сечение цилиндрической части сушилки, м2.
185
Все рассчитанные величины сводят в итоговую табл. 23-2.
Таблица 23-2
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
П. Г. Романков, Н. Б. Р а ш к о в с к а я, Сушка во взвешенном состоя-
нии, Изд. «Химия», 1968.
Работа 24
ИСПЫТАНИЕ ЭКСТРАКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Введение
Экстрагированием называется извлечение одного или несколь-
ких компонентов из смеси веществ путем обработки ее жидким
растворителем, обладающим способностью избирательно раство-
рять только извлекаемые компоненты. Область использования экс-
трагирования очень обширна — это нефтехимическая, химическая,
пищевая и лесохимическая отрасли промышленности, а также
ядерная энергетика.
. Жидкостная экстракция — извлечение растворителем целевого
компонента из гомогенной жидкой смеси —- применяется в тех
случаях, когда разделить исходную смесь ректификацией либо не-
возможно (образование азеотропа, недостаточная термическая
стойкость), либо невыгодно (затраты тепла на ректификацию
вследствие близости температур кипения больше, чем на экстрак-
цию и последующую отгонку растворителя из продуктов разделе-
ния). Примеры промышленного применения жидкостной экстрак-
ции: получение капролактама; концентрированной уксусной кис-
лоты, рафинирование смазочных и растительных масел; извлече-
ние фенола из сточных вод.
Основные требования к растворителю. Он должен: 1) хорошо
растворять извлекаемое вещество и не растворять (или ограни-
ченно растворять) другие компоненты смеси; 2) иметь плотность,
значительно отличающуюся от плотности обрабатываемой жид-
кости.
Предел перехода вещества из фазы в фазу достигается при
установлении равновесия между ними. Для двух несмешивающих-
ся жидкостей А и С распределение третьего вещества В следует
закону распределения:
(24-1)
Экстрагент Ра/ринат
Рис. 24-1. Схема противо-
точной экстракционной уста-
новки.
где у* — равновесная концентрация вещества В в растворителе С;
х — концентрация вещества В в растворителе А.
Коэффициент распределения k зависит от температуры и кон-
центрации растворенного вещества. В области разбавленных рас-
творов k с достаточной точностью может
величиной. Как следует из уравнения
(24-1), линии равновесия в координатах
у—х соответствует прямая линия, про-
ходящая через начало координат с на-
клоном k.
Для осуществления процесса экстрак-
ции подлежащую разделению исходную
смесь и растворитель приводят в тесный
контакт смешиванием в специальных
аппаратах, называемых экстракторами.
По окончании процесса извлечения об-
разовавшиеся фазы разделяют отстаи-
ванием или центрифугированием. После-
дующая обработка фаз заключается в
выделении извлеченных веществ и реге-
нерации растворителей нагреванием, вы-
париванием, ректификацией и другими
способами.
Методы осуществления процесса жид-
костной экстракции и аппаратура для
нее весьма разнообразны.
При противоточной экстракции (рис. 24-1) исходная смесь GF
(раствор извлекаемого компонента В в первичном растворителе
А) и экстрагент Gs (регенерированный вторичный растворитель С
со следами компонента В) поступают соответственно в верхнюю
и нижнюю части экстракционной колонны и движутся в ней про-
тивотоком благодаря различию в плотностях. Экстрагент, подни-
маясь вверх, извлекает растворенное в исходной смеси вещество,
образующийся, раствор — экстракт 0Е выводится из колонны свер-
ху. Первичный растворитель исходной смеси по мере движения
вниз освобождается от извлекаемого компонента; очищенный пер-
вичный растворитель — рафинат GR выводится из колонны снизу.
При такой организации движения жидкостей внизу колонны сла-
бый раствор экстрагируемого вещества обрабатывается свежим
растворителем, благодаря чему обеспечивается наиболее полное
извлечение экстрагируемого компонента.
быть принят постоянной
186
187
Материальный баланс экстрактора
Уравнение общего материального баланса экстракционной
установки имеет вид
GF + GS = GR + GE (24-2)
по экстрагируемому веществу —
Gfxf + Gsys = GRxR + GEyE
(24-3)
Когда взаимная растворимость первичного и вторичного рас-
творителей ничтожна (т. е. когда ею можно пренебречь), количе-
ство каждого из них постоянно по высоте колонны. Тогда уравне-
ние материального баланса по экстрагируемому компоненту при-
водится к виду:
Ga(^f-^) = gc(^-</s) (24-4)
где х и у — относительные массовые доли,
кг экстрагируемого компонента В кг экстрагируемого компонента В .
кг первичного растворителя А кг вторичного растворителя С ’
Ga и Gc — массовые расходы первичного и вторичного раствори-
телей, кг/сек^
Из уравнения (24-4) следует:
(24-5)
Это уравнение в прямоугольных координатах характеризует
собой прямую, проходящую через две точки (ys, *r) и (уЕ, хР) с
наклоном Ga/Gc-
Массопередача при экстрагировании
При экстрагировании извлекаемое вещество переходит из фазы
в фазу путем диффузии. Скорость процесса переноса массы тем
больше, чем больше степень диспергирования, чем чаще обнов-
ляется поверхность контакта, образованная каплями дисперсной
фазы, чем больше относительная скорость движения фаз друг от-
носительно друга. Процесс массопередачи осложнен явлениями
коалесценции капель, самопроизвольного эмульгирования, конвек-
цией внутри капель и другими. Повышение эффективности работы
экстрактора достигается сообщением потокам извне дополнитель-
ного количества энергии путем механического перемешивания,
пульсаций и другими способами.
Количество вещества dM, переходящее из фазы в фазу в еди-
ницу времени в элементе аппарата с поверхностью контакта dF,
определяется уравнением массопередачи:
dM = KvF{y*-y)dF (24-6)
где Кур — коэффициент массопередачи, отнесенный к единице по-
верхности контакта;
(У* ~ У) — движущая сила массопереноса.
При наличии двухфазного потока поверхность контакта фаз
непосредственно не может быть определена. Поэтому как при ис-
следовании работы экстракторов, так и при их проектировании
обычно пользуются уравнением:
dM = KyVf(y* - y)dH (24-7)
где Kyv — коэффициент массопередачи, отнесенный к единице
объема аппарата;
f—поперечное сечение аппарата;
Я —высота аппарата.
Коэффициенты KyV и Куе связаны друг с другом соотношением:
KyV = aKyF (24-8)
где а — поверхность контакта фаз, заключенная в единице объема
аппарата.
Величина коэффициента массопередачи зависит от физических
свойств системы, конструкции аппарата, гидродинамического ре-
жима его работы.
Интегрирование уравнения (24-7) в сочетании с уравнением
материального баланса приводит к следующему выражению для
высоты зоны контакта:
G 4
н-тф- J <24-9)
vs
Безразмерная величина Ny= | у*^-у называется числом
У8
единиц переноса. Комплекс GdKyvf — hv имеет размерность длины
и носит название высоты единицы переноса (ВЕП). Величина hy
характеризует собой эффективность работы аппарате.
В случае прямолинейных рабочей и равновесной зависимостей:
где
» Д(/ср
(24-10)
In-Si.
д//н
д(/в = Ур ~ Ур> Ур — kxE
&Ун = Уз~ У$’ Fs ~
18«
189
Изменение составов рафината и экстракта по высоте аппарата
схематически изображено на рис.. 24-2.
Аналогично определяется эффективность массопередачи по
фазе рафината (фазе х). Кроме того, эффективность массопере-
дачи может быть оценена и другими способами: посредством объ-
емного коэффициента массопередачи высоты, эквивалентной
одной теоретической тарелке — ВЭТТ, к. п.д. ступени ns и др.
Цель работы. Ознакомление с работой противоточной экстрак-
ционной установки, экспериментальное определение высоты h,j,
эквивалентной одной единице переноса.
Описание установки (рис. 24-3)
Экстрагент—дистиллированная вода и подлежащая разделе-
нию исходная смесь ацетона в четыреххлористом углероде посту-
пают самотеком из напорных емкостей 1 и 2 через расходомеры
(ротаметры) 3 и 4 в роторно-дисковый экстрактор 5. Очищенный
от ацетона растворитель отбирается снизу экстрактора с помощью
сифонной трубки 6 и собирается в приемник 9. Четыреххлористый
углерод используется многократно после восстановления требуе-
мой исходной концентрации (xF = 34-5%). Экстракт —раствор
ацетона в воде — выводится из экстрактора сверху и сливается в
канализацию.
Воздух из колонны и емкостей при их заполнении удаляется
в атмосферу. Во избежание образования вакуума в линиях выхода
из колонны рафината и экстракта, что может привести к неравно-
мерной разгрузке и не позволит отбирать пробы, сифонные трубки
сообщаются с атмосферой.
Приготовление смеси ацетона с четыреххлористым углеродом
осуществляется в приемной емкости 9, куда ацетон загружается
через воронку и перемешивается насосом 10. Емкость 8 служит
хранилищем дистиллированной воды. Транспортировка смеси и
воды в напорные емкости / и 2 производится насосами 7 и 10.
190
Роторно-дисковый экстрактор
(рис. 24-4), состоящую из двух
диаметром 45 мм, соединенных
5 представляет собой колонну
стеклянных труб с внутренним
между собой с помощью двух
Рис. 24-3. Экстракционная установка:
/ — четыреххлористый углерод; II — вода; III — линии для вы-
пуска воздуха и паров в атмосферу; 1 и 8 — емкости для воды;
2 и 9 — емкости для четыреххлористого углерода; 3 и 4 — ро-
таметры; 5 —экстрактор; 6 — сифонная трубка; 7 и 10 — насосы;
11—21 — вентили: П — пппЛииим
крышек и промежуточного фланца. На крышках экстрактора име-
ется по два штуцера — для входа и выхода жидкостей. По оси
экстрактора проходит вал, опирающийся на подпятник — шарик.
На валу укреплены горизонтальные диски диаметром 32 мм с рас-
стоянием друг от друга 17 мм (высота одной рабочей секции) с
помощью распорных втулок. Весь комплект стянут сверху и снизу
стяжками. Рабочая секция образуется двумя кольцами статора,
191
1
SSSdS
Вход легкой разы Выход тяжелой (разы
Рис. 24-4. Устройство экстрактора:
/ — шкив; 2 — крышка; 5 —корпус; 4 —кольцо; 5 —диск; 6 —втулка;
7—фланец; 5 —вал; 9-подпятник (шарик).
посередине ее находится диск. Всего в колонне 50 секций общей
высотой 850 мм. В верхней и нижней частях экстрактора располо-
жены отстойные зоны высотой 170 мм каждая. Вращение вала
производится электродвигателем через ременную передачу. Смена
шкивов позволяет менять число оборотов ротора экстрактора.
Вращение ротора обеспечивает дробление одной из фаз в кап-
ли (четыреххлористый углерод), перемешивание фаз, обновление
поверхности контакта, турбулизует систему и тем самым создает
необходимые предпосылки для осуществления перехода извлекае-
мого компонента из исходной смеси в экстракт.
Расходы жидкостей регулируются вентилями. Для отбора проб
фаз служат пробники.
Напорные емкости 1 и 2 (рис. 24-4) снабжены сливными тру-
бами. Все емкости имеют указатели уровня.
Физические свойства системы
Растворимость воды в четыреххлористом углероде 0,0084%,
растворимость четыреххлористого углерода в воде 0,0077%.
и*
Коэффициент распределения ацетона & = -^- = 3,3 (где у* и
х— равновесные концентрации ацетона в водном слое и слое четы-
реххлористого углерода, относит, масс. доли). Коэффициент рас-
пределения k постоянен до х=0,05.
Плотность четыреххлористого углерода 1600 кг/м3, плотность
5% раствора ацетона в четыреххлористом углероде 1530 кг/м3.
Методика проведения работы
Подготовка установки (выполняется дежурным лаборантом).
1. Залить в бак 8 дистиллированную воду: в бутыль с водой опустить ре-
зиновый шланг линии загрузки, открыть вентили 11, 12, 13, включить двига-
тель насоса 7. По окончании загрузки вентили 11 и 13 закрыть.
2. Заполнить водой напорную емкость 1.
3. Приготовить исходную смесь в емкости 9: загрузить четыреххлористый
углерод из бутыли через воронку (или сняв ее), создав в бутыли необходимое
избыточное давление (с помощью резиновой груши). Через воронку залить в
емкость 9 рассчитанное количество ацетона. Содержимое емкости 9 перемешать
насосом 10, для чего открыть вентили 19 и 20. Вентиль 21 должен быть закрыт.
Перемешивание вести 30 мин, после чего закрыть вентиль 20.
4. Заполнить исходной смесью емкость 2 с помощью насоса.
5. Осторожно слить из экстрактора 5 отстоявшийся в нем слой четырех-
хлористого углерода в емкость 9, открыв вентиль 18.
6. Экстрактор 5 заполнить водой, открыв вентиль 15.
Пуск установки (только с разрешения преподавателя).
1. Включить двигатель экстрактора.
2. С помощью регулировочных вентилей 15 и 17 по ротаметрам
3 и 4 установить заданные преподавателем расходы экстрагента
и исходной смеси и поддерживать их в течение всего опыта
Ул = 4^8л/</;-^ = 0,54-2).
13 Зак. 1377
193
3. При протоке через экстрактор трехкратного объема жидко-
стей приступить к отбору проб четыреххлористого углерода (проб-
ники П2 и П3) на определение в нем содержания ацетона. Анализ
рефрактометрический.
Запись наблюдений вести с момента подачи фаз в колонну
через каждые 10—15 мин (см. таблицу).
Таблица наблюдений
Время Расход экстрагента Расход исходной смеси Содержание ацетона в ис- ходной смеси Содержание ацетона в ра- финате Положение границы раздела фаз Н
деление по рота- метру л!ч деление по рота- метру л/ч Пр отн. масс. д. nR отн. масс. Д. низ, мм верх. мм
Среднее расчетное значение для установившегося режима (из последних
трех проб):
По достижении установившегося режима работы опыт считает-
ся законченным. Необходимо:
1. Прекратить подачу экстрагента и исходной смеси — закрыть
вентили 15 и 17.
2. Выключить электродвигатель экстрактора.
Оставшиеся от опыта пробы слить в специальную емкость с
надписью «слив».
Обработка опытных данных
1. Содержание ацетона в экстракте подсчитать по уравне-
нию материального баланса (24-4):
ga(xf ~ xr) = gc(^e ~^s)
Массовый расход экстрагента (воды):
Gc = 'zc!Jc
Массовый расход первичного растворителя (четыреххлористого
углерода):
г - '/р9р
А * 1 + XF
184
здесь Vc и Vf —объемные расходы экстрагента и исходной смеси,
м?1сек.\
рс и pF — их плотности, кг!мъ\
Хр — содержание ацетона в исходной смеси, относит,
масс. доля.
2. Определить по уравнению (24-10) число единиц переноса Ny.
3. Высота, эквивалентная одной единице переноса:
Ираб.ч.
Ny
Высота рабочей части экстрактора 850 мм.
13*
ГЛАВА IV
ТЕХНИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Работа 25
ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Введение
Многие технологические процессы протекают при более низ-
ких температурах, чем те, которые могут быть получены при есте-
ственном охлаждении водой или воздухом. Охлаждение до темпе-
ратур ниже температуры окружающей среды называется искус-
ственным. Искусственный холод широко используют в химической
Рис. 25-1. Принци-
пиальная схема ра-
боты холодильной
машины
промышленности для сжижения паров и газов,
для разделения газовых смесей путем ректифи-
кации при низких температурах, для кристалли-
зации, для отвода тепла реакции и т. д.
В компрессионных машинах охлаждение до-
стигается за счет отдачи тепла испаряющейся
жидкости (холодильному агенту). По второму
закону термодинамики тепло, отводимое при
охлаждении, не может само переходить от тела
с более низкой температурой к окружающей
среде, имеющей более высокую температуру. По-
этому производство холода обусловлено затра-
той в холодильных машинах механической или
тепловой энергии. Искусственное охлаждение
чаще всего осуществляют паровыми компрес-
сионными машинами.
Тепло Qo (холодопроизводительность), отво-
димое от охлажденного тела или потока посред-
ством испарения холодильного агента при низкой
температуре, передается затем охлаждающей среде — воздуху или
воде для последующей конденсации паров при более высоком дав-
лении и температуре.
Для осуществления такой передачи тепла необходима затрата
энергии Ql (работа компрессора), которая превращается в тепло
и также передается охлаждающей среде.
Принципиальная схема работы холодильной машины показана
на рис. 25-1.
Для осуществления непрерывного процесса охлаждения холо-
дильные установки собирают по принципу замкнутой цепи, состоя-
щей из аппаратов и вспомогательных устройств для сжатия паров
196
и соответствующем давлении.
Рис. 25-2. Схема паровой компрессион-
ной холодильной машины:
I — испаритель; 2 — компрессор; 3 —конденса-
тор; 4 — дроссели
температура конденсации, а сле-
и понижения давления. В этих установках циркулирует определен-
ное количество холодильного агента, изменяющего лишь свое агре-
гатное состояние при испарении и конденсации.
Паровая компрессионная холодильная установка состоит из
следующих частей: испарителя 1, компрессора 2, конденсатора 3
и регулирующего вентиля (дросселя) 4, соединенных между собой
трубопроводами (схема установки на рис. 25-2).
Испаритель служит для испарения жидкого холодильного
агента при низкой температуре ”
этом отнимается от охлаж-
даемой среды количество теп-
ла Qo-
Компрессор служит для
сжатия паров холодильного
агента, отсасываемого из ис-
парителя. Сжатие паров сопро-
вождается некоторым пере-
гревом.
В конденсаторе осуществля-
ется конденсация сжатых ком-
прессором паров холодильного
агента, что достигается отво-
дом тепла от них к охлаждаю-
щей среде — воде или возду-
ху. Чем выше температура
охлаждающей среды, тем выше
довательно, и давление.
Регулирующий вентиль (дроссель) служит для регулирования
поступления в испаритель жидкого холодильного агента. При про-
ходе через узкое сечение вентиля происходит торможение или
дросселирование жидкости. В результате этого процесса давление
жидкого холодильного агента в регулирующем вентиле падает от
давления конденсации до давления испарения с соответствующим
понижением температуры (если при этом работает компрессор,
отсасывающий образующиеся в испарителе пары). Циркуляция
холодильного агента в холодильной машине осуществляется рабо-
той компрессора, который является наиболее ответственной частью'
компрессионной холодильной установки.
Изучаемая компрессионная холодильная машина ИФ-49 имеет
одноступенчатый двухцилиндровый компрессор.
В качестве холодильного агента в системе циркулирует фре-
он-12 (дифтордихлорметан CF2CI2), применяемый в поршневых
компрессорах малой и большой производительности при умерен-
ных (до —60°С) температурах испарения. Фреон-12 — бесцвет-
ная прозрачная жидкость, отличающаяся чрезвычайной текуче-
стью через малейшие неплотности в соединениях и через поры
металла. Фреон безвреден, не имеет запаха, не горюч и по отно-
шению к металлам нейтрален.
14 Зак. 13П
187
Кроме фреона-12 применяют в холодильных машинах в каче-
стве холодильных агентов аммиак, сернистый ангидрид, хлористый
метил, хлористый этил, двуокись углерода, этилен, этан,, метан,
бутан, фреон-11, 13, 22, 113, дихлорметан и др. 5
Процессы, происходящие с холодильными агентами в холо-
дильных машинах, изображают в диаграммах состояния этих ве-
ществ— энтропийной Т — S и энтальпийной Р — i.
Так цикл паровой компрессионной машины с одноступенчатым
сжатием характеризуется так называемым сухим ходом компрес-
сора (перегревом паров при сжатии), переохлаждением жидкого
холодильного агента после конденсации паров и дросселированием
Рис. 25-3. Холодильный цикл холодильной машины в координатах Т — S
и P — i.
в регулирующем вентиле. Согласно схеме одноступенчатой холо-
дильной машины (рис. 25-2) теоретический цикл ее в диаграммах
Т—S и Р—I (рис. 25-3) следующий:
1 — 2" — адиабата — сжатие в компрессоре сухих перегретых па-
ров от давления испарения Ри до давления конденса-
ции Рк\
2"—2' — изобара — охлаждение в конденсаторе сжатых и перегре-
тых паров до точки росы (пар становится насыщенным,
х= 1);
2' — 3 — изотерма и изобара — конденсация паров в конденса-
торе за счет отвода тепла от них охлаждающей водой или
воздухом;
3 — 3' — изобара — переохлаждение жидкого холодильного агента
в конденсаторе или отдельном переохладителе до темпе-
ратуры Ту переохлаждения более низкой, чем темпера-
тура конденсации, но при том же давлении;
3' — 4— изоэнтальпа — дросселирование в регулирующем вентиле
с падением давления и температуры;
4— Г' — изотерма и изобара—испарение и перегрев холодильного
агента в испарителе за счет подвода тепла от охлаждае-
мой среды (потока);
198
/' — / — изобара — некоторый перегрев паров холодильного агента
до температуры Л перегрева за счет подвода тепла от
охлаждаемой среды (потока в испарителе) (участок
(Г—Г') и за счет теплообмена с переохлаждаемым
(3' — 3) жидким холодильным агентом в специальном
теплообменнике (участок 1" — 1).
В цикле изучаемой машины ИФ-49 осуществляется переохлаж-
дение жидкого фреона-12 (линия 3—3') и некоторый перегрев па-
ров перед всасыванием (линия 1'—1), что также несколько увели-
чивает холодопроизводительность, а также обеспечивает устойчи-
вую работу компрессора с сухим паром. Работа компрессора во
влажном цикле недопустима из-за возможных гидравлических
ударов.
Линия сжатия /—2 практически не совпадает с адиабатой
/—2". Так как компрессор всегда выполняется со специальным
воздушным охлаждением процесс сжатия в компрессоре идет с
отдачей тепла окружающей среде (воздуху), т. е. по политропе
/—2. При этом за счет некоторого отвода тепла от паров фреона
при сжатии несколько уменьшается работа сжатия.
Цель работы — практическое ознакомление с работой холодиль-
ной установки, экспериментальное определение холодопроизводи-
тельности, получаемой при заданных условиях, а также определе-
ние холодильного коэффициента, затрачиваемой мощности и дру-
гих характеристик холодильной установки.
Описание установки (рис. 25-4)
Установка состоит из испарителя 1, компрессора 2 (марки
2ФВ-6/3), сжимающего пары фреона до давления конденсации Рк,
конденсатора 3, терморегулирующих вентилей ТРВ (дроссель) 4,
регулирующих поступление фреона в испаритель (установка име-
ет два дросселя и два змеевиковых ребристых испарителя, рабо-
тающих параллельно), противоточного теплообменника 5 (где
жидкий фреон охлаждается до температуры переохлаждения Ту,
обмениваясь теплом с парами фреона, идущими на всасывание,
и перегревающимися то температуры перегрева Т\, фильтра 6,
служащего для улавливания загрязнений; осушителя 7, заполнен-
ного силикагелем и предназначенного для улавливания влаги.
Испарители заключены в специальную холодильную камеру 8.
Из испарителей пары фреона всасываются компрессором. В уста-
новке осуществляется замкнутый цикл охлаждения и нагрева воз-
духа. Вентилятор 9 подает воздух через холодильную камеру, в
которой помещены испарители.
Для регулирования расхода воздуха на нагнетательном трубо-
проводе установлена заслонка 10. Судить о расходе воздуха мож-
но по показывающему расходомеру // (кольцевые весы), датчи-
ком у которого является диафрагма 12. Воздух, охлаждаясь.
14*
199
проходит камеру сверху вниз. Перед вентилятором установлен
электрокалорифер 13, который нагревает охлажденный воздух.
Регулирование нагрева воздуха может осуществляться вклю-
чением двух секций калорифера. Мощность одной секции регули-
руется ЛАТРом (лабораторный автотрансформатор).
В змеевик конденсатора 3 холодильной установки подается
водопроводная вода через ротаметр 14, по показаниям которого
судят о расходе воды.
4
Т
Рис. 25-4. Схема холодиль-
ной установки:
--- фреон;------вода;
воздух;
1 — испаритель; 2 — компрессор;
3 — конденсатор; 4 — дроссель
ТРВ; 5 — теплообменник;
6 — фильтр; 7 —осушитель;
8 — холодильная камера; 9— вен-
тилятор; 10 — заслонка; // — рас-
ходомер; 12 — диафрагма; 13 — ка-
лорифер; 14 — ротаметр; /5—вен-
тиль.
Определение температур производится электронным мостом
(марки МСР1-01) — показывающим самопишущим, при подклю-
чении к нему соответствующих термометров сопротивления.
Подключение термометров к прибору осуществляется много-
точечным переключателем.
Датчиками температур воздуха до и после охлаждения, воды,
поступающей в конденсатор и выходящей из него, всасывания и
нагнетания фреона, переохлаждения жидкого фреона в теплооб-
меннике 5, перегрева паров фреона в испарителе являются тер-
мометры сопротивления.
Избыточное давление конденсации и испарения показывают
манометры.
Установка имеет и регулирующие приборы.
Терморегулирующий вентиль (дроссель) 4 (рис. 25-4 и 25-5) (марки ТРВ-2)
предназначается для автоматического регулирования количества жидкого фрео-
на, подающегося в испаритель холодильной машины. При этом в терморегули-
200
рующем вентиле происходит дросселирование жидкого фреона с давления кон-
денсации до давления испарения.
Количество жидкого фреона, проходящего через ТРВ, регулируется в за-
висимости от разности температур между испаряющимся фреоном в испарителе
и газообразным фреоном, отсасываемым из испарителя компрессором.
Чувствительным элементом этой температуры служит термопатрон 1
(рис. 25-5), плотно прилегающий к всасывающему трубопроводу и подсоединен-
ный к .ТРВ капиллярной трубкой 2. В патрон 1 заливается небольшое количе-
ство фреоиа-12, пары которого заполняют капиллярную трубку 2 и сильфон 3
ТРВ. Сильфон 4 заполняют пары фреона-12 — холодильного агента системы под
давлением испарения. При равенстве температур испарения и температуры' пос-
ле испарителя, т. е. при отсутствии перегрева паров фреона в испарителе, на
Рис. 25-6. Схема устрой-
ства реле давления
(РД-1):
Рис. 25-5. Схема устрой-
ства ТРВ (терморегули-
рующего вентиля):
1—термопатрои; 2—капилляр-
ная трубка; 3 и 4 —сильфо-
ны; 5 —диафрагма; 6 — стер-
жень соединительный;
7 —клапан; 8 — регулировоч-
ный вннт с пружиной.
/ — енльфон высокого давле-
ния; 2 —сильфон низкого да-
вления; 3 — электрокоитак-
ты; 4 — регулировочный винт
с пружиной; 5—магнит.
диафрагму 5 будут действовать одинаковые давления в обоих сильфонах, со-
ответствующие одной и той же температуре. При равенстве давлений клапан 7
плотно закрывает выход фреона в испаритель — испаряется жидкий фреон, уже
находящийся в испарителе. Температура после испарителя возрастает при пере-
греве. Пропорционально температуре возрастает давление в патроне и сильфо-
не 3, ио клапан остается закрытым до тех пор, пока не будет обеспечен пере-
грев на 14-2° С паров, поступающих в теплообменник 5 (рис. 25-4), что соот-
ветствует точке /" (рис. 25-3). Клапан открывается полностью при перегреве в
6 4-8° С и остается открытым при большем перегреве. Открытие клапана при
соответствующем перегреве регулируется вентилем и пружиной 8 (рис. 25-5).
При полностью открытом клапане машина работает с полной нагрузкой, по хо-
лоду. Таким образом, ТРВ регулирует подачу необходимого количества жид-
кого фреона в испаритель и, кроме того, не допускает работы компрессора во
влажном цикле. Перегрев же паров фреона перед всасыванием осуществляется
не только в испарителе, но и в теплообменнике (линия 1" — 1 рис. 25-3) за
счет переохлаждения жидкого фреона, идущего из конденсатора к дросселю.
Машина имеет, кроме того, реле давления (типа РД-1), которое включает
и выключает электродвигатель компрессора, когда уменьшается потребление хо-
лода.
Принцип действия реле ясен из рис. 25-6. Элементами, воспринимающими
изменение давления в системе, являются сильфоны высокого 1 и низкого 2
201
HI----2
давления, которые воздействуют на одну рычажную систему, предназначенную
для замыкания и размыкания электроконтактов 3 пускателя электродви-
гателя.
Одни сильфон 2 (датчик низкого давления) предназначен для автоматиче-
ской остановки электродвигателя при таком давлении всасывания (РИсп), кото-
рое соответствует наиболее низкой температуре кипения в испарителе при дан-
ном режиме работы установки и соответствующей настройке прибора (основная
регулировка натяжением пружины 4). При малом отводе холода ТРВ перекры-
вает впуск фреона в испаритель и РД останавливает электромотор компрессора,
так как сильфон 2 разжимается вследствие малого давления испарения. Когда
же давление паров фреона станет несколько больше давления, соответствующего
наименьшей температуре кипения фреона в данных условиях (это произойдет
из-за некоторого перегрева паров в замкнутом пространстве испарителя, так
как ТРВ закрыт и компрессор остановлен — не всасывает), то в этом случае
сильфон низкого давления сжимается, контакты 3
замкнутся и компрессор начнет работать — пода-
вать жидкий фреон через открывающийся ТРВ и
всасывать перегретые пары фреона. Давление в ис-
парителе снизится. Включения и выключения элект-
родвигателя будут следовать и далее.
Другой сильфон 1 (датчик высокого давления)
предназначен для автоматической остановки элект-
родвигателя при давлении в конденсаторе выше до-
пустимого (сильфон сжимается) и пуска при сниже-
нии этого давления (сильфон разжимается). Таким
образом, данный сильфон останавливает компрессор
при малой отдаче холода в испарителе, когда ТРВ
закрывается, а в конденсатор компрессор еще по-
дает фреои и давление в нем возрастает. Сильфон
высокого давления как бы дублирует действие силь-
фона низкого давления. В момент выключения дви-
гателя сильфоном 1 в конденсаторе максимальное
давление, а в испарителе минимальное давление,
воздействующее на сильфон 2, и оба они,
таким образом, работают на выключение двига-
теля компрессора. Компрессор останавливает-
ся.
При повышении давления в испарителе (перегрев) сильфон 2 сожмется,
включит электродвигатель компрессора, ТРВ будет открываться, и давление в
конденсаторе начнет падать. Таким образом, ТРВ и РД как бы дублируют свои
функции по регулировке работы машины.
Сильфои высокого давления РД служит, кроме того, предохранительным
устройством для конденсатора, препятствуя повышению давления выше предель-
ного выключением компрессора.
Для мгновенного разрыва или соединения контактов, во избежание искро-
образования, возможного при медленном их соединении или разъединении, уста-
новлен постоянный электромагнит 5.
На линии подачи воды в конденсатор установлен водорегулятор (марки
ИРВ-1,5), не имеющий прямого воздействия на работу машины в смысле ее
автоматизации, но он является прибором, повышающим ее экономичность в
эксплуатации. Водорегулятор устанавливает расход воды, достаточный для пол-
ной конденсации, но не более, так как жидкий фреон собирается в иижней ча-
сти конденсатора и практически ниже температуры конденсации не охлаждается
(линия 2—2'—3 на рис. 25-3). Водорегулятор устраняет бесцельный расход во-
допроводной воды во время стоянки компрессора, так как на это время он за-
крывает ее проход через конденсатор. Кроме того, он убавляет ее расход в зим-
нее время, когда вода холодная и потребность ее значительно меньше.
Действие водорегулятора происходит следующим образом (рис. 25-7): дав-
лением конденсации, воздействующим на резиновую мембрану 1 и через шток 2
на клапан 3, открывается проход воды,
202
Рис. 25-7. Схема устрой-
ства водорегулятора
(ИВР-1,5):
/ — резиновая мембрана;
2 —шток; 3 — клапан; 4 —ре-
гулировочный вннт и пру-
жина.
Регулировочная пружина 4 противодействует открытию клапана тем больше,
чем сильнее она сжата. Таким образом, при сильно сжатой пружине расход
охлаждающей воды будет меньше, а температура и давление конденсации выше.
Методика проведения работы
После изучения руководства пускают установку. Вначале, от-
крывая вентиль 15 (рис. 25-4), устанавливают по ротаметру 14,
заданный расход воды. Затем пускают компрессор и вентилятор 9,
установив заслонкой 10 по прибору 11 заданный расход воздуха.
Через 5 мин после пуска компрессора включают калорифер на за-
данную мощность (нерегулируемая секция включается полностью,
а регулируемая секция, мощность нагрева которой можно регули-
ровать ЛАТРом, по заданию.
Спустя 30 мин после пуска установки, приступают к снятию
показаний приборов. Измеренные величины записывают в соот-
ветствующие графы таблицы, в которую впоследствии при обра-
ботке полученных экспериментальных данных вносят и величины,
полученные расчетом.
Расход воздуха в пределах 0,0564-0,224 м^сек (или 2004-800 л3/ч).
Расход воды в конденсаторе в пределах 1,39-10"4 4-2,22 • 10~4 м3/сек (или
0,54-0,8 м3/ч).
Не рекомендуется охлаждать воздух до минусовых температур,
так как в этом случае установка и вся ее изоляция запотевает и
быстро выходит из строя. Кроме того, при большой температуре
охлажденного воздуха уменьшается температурный перепад с
окружающей средой, а следовательно, меньше тепловые потери
с поверхности холодильной камеры. Замеры параметров работы
установки производят после достижения ею установившегося ре-
жима работы. Об этом будет свидетельствовать неизменность тем-
пературы охлажденного воздуха t2 во времени.
Установку останавливают в следующем порядке: выключают
калорифер, затем компрессор, вентилятор и в последнюю очередь
отключают воду.
Построение цикла работы холодильной установки и расчет
производят по данным последних замеров, характеризующих уста-
новившийся режим работы установки.
Рабочие точки цикла, характеризующие состояние хладагента,
определяют следующим образом (рис. 25-3): 1' — по давлению ис-
парения, 1" — по температуре перегрева паров фреона в испари-
теле и давлению испарения, 1 — по температуре всасывания и
давлению испарения, 2— по давлению конденсации и температуре
нагнетания, 2' и 3— по давлению конденсации, 3'— по темпера-
туре переохлаждения жидкого фреона, 4 — как точка пересечения
линии постоянной энтальпии с изобарой, соответствующей давле-
нию испарения.
Энтальпию холодильного агента в соответствующих точках
цикла (в дж[кг) берут по диаграмме Т—S или Р—I.
203
Отчетная таблица
Рассчитанные величины U HlOOHlnOH ВИНЕН -оЕчеопои хнэийиффеои
29Я ‘)V qiooHtaow BBwaXvoxoBd
! холодильный I коэффициент нешгоИд
э
1 j холодопроиз- водитель- ность, вт ВВН1ГОЦ
BBHEairou
Измеренные величины избыточное давление фреона, ат Hd вииэбвпэи
51 rf hhHbohoVhoh
температура фреона, °C . //Ij Э1ГЭ1 -ибвиэи Я ЭЯ -9dJ9d9U Hdll
'ej HHHatfiK -EirX09d9U Hdu
ИИН -в1энлви ибн
ИИН -ВЯ1ЧЭВЭЯ иди
температура воды, °C нол^ квньэнол
ьвн? KBH4IfBhBH
1 температура I воздуха, °C 2; озои - HdtfJKEIfXO
T; кии -atfJKBirxo otf
ла^/gw ‘Д 1Ч1/ОЫ VOXJBcJ
udiawBiod кинвевяоц
xdoitft *д BxXtfeoH tfoxoBj
ц udawotfoxovd винвевхоц
•dou он
Обработка опытных данных и составление отчета о работе
Холодопроизводительность Qo установки может быть опреде-
лена:
1. Полезная холодопроизводительность Qo (по охлаждению
воздуха):
Q(>= Овозд • сВозд (ti — ii) вт
где бвозд- расход воздуха, кг/сек;
Свозд - теплоемкость воздуха, дж/(кг • град).
Величину с берут при средней температуре воздуха
. _ Л+/2
?с₽—2~
Расход воздуха определяют по формуле
Овозд = РРо Т , /
1 О + ‘1
где ро — плотность воздуха при 0°С и р = 760 мм рт.ст., кг/м3.
2. Полная (по нагреву воды в конденсаторе)
Qo = Q —
где Q — количество тепла, отдаваемое холодильным
агентом (фреоном) воде в конденсаторе, вт;
Ql= G (i2 — i\) — расход энергии, затрачиваемой компрессором, вт.
Здесь Q = ОвСвА^в!
GB = Крв — расход воды, кг/сек;
св = теплоемкость воды, дж/ (кг • град);
А/в = ^в. кон ^в. нач,
G —количество холодильного агента (в кг/сек), цир-
кулирующего в цикле, можно определить из фор-
мулы
б = -Л-
<2 ~ *3
Полная холодопроизводительность всегда больше Qo на вели-
чину тепловых потерь:
Qo = Qo + QnoT
Удельную холодопроизводительность на 1 кг циркулирующего
в системе холодильного агента (фреона-12) определяют по раз-
ности энтальпий в соответствующих точках цикла
— г4, дж/кг
Затрату работы на сжатие 1 кг хладагента рассчитывают как
qL=i2— ii- В конденсаторе от 1 кг фреона отнимается тепло
Рь — h т- 1з-
Рассчитывают индикаторный и полезный холодильные коэффи-
циенты установки.
204
205
1. Холодильный коэффициент машины (индикаторный) находят
по формуле:
Е = ~ ‘4
Ql Ql h ~ Ч
В этом случае учтена холодопроизводительность машины, за-
трачиваемая на охлаждение воздуха в холодильной камере и за-
траченная на потери холода с поверхности этой камеры.
2. Полезный холодильный коэффициент определяют лишь с
учетом холодопроизводительности, затраченной на охлаждение
воздуха в холодильной камере:
_ Qo
Еполезн ~~ "75—
Холодильные коэффициенты характеризуют экономичность ма-
шины, так как дают соотношение количества получаемого холода
и работы, затраченной в цикле.
Теоретическую мощность, расходуемую компрессором, опреде-
ляют по формуле
Nt 1000 1000
Коэффициент использования мощности компрессора находят
по уравнению
1VT
т) = т,----------
Л^э.дЛ/ЛмехНпЛэ.д
где ^.д = 2,7 кет—мощность электродвигателя компрессора;
т]мех = 0,85-ь0,9— механический к. п. д. компрессора;
т)п = 0,95 — к, п. д. передачи;
Лэ. д = 0>97— к. п.д. электродвигателя;
т)/ — индикаторный к. п. д. компрессора, которым
учитывается отличие действительного рабо-
чего процесса от теоретического (изэнтропи-
ческого). Для небольших фреоновых ком-
прессоров T)f берут в зависимости от отноше-
р
ния -р^ по следующей таблице:
2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6
Л/ 0,73 0,73 0,72 0,71 0,7 0,68 0,66 0,63
В отчет о выполненной работе должны быть включены:
а) схема установки;
б) цикл работы машины в координатах Т—5 и Р—I,
208
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Н. С. Комаров, Холод, Пищепромиздат, 1953.
2. Н. С. Комаров, Справочник холодильщика, Машгиз, 1962.
3. А. М. Розенфельд, А. Г. Ткачев, Холодильные машины и аппа-
раты, Госторгиздат, I960.
Работа 26
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО ЭФФЕКТА ДРОССЕЛИРОВАНИЯ
СЖАТОГО ВОЗДУХА
«
Введение
Дросселированием называется адиабатический необратимый
процесс понижения давления потока газа (или жидкости) при про-
хождении редукционного вентиля (дросселя) или другого суже-
ния. При дросселировании совершается работа против внутренних
сил притяжения между молекулами, что сопровождается охлаж-
дением газа.
Энергетический баланс такого процесса может быть выражен
уравнением
2 2
— Wf
~ 2g 1 (26-1)
где wy и — линейные скорости потока газа до и после дросселя;
g— ускорение свободного падения;
Z] и i2 — энтальпии 1 кг перерабатываемого газа до и после
дросселя.
Обычно w^wz и отсюда Следовательно, процесс дрос-
селирования можно рассматривать как процесс, идущий при по-
стоянной энтальпии.
Изменение температуры реального 1 газа во время дросселиро-
вания носит название эффекта Джоуля—Томсона. Этот эффект
можно выразить в дифференциальной и интегральной формах.
Дифференциальный эффект а, равен отношению бесконечно
малого изменения температуры газа к бесконечно малому измене-
нию давления:
(26-2)
Практически за дифференциальный эффект дросселирования
считают изменение температуры при перепаде давлений в 1 ат.
Эффект, наблюдающийся при больших изменениях давления,
называется интегральным. Наиболее удобно определять значение
интегрального эффекта Джоуля—Томсона по диаграммам со-
стояния.
1 Для идеальных газов энтальпия не зависит от давления. Отсюда следует,
что при дросселировании ii=12=const и при этом температура идеального газа'
останется неизменной. Таким образом, в этом случае эффект Джоуля —Том-
сона равен нулю.
207
На рис. 26-1 изображена диаграмма Т—S. Линия 2—1 соответ-
ствует процессу дросселирования воздуха от давления р2 до более
низкого давления pi. При этом температура воздуха падает на
Д7’=7’2-7’,1.
Для расчета процессов глубокого охлаждения большое значе-
ние имеет «тепловое» выражение эффекта Джоуля — Томсона
или так называемый изотермический эффект дросселирования Мт,
который представляет собой разность энтальпий сжатого (перед
дросселем) и расширенного газа при оди-
наковой температуре начала дросселиро-
вания:
Рис. 26-1. Диаграмма со-
стояния воздуха.
А/?. -I.
Известно, что:
А/у.
с
ср
(26-3)
(26-4)
где ср — теплоемкость газа при постоян-
ном давлении.
В процессе непрерывного охлаждения
и дросселирования понижение темпера-
туры продолжается до тех пор, пока не
будет достигнута температура ожижения. Цикл ожижения воздуха
изображен на диаграмме Т—S (рис. 26-1).
В установку поступает сжатый воздух с энтальпией i2 и выхо-
дит воздух низкого давления с энтальпией ц и жидкость с энталь-
пией io-
Для реального цикла тепловой баланс, отнесенный к 1 кг пере-
рабатываемого воздуха, можно записать в виде следующего урав-
нения:
z*2 + z/пот — 1*оХ + / (1 X)
(26-5)
где <7П0-г — потери холода в окружающую среду и от недорекупе-
рации, дж)кг\
х —доля ожижаемого воздуха.
На диаграмме Т—S доля ожижаемого воздуха х выражена от-
ношением отрезков:
Цель работы — определение интегрального эффекта , дроссели-
рования, определение доли ожижаемого воздуха, а также нахо-
ждение потерь холода *. При этом студенты практически знако-
мятся с одним из методов получения жидкого воздуха.
1 В расчетной практике величиной потерь холода обычно задаются.
208
Описание установки (рис. 28-2)
Воздух, пройдя висциновый фильтр 1, поступает в декарбони-
затор 2, где раствором едкого натра поглощается содержащаяся
в. воздухе двуокись углерода.
Декарбонизатор представляет собой цилиндр, внутри которого
помещен барабан с насадкой из керамических колец. Воздух по-
ступает под насадку и, пройдя через брызгоотделитель, уходит че-
рез верхний штуцер. На декарбонизаторе имеются два штуцера
с кранами для заполнения и слива раствора щелочи и указатель
уровня жидкости.
Рис. 26-2. Схема установки:
/ — фильтр; 2 — декарбоннзатор; 3 — компрессор; 4 — маслоотделитель; 5 и 13 — манометры;
6 — осушительный баллон; 7 и 15 — термометры; 8 — холодильный блок; 9 — теплообменник;
10 — дроссельный вентиль; 11 — сборник жидкости; 12 — предохранительный клапан; 14 — рео-
метр; 16 и 19 — вентили; 17 — указатель уровня; 18 — термометр сопротивления; 20 — электро-
нагреватель воздуха.
После декарбонизатора воздух сжимается в компрессоре 3 до
давления р2 и, пройдя через маслоотделитель 4, снабженный ма-
нометром 5, поступает в осушительный баллон 6. Корзина баллона
заполнена кусковым едким натром (или силикагелем). На осуши-
тельном баллоне имеется термометр 7 для измерения температуры
воздуха перед поступлением его в холодильный блок 8. В холо-
дильном блоке размещены: змеевиковый противоточный теплооб-
менник 9, дроссельный вентиль 10 и сборник жидкости И. Блок
изолирован стеклянной ватой и заключен в деревянный кожух.
Давление после дросселирования определяется по манометру
13, подключенному к межтрубному пространству теплообменника.
Количество воздуха, поступающего в установку, измеряется
реометром 14. Перед реометром установлены термометр 15 и вен-
тиль 16.
Сборник жидкости 11 имеет выносной указатель уровня
жидкости 17, шкала которого, учитывая постоянство плотности
208
жидкого воздуха (в данном случае рж=861 кг/м3), проградуиро-
вана в кг. С помощью термометра сопротивления 18 определяют
температуру воздуха после дросселирования. Жидкость из сбор-
ника выпускают через вентиль 19.
При размораживании установки воздух нагревается в электро-
нагревателе 20. На трубопроводе высокого давления установлен
предохранительный клапан 12.
Методика проведения работы
1. При определении интегрального эффекта сдросселированный
воздух не должен проходить через межтрубное пространство теп-
лообменника. Вентиль 16 в это время должен быть закрыт, а вен-
тиль 19— открыт. Таким образом, сжатый воздух не охлаждается
в теплообменнике и подходит к дроссельному вентилю с той же
температурой, с какой он вышел из осушительного баллона.
По разности показаний термометра 7 и термометра сопротивле-
ния 18 определяют интегральный эффект при дросселировании
воздуха от давления р2 до давления р4.
2. Получение жидкого воздуха ведется при полностью откры-
том вентиле 16. Вентиль 19 должен быть закрыт, и его следует
открывать только периодически для спуска жидкости, накопив-
шейся в сборнике.
До начала процесса ожижения с помощью реометра опреде-
ляют количество воздуха, поступающего в установку. Затем изме-
ряют количество жидкого воздуха, собранного за определенное
время, и находят фактическую долю ожиженного воздуха.
На основании этих данных и с учетом энтальпии воздуха рас-
считывают потери холода и изображают в диаграмме Т—S цикл
работы установки.
Обработка результатов и составление отчета о работе
1. Интегральный эффект дросселирования выражают разностью
температур:
Д7'=7’2-7''1 (26-7)
где температура сжатого воздуха до дросселирования (по
термометру 7), ° К.
Т\ — температура воздуха после дросселирования (по термо-
метру 18), ° К.
2. Массовый расход воздуха, поступающего на ожижение, рас-
считывают по формуле:
G « Ур (26-8)
где V — объем воздуха, проходящего через реометр, м3/сек-,
р —плотность воздуха при температуре, определяемой по
термометру 15, кг/м3.
210
Фактическая доля ожиженного воздуха
х = (26-9)
и
где бж — количество полученного жидкого воздуха, кг/сек-,
G — количество поступающего воздуха, кг!сек.
Потери холода от недорекуперации и в окружающую среду, от-
несенные к 1 кг перерабатываемого воздуха
Упот ~ Ч ^*2 х (Ч (о) (26-10)
Энтальпию берут по соответствующим параметрам воздуха из
диаграммы состояния Т—S. Температуры для точек 1 и 2
(рис. 26-1) принимают одинаковыми по термометру 7.
Для отчета о работе все параметры сводят в таблицу.
Отчетная таблица
Точка Температура Т, °К Давление Радс> ат Энтальпия, i, дж/кг Состояние воздуха
1 1' 2 3 4 5 0
При изображении холодильного цикла установки линию дроссе-
лирования 3—4 (линия постоянной энтальпии) проводят из точ-
ки 4, которая находится с помощью соотношений (26-5) и (26-6).
К отчету о выполненной работе должны быть приложены:
а) схема холодильной установки;
б) изображение рабочего цикла на диаграмме Т—S.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. С. Я. Г е р ш, Глубокое охлаждение, Госэиергоиздат, т. 1, 1957.
2. М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович, А. Б. Фрад-
ков, Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения, Гос-
энергоиздат, 1963.
ГЛАВА V
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Работа 27
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ДРОБИЛОК И МЕЛЬНИЦ
Введение
Процесс уменьшения размеров кусков твердых материалов ме-
ханическим путем — путем преодоления силы сцепления частиц —
называется процессом измельчения. Обычно процесс измельчения
крупных кусков называют дроблением, а процесс измельчения мел-
ких кусков — размолом или помолом.
По величине расходуемой энергии, по стоимости ремонта и за-
мены быстроизнашивающихся дробящих частей, по первоначаль-
ной стоимости самого измельчающего оборудования, требующего
высококачественных материалов, процесс измельчения — один из
наиболее дорогостоящих процессов.
Следовательно, с технико-экономической стороны процесс из-
мельчения следует так организовать и контролировать, чтобы «не
дробить ничего лишнего».
Исходя из этого, на всех измельчающих установках имеются
технические условия на готовый (измельченный) продукт, в ко-
торых указывается, какой остаток на контрольном сите допу-
скается для каждого материала в отдельности.
Если дробилка или мельница выдает продукт с крупностью
больше допускаемой, то такой продукт бракуется ОТК завода,
если же продукт выдается переизмельченный, то это приводит к
перерасходу электроэнергии и повышению себестоимости про-
дукции.
Распределение частиц по величине определяют ситовым анали-
зом. Основной характеристикой проволочных сеток является номи-
нальный размер стороны ячейки в свету (в мм).
По ГОСТ 3584—53 сетки из сплавов цветных металлов кон-
трольные с квадратными ячейками имеют номинальный размер
стороны ячейки в свету1 (в мм):
2,5 - 2,0 - 1,6 - 1,25 - 1,0 - 0,9 - 0,7 - 0,63
0,56 - 0,5 - 0,45 - 0,4 - 0,355 - 0,315 - 0,28 -
- 0,25 - 0,224 - 0,2 - 0,18 - 0,16 - 0,14 - 0,125
0,112 - 0,1 - 0,09 - 0,08 - 0,071 - 0,063
0,056 - 0,05 - 0,045 - 0,04
1 В США применяются сита с числом отверстий (меш) иа 1 линейный
дюйм — см. «Справочник химика», т. V, Изд. «Химия», 1966, стр. 436,
£12
Основным показателем работы дробильно-размольных машин
является степень измельчения (г). Степенью измельчения назы-
вается отношение поперечных размеров кусков исходного ма-
териала к величине поперечных размеров кусков, полученных
после измельчения.
Исходный продукт и измельченный продукт полидисперсны.
Для оценки качества измельчения принято определять степень из-
мельчения по среднему диаметру смеси кусков с применением си-
тового анализа. На основании гранулометрического состава, т. е.
количественного распределения зерен по крупности определяют
средние размеры зерен:
iilxI + cl2x2 + d3x3 + ... (^х)
rfcp xt + x2 + x3 + ... 100
где du d2 ... — средние размеры зерен отдельных фракций сито-
вого анализа, определяемые как полусумма раз-
меров отверстий двух сит, — ближайшего верх-
него, через которое прошли все зерна данной
фракции, и сита, на котором зерна этой фракции
задержались, не просеявшись через него;
хи х2, х3 —массовые проценты каждой фракции (Sx=100%).
Процесс измельчения часто проводят в несколько приемов,
причем принято различать:
1. Грубое измельчение или дробление
Крупное дробление.........измельчение до кусков размером 200 мм
Среднее дробление............. » » » » 20—100 льи
Мелкое дробление.............. » » » » 3—20 мм
2. Тонкое измельчение или помол
Грубый помол.........размер зерен в конечном продукте от 0,1 до 0,3 мм
Тонкий помол ....... » » » » меньше 0,1 мм
Для каждой стадии измельчения применяют свои конструктив-
ные типы машин.
Цель работы—практическое ознакомление с устройством и ра-
ботой измельчающих машин и механического встряхивателя; из-
мельчение небольшой порции материала в щековой и валковой
дробилках; проведение ситовых анализов, составление графиче-
ской зерновой характеристики (гранулометрического состава) ис-
ходного и измельченного продукта и расчет степени измельчения
валковой дробилки.
Описание установки
Учебное дробильное оборудование состоит из щековой дробил-
ки, валковой дробилки, дискового истирателя, шаровой мельницы
мокрого помола с тарельчатым питателем и спиральным класси-
фикатором. Для ситового анализа используют механический встря-
хиватель.
213
Сухое измельчение проводят в открытом цикле в щековой дро-
билке (рис. 27-1) и валковой дробилке (рис. 27-2).
Рис. 27-1. Щековая дробилка.
Рис. 27-2. Валковая дробилка.
Дисковый истиратель (рис. 27-3), а также мокрый помол в ша-
ровой мельнице в замкнутом цикле со спиральным классификато-
ром используют для демонстрации процесса измельчения.
Рис. 27-3. Дисковый истиратель.
Мокрый помол в шаровой мельнице (рис. 27-4) в замкнутом
цикле со спиральным классификатором осуществляют следующим
образом: сухой исходный материал загружают в бункер /, нахо-
дящийся над шаровой мельницей. Из бункера / материал через
214
тарельчатый питатель 2 поступает в кожух улитки 3. Из кожуха
материал непрерывно черпается улиткой шаровой мельницы 4. Из
последней измельченный материал поступает в спиральный клас-
сификатор 5, из которого водная суспензия с тонким продуктом
Рис. 27-4. Схема работы шаровой мельницы
в замкнутом цикле со спиральным классифика-
тором:
/ — бункер; 2 — тарельчатый питатель; 5 — улитка; 4 —ша-
ровая мельница; 5 —спиральный классификатор; —бак;
7 — иасос.
переливается в бак 6, а грубая суспензия спиральными витками
поднимается из классификатора вверх и подается обратно в ко-
жух улитки.
Методика проведения работы и обработка опытных данных
В условиях проведения учебной работы в целях экономии дро-
бимого материала взвешивают около 100 г крупных кусков исход-
ного материала, например кирпича, и эту порцию пропускают че-
рез щековую дробилку. Измельченный в щековой дробилке мате-
риал собирается в приемник, пересыпается в контрольное сито с
наиболее крупными отверстиями (верхнее), и весь набор сит уста-
навливается на механическом встряхивателе.
Сита должны быть расположены в порядке уменьшения разме-
ров отверстий сит сверху вниз. Верхнее сито должно быть закрыто
крышкой с деревянным амортизатором, а под нижнее (самое мел-
кое) подставлено донышко.
Рассев в производственных условиях продолжают до 30 мин,
однако в условиях проведения работы рассев можно производить
в течение 10—15 мин.
По окончании рассева взвешивают остаток на каждом сите,
включая также и материал, попавший в донышко. Результаты
взвешивания вносят в таблицу.
215
Результаты ситового анализа и олределгиие суммарного остатка
_______________________на ситах (в %)________________________
Отверстие СНТ, мм Ситовой анализ продукта после щековой дробилки Ситовой анализ продукта после валковой дробилки
г % суммарный % (сверху по ситам) г % суммарный % (сверху по ситам)
10
7 3,05 2,9 2,9 — — —
5 15,67 14,9 17,8 0,17 0,18 0,18
3 30,17 28,76 46,56 3,00 3,12 3,3
2 13,77 13,12 59,68 6,07 6,2 9,5
1 8,67 8,25 67,93 8,67 9,0 18,5
0,5 13,07 12,45 80,38 26,57 27,5 46,0
0,25 7,07 6,72 87,10 18,57 19,2 65,2
Донышко 13,57 12,9 100,0 33,57 34,8 100,0
Всего . . 105,04 100,0 • 96,62 100
После взвешивания все остатки на ситах ссыпают вместе, пере-
мешивают, и эту смесь подают на измельчение в валковую дро-
билку.
Измельченный материал после валковой дробилки снова под-
вергают ситовому анализу, и
результаты ситового анализа
вносят в таблицу.
Пример обработки опытных
данных
Задание. Произвести измельчение
кирпича в щековой и валковой дро-
билках. После валковой дробилки
остаток на сите с отверстием 2 мм не
должен быть больше 12%.
Результаты выполненной
работы представлены в таб-
лице.
По данным таблицы строят
график 1 (рис. 27-5) характе-
ристик измельченного мате-
риала.
В результате ситового ана-
Ширина отверстий сит, мм
Рис. 27-5. Зерновые характеристики
материала: лиза установлено, что суммар-
1 —после щековой дробилки; 2 —после валко- НЫЙ ОСТЯТОК НЯ СИТе (КПИВЯЯ 2\ С
вой дробилки; ® — максимально допустимый ныи ишаюк на иперуиисни/с
остаток иа сите 2 мм по ТУ. ОТВерСТИЯМИ ШИрИНОИ 2 ММ СО-
ставляет, например, 9,5%.
По заданным же техническим условиям остаток на том же сите
не должен превышать 12%, следовательно, установку валков (ши-
рину зазора между валками) можно считать приемлемой.
216
В случае, если остаток на контрольном сите оказался бы зна-
чительно меньше 12%, то в целях экономии удельного расхода
электроэнергии и повышения производительности валковой дро-
билки необходимо было бы в производственных условиях раздви-
гать валки и повторять испытания до приближения фактического
суммарного остатка на контрольном сите к заданному по техниче-
ским условиям (12%). В данной учебной работе можно ограни-
читься одним испытанием.
Приближенное определение средних размеров зерен
а) После щековой дробилки (подача в валковую дробилку)
8,5 • 2,9 + 6 • 14,9 + 4 • 28,76 + 2,5 • 13,12 + 1,5 • 8,25 +
/ + 0,75 • 12,45 + 0,37 • 6,72 + 0,125 • 12,9 „ OQ
dcp----------------------------jqq----------:-----------= 2,88 мм
б) После валковой дробилки
6 • 0,18 + 4 • 3,12 + 2,5 • 6,2 + 1,5 • 9 + 0,75 • 27,5 + 0,37 • 19,2 + 0,125 • 34,8
СР 100
= 0,746 мм.
Степень измельчения валковой дробилки определена по выра-
жению
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Л. Б. Л е венсон, П. М. Цигельный, Дробильно-сортировочные ма-
шины и установки, Стройиздат, 1952.
15 Зак. 1377
ГЛАВА VI
СВОДНЫЕ ДАННЫЕ О ЛАБОРАТОРИИ
ПРИМЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
УЧЕБНЫХ УСТАНОВОК
Работа 1
Гидравлическое испытание аппаратов и трубопроводов
1. Насос гидравлический ручной ГН-60:
Q — 0,267 • 10~4м3/сек (или 1,6 л/мин)
Н = 58,9 • 105 н/м2 (или 60 кгс!см2)
2. Насос водоструйный:
Q = 2,8 • 10-4 м3/сек (или 1 м3/ч)
Н = 1,96- 104 н/м2 (или 2 м вод. ст.)
3. Сосуд со сферическим днищем и с крышкой на фланце (из нержавею-
щей стали):
V = 10 дм3 Н — 300 мм
D = 200 мм Рраб = 20 ат (изб.)
4. Бак с коническим днищем:
V = 10 дм3
5. Колонки сборочные (из усиленной трубы диаметром 100 мм) , , . 2 шт.
.0 = 0,1 м
Н — 1,35 м
6. Арматура:
1) вентили водные диаметром 50 мм ................. 2 шт.
2) » » » 25 » 3 шт.
3) краны » » 50 » 2 шт.
4) » » » 20 » 6 шт.
5) » воздушные (бронза) диаметром 8 мм ............ 3 шт.
6) клапан обратный диаметром 25 мм......................1 шт.
7) фитинги разные (тройники, угольники, отводы, муфты, ниппели, проб-
ки, колпаки)...........................................20 шт.
Контрольно-измерительные приборы
1. Манометры водяные Ризб = 30аг ... 2 шт.
218
Работа 2
Определение режима течения жидкости
1. Бак 1 для воды:
Полезная емкость V = 600 дм3 (или 0,6 м3)
Размеры бака: L = 1000 мм
В = 600 мм
Н = 1100 мм
2. Расходный бак 2 с прозрачными стенками:
Полезная емкость V = 100 дм3 (или 0,1 м3)
Размеры бака: L = 500 мм
В = 420 мм
Н = 580 мм
3. Промежуточный бак 3 с прозрачными стенками:
Полезная емкость V = 65 дм3 (или 0,065 м3)
Размеры бака: L = 300 мм
В = 420 мм
Н = 580 мм
Примечание. Внутренние поверхности всех трех баков имеют антикоррозий-
ные покрытия.
4. Устройство для измерения расхода воды (например, весы).
5. Труба стеклянная между баками с прозрачными стенками:
Размеры трубы: dBH = 25 мм
L = 1400 мм
6. Трубопроводы — питательный, внутренний, сливной, их диаметры: 25, 30
и 38 мм.
Примечание. Внутренний трубопровод 8 выполнен из нержавеющего ма-
териала.
7. Бак с краской емкостью 5 дм3 (или 0,005 л3).
Контрольно-измерительные приборы
1. Расходомер-ротаметр . . . 0—100 л/ч
2. Весы технические на 20 кг
3. Секундомер
4. Термометр до 50° С с длинной ножкой (~ 400 мм}
Примечание. Баки с прозрачными стенками и стеклянная труба снабжаются
подсветкой.
Работа 3
Определение поля скоростей в трубопроводе
1. Вентилятор центробежный на одном валу с электродвигателем:
Q ««0,417 м3[сек (или 1500 м3/ч)
Н “ 2000 н/м3 (или 200 мм вод. ст.)
15* «И
2. Электродвигатель переменного тока к вентилятору:
V = 220/380 в
N = 3,5 кет
п = 24,2 об/сек (или 1450 об/мин)
3. Воздухопровод с приспособлением для замеров скоростных давлений по-
средством трубки Пито — Прандтля в разных точках сечения трубопровода
(1 комп л.):
D = 150 мм
L = 7,5 м
Контрольно-измерительные приборы
1. Расходомер для воздуха, показывающий.........................1 компл.
Q = 0,334 мъ/сек (или 1200 м3/ч)
2. Трубка Пито — Прандтля......................................21 шт.
3. Дифференциальный манометр спиртовый с наклонной шкалой ... 1 п т.
Др = 0 — 300 н/м2 (или 0 — 30 мм вод. ст.)
4. Психрометр.................................................. 1 шт.
5. Барометр ртутный чашечный.........;......................... 1 шт.
Работа 5
Определение гидравлических сопротивлений
трубопроводов
1. Насос центробежный для перекачивания воды 4К-18а:
Q = 14 дм3/сек (или 50 м3/ч)
Н — 19,6 кн/м2 (или 20 м вод. ст.)
2. Электродвигатель к насосу А 42-2:
N = 4,5 кет
п = 50 об/сек (или 300 об/мин)
V = 127/220 в
3. Бак 800 X800 X 800 мм:
V = 0,5 м3
4. Трубопровод фланцевый, состоящий из трех линий, соединенных коллек-
тором:
Дусл ” 75 мм
/общ === 16 ЛГ
Длина одной ветви I = 8 м
На средней линии (соединенной с насосом):
а) плавное расширение иа 125 мм
б) » сужение на 75 мм
в) внезапное расширение на 125 леи
г) » сужение на 75 мм
1 Одна трубка для показа (осмотра).
220
На боковых ветвях:
д) задвижка
е) кран
ж) вентиль
з) внезапный поворот
и) задвижка
к) участок прямой трубы 1=5 м
л) плавный поворот
1.
2.
3.
4.
Контрольно-измерительные приборы
Диафрагма нормальная из нержавеющей стали (к трубопроводу диа-
метром 75 мм).................................................
Дифференциальный манометр ртутный (шкала до 700 мм) ..........
Дифференциальный манометр водяной (шкала до 760 мм)..........
Термометр (шкала от 0 до 40° С)...............................
1
2
10
1
шт.
шт.
шт.
шт.
1.
2.
3.
Работа 6
Испытание центробежного насоса
Центробежный насос марки 1 К-6:
Q = 1,67 10~3 — 4- 10-3 м3/сек (йли 6—14 м3/ч)
Я = 20 - 14 м
N = 1,7 кет
Электродвигатель марки ПН-10:
N = 0,93
п = 16,3 — 46,6 об /сек
2,9 кет
(или 980 — 2800 об/мин)
Мерные баки (2 шт. — указаны
L = 500 мм
В = 500 мм
размеры одного бака);
Н = 1250 мм
V = 0,25 м3
4. Бак расходный:
L = 1400 мм
В 1150 мм
Н — 1100 мм
1,5 м3
Контрольно-измерительные приборы
1. Манометр на 2,5 ат............. ,..............
2. Вакуумметр ......................................
3. Тахометр стационарный до 50 об/сек (или 3000 об/мин)
4. Вольтметр МН на 150 в............................
5. Амперметр МН на 300 a............................
6. Секундомер.......................................
7. Реостаты (пусковой и регулировочный).............
1
1
1
1
1
1
2
шт.
шт.
ШТ.
шт.
шт.
шт.
шт.
Работа 7
Определение характеристик центробежного вентилятора
1. Вентилятор центробежный: .
Q = 0,83 м3/сек (или 3000 'м3/ч.) !
Н = 981 н/м2 (100 мм вод. ст.) •'
Й1
2. Электродвигатель постоянного тока:
N = 2 кет
п = 24 об[сек (или 1440 об/мин)
3. Трубопровод:
D = 220 мм
L = 7 м
4. Диафрагма (затвор):
D = 220 мм
Реостаты (пусковой и регулировочные) (3 шт.)
Контрольно-измерительные приборы
1. Тахометр стационарный.............................................1 шт.
п = 8,3 — 25 об/сек (или 500 — 1500 об/мин)
2. Амперметр постоянного тока.......................................1 шт.
I = 50 а
3. Вольтметр постоянного тока ......................................1 шт.
V = 150 в
4. Трубки пневмометрические (Пито)..................................2 щт.
L = 500 мм
5. Микроманометры дифференциальные
Ар = 392 н/м2 (илн 40 мм вод. ст.).................................. 1 шт.
Ар = 981 н/м2 (или 100 мм вод. ст.)..................................1 шт.
Работа 8
Определение расхода анергии на размешивание
1. Электродвигатель постоянного тока ПН-10
2. Бак, днище эллиптическое:
a) V«35 дм3
D = 300 мм
Н = 500 мм
б) V « 80 дм3
D = 400 мм
Н = 650 мм
3. Мешалки:
а) лопастные....................4 шт.
б) рамные ......................4 шт.
в) якорные.................. . 4 шт.
г) пропеллерные.................4 шт.
д) турбинные....................4 шт.
Ш
Контрольно-измерительные приборы
1. Тахометр стационарный (шкала от 0 до 1200 об!мин) ...... 1 шт.
2. Динамометр пружинный (со сменными пружинами и стробоскопи-
ческим отсчетом)..................................................1 шт.
3. Термометр ртутный (шкала от 0 до 100° С)......................1 шт.
4. Разновес технический до 1 кг..................................1 набор
5. Разновес технический от 1 до 30 кг............................1 набор
6. Линейка стальная метровая.....................................1 шт.
7. Линейка деревянная метровая ..................................1 шт.
Работа 9
Изучение гидравлики взвешенного слоя
1. Колонки стеклянные (2 шт.):
D = 40 — 50 мм
Н = 1 — 1,3 мм
2. Вентилятор с электродвигателем:
Q = 12 м3/ч
Н = 400 мм вод. ст.
3. Переключатели трех-четырехпозицнонные (2 шт.)
4. Вентили (3 шт.)
Контрольно-измерительные приборы
1. Дифференциальные манометры
Др я> 100 мм вод. ст............ 2 щт.
Др » 250 мм вод. ст................1 шт.
2. Реометр воздушный:
У = 0-12 м3/ч................................1 шт.
Работа 10
Сгущение водных суспензий
1. Аппарат с пропеллерной мешалкой:
D = 1000 мм
Н — 1500 мм
Электродвигатель с N = 1,5 квт
2. Насос центробежный (песковый):
Q = 64- 10-4 м31сек (или 2,3 м3/ч)
Я = 5- 10 м
Электродвигатель с N = 2 квт
3. Аппарат с пропеллерной мешалкой:
D = 300 мм
Н = 400 мм
Электродвигатель с N = 0,25 квт
223
4. Отстойник с гребковой мешалкой:
D = 900 мм
Н = 600 мм
Электродвигатель с N = 0,25 кет
Работа 12
Изучение работы барабанного вакуум-фильтра
1. Барабанный фильтр:
D = 500 мм
В = 185 мм
F = 0,25 м*
2. Сборник фильтрата (с водомерным стеклом):
V= 50 дм3 (или 50 л)
3. Бак с мешалкой:
V = 0,25 м3 (или 250 л)
4. Центробежный насос:
Q => 1,7 • 10~3 м3]сек (или 6 м3/ч)
п = 23 об/сек (или 1400 об!мин)
Н = 21 м
5. Вакуум-насос типа ВН-1:
Q= 0,018 м31сек (или 1100 л)мин)
Остаточное давление 10~3 мм рт, ст.-.
Электродвигатель N = 2,8 кет
п — 8,3 об)сек (или 500 об)мин)
б. Газодувка:
Р «= 0,3 ат
Q = 1,7-10"3 м3/сек (или 6 м3/ч)
7. Маслоотделитель (2 шт,):
D = 150 мм
Н = 500 мм
8. Электродвигатель (2 шт.):
М = 0,5 кет
9. Бачки для осадка.
Контрольно-измерительные приборы и материалы
1. Вакуумметр ................................. 1 шт.
2. Манометр до 1 атм ......................... 2 шт.
3. Термометр с молочной шкалой до 50° С , . . , 1 шт.
4. Весы на 10 кг с набором гирь................1 компл.
5. Мел (измельченный) ....................... 50 кг
224
Работа 13
Разделение суспензий на центрифуге непрерывного действия
1. Центрифуга типа НОГШ-325:
£>бар == 325 мм
Омаке = 2 • IO"3 л?[сек (или 6 м31 ч)
га = 58 об /сек (или 3500 об) мин)
2. Электродвигатель к центрифуге:
У = 7 квг
3. Насос центробежный:
Q = 2,7 • 10“3 мл!сек (или 10 л3/ч)
Н = 20 м
4. Электродвигатель (к насосу):
N = 1 кет
га = 23,5 об!сек (или 1420 об/мин)
5. Бак с мешалкой:
D = 600 мм
Н » 750 мм
Ураб = 0,17 м3
6. Электродвигатель к мешалке:
N = 1 кет
п = 23,5 об!сек (или 1420 об!мин)
7. Распределитель:
Емкость мерного отсека V = 30 дм3
Высота > » h = 1200 мм
8. Мерный бачок:
D = 200 мм
Н =» 800 мм
Контрольно-измерительные приборы
1. Станция управления СУ....................1 шт.
2. Секундомер...............................1 шт.
3. Микроскоп....................'...........1 шт.
4. Термометр (шкала 0 т- 100° С) ...........I шт.
225
Работа 14
Определение коэффициента теплоотдачи
в кожухотрубном теплообменнике
1. Теплообменник кожухотрубный с линзовым компенсатором:
F = 1,56 м2
Трубки d = 25 X 2,5 мм
п = 31
I — 800 мм
2. Вентилятор центробежный:
Q = 800 м3/ч
N — 100 мм вод. ст.
3. Электродвигатель:
:V = 1 кет
4. Воздухопровод:
D = 150 мм
L = 10 м
5. Паропровод с арматурой (три вентиля, водоотделитель):
d = 15 мм
/ = 10 м
в. Горшки конденсационные № 00 (2 шт.)
Контрольно-измерительные приборы
1. Воздухомер с указывающим прибором .... 2 шт.
Q = 200 - 800 м31ч
2. Термометры 0—100° С............2 шт.
о. Манометр 0—2 ат .............. 1 шт.
0—10 ат .................1 шт.
Работа 15
Изучение процеоса теплопередачи в теплообменнике «труба в трубе»
1. Теплообменник «труба в трубе»:
F = 0,8 м2
£>н = 60 X 4 мм
dBH ж 32 X 3 мм
I'PtiG — 3,8 м
Контрольно-измерительные приборы
1. Расходомер—ротаметр от 0 до 2100 л/ч 1 щт.
2. Манометр со шкалой от 0 до 2 кгс/см2 1 щт.
3. Термометры ртутные от 0 до 100° С . . 2 шт.
226
Работа 16
Испытание двухкорпусной выпарной установки
1. Выпарной аппарат типа ВВ:
F = 1 м2 dTp — 30 X 2,5 мм
Н — 1600 мм 1= 480 мм
D — 400 мм п = 30 шт.
т/ц.тр = 83 X 4 мм
2. Выпарной аппарат типа ВН:
Греющая камера — выносной трубчатый теплообменник
F = 1 м2 /тр = 780 мм
Н = 1100 мм и = 19 шт.
D = 450 мм
dtp = 26 X 3 мм
Сепаратор
К =0,2 м3
D = 450 мм
Н — 1600 мм
3. Подогреватель — трубчатый двухходовой теплообменник:
F = 1 м2 dtp = 26 X 3 мм,
D = 200 мм Ijp = 1000 м
L ™ 1285 мм п = 14 шт.
4. Барометрический конденсатор:
D = 150 мм
Н = 1200 мм
ипол = 4 шт.
Б. Емкость (бак) для разбавленного (исходного раствора):
И = 1200 мм L<= 1000 мм
В = 1000 мм Vpa6 = 0,2 м3
6. Вакуум-сбориики (2 шт.):
Ураб = 0,02 м3 (или 20 л) Я = 800 мм
D = 200 мм F = 0,45 м2
7. Барометрический ящик:
D = 300 мм
8. Бак для остатков:
Ураб = 0,2 м3 (или 200 л)
D = 600 мм
Н = 700 мм
227
9. Насосы (3 шт.):
I) Центробежный ЦНШ-80 > ,
Q=136 см3/сек (или 0,49 м3/ч)
H = 5/h 104 н/м2 (или 6 м вод. ст.)
Электродвигатель к насосу
N = 2,2 квт
п.^23,7 об/сек (или 1425 об/мин)
2) Водоструйный насос (эжектор):
Вакуум (7,85-104 н/м2) 0,8 ат
Контрольно-измерительные приборы
1. Расходомеры —ротаметры от 0 до 500 л/ч, от 100—2100 л/ч 2 шт.
2. Манометры:
со шкалой на 6 кгс/см2 ........................2 шт.
со шкалой иа 3 кгс/см2.........................2 шт.
со шкалой на 1 кгс/см2........................ 2 шт.
3. Мановакуумметр со шкалой 0—1 кгс/см2.............2 шт.
4. Вакуумметр со шкалой 300—0—300 мм рт. ст............2 шт.
5. Термометры ртутные со шкалой 0—150° С (возможна уста-
новка термопар или термометров сопротивления) . . 12 шт.
со шкалой 0—100° С......................................2 шт.
со шкалой 0—50° С.................................2 шт.
6. Реометр со шкалой от 1,0 до 1,50....................3 шт.
7. Лучковая термопара..................................2 шт.
Материалы, посуда
1. Сода (Na2CO3).............................. 150—200 кг/год
2. Фарфоровые кружки емкостью 0,5 л............... 3 шт.
3. Фарфоровые станки емкостью 0,5 л ...... 3 шт.
Работа 17
Испытание ректификационной колонны
1. Колонна:
D = 150 мм
Н = 1800 мм
2. Куб-нспаритель:
D = 600 мм
Н = 600 мм
Краб = 0,1 м3
F3M = 0,78 м2
3. Дефлегматор:
Ь = 190 мм
Н = 800 мм
Г = 0,5 м2
228
4. Подогреватель: D = 130 мм Н ~ 400 мм
5. Водяные холодильники (2 шт.):
Я = 230 мм В = 170 мм
- L = 740 мм
6. Сборник: D = 600 мм Н = 560 мм ^раб = 0,09 м3
7. Напорный бак: И = 400 мм В = 250 мм L — 800 мм Рраб = 0,055 л/3
Контрольно-измерительные приборы
1. Термометры 3. Манометры
О—100° С..................3 шт. 0—7 ат .... ,..............1 шт.
0—130° С..................1 шт. 0—2 ат.....................1 шт.
2. Ареометры —спиртомеры 0—1000 мм вод. ст.........1 шт.
60—100%...................1 шт. 4. Расходомеры:
0—20% ...................1 шт. 0—25 см3(сек...............1 шт.
0—8 см3[сек.................1 шт.
Работа 18
Определение коэффициента массопередачи для процесса абсорбции
1. Скруббер:
D = 100 мм
//= 1700 мм
2. Сборник водного раствора аммиака:
D = 400 мм
Н — 600 мм
V = 0,070 м3 (или 70 л)
3. Воздуходувка РГН-95 II А:
Q = 0,011 м3/сек (или 40 м3/ч)
Я = 19,6 кн/м2 (или 2000 мм вод. ст.)
4. Электродвигатель к воздуходувке:
N = 1 квт
п = 15,5 об/сек (или 930 об/мин)
229
5. Баллон’с аммиаком, снабженный редуктором и манометром.
6. Диафрагма камерная для трубопровода диаметром 25 мм.
7. Кольцевые весы со шкалой 0—27 10-3 м3/сек (или 0—100 м3/ч).
8. Ротаметр:
Расход воды 5,5-10*в—27-10“в м3/сек (или 20—100 л/ч).
9. Реометр стеклянный с U-образным манометром.
10. Термометр технический стеклянный со шкалой 0—50°С (2 шт.).
11. Манометр стеклянный U-образный (2 шт.). Пределы измерения 0—
200 мм вод. ст.
Работа 19
Изучение процесса адсорбции
в противоточном колонном аппарате
со взвешенным слоем адсорбента
1. Адсорбер плексигласовый с металлическими тарелками и переточными
трубками:
D = 100 мм
Н = 200 мм
2. Десорбер металлический — труба с жалюзийной насадкой:
D — 50 — 100 мм
Н = 300 мм
Диас в 200 мм
3. Воздуходувка Q'= 6,8 м3/ч.
4. Электродвигатель к воздуходувке:
N = 2,8 кет
п = 16 об/сек (или 960 об/лшн)
5. Воздуходувка ротационная:
Q = 1 м3/ч
6. Электродвигатель к ротационной воздуходувке:
N — 0,5 кет
и = 23 об/сек (или 1400 об/мин)
7. Электроподогреватель трубчатый:
N = 0,5 кет
Контрольно-измерительные приборы
1. Потенциометр ЭПП-09 со шкалой до 200° С 1 шт.
2. Термопары малогабаритные.................4 шт.
3. Расходомер до 15 дм3/мин (реометр) .... 3 шт.
4. Секундомер...............................1 шт.
230
Работа 20
Изучение процесса сушки в воздушной циркуляционной сушилке
1. Сушильная камера:
Н ~ 200 мм
В = 150 мм
£ = 700 мм
2. Вентилятор:
Q = 200 м3/ч
Н = 100 мм вод. ст.
N = 0,6 кет
п = 50 об/сек (или 3000 об/мин)
Электрический калорифер из четырех секций (нихромовая проволока
D=2 мм):
N = 8,8 кет
Необходимые приборы и материалы
1. Контактный гальванометр типа КГ-3...................1 шт.
2. Реле электромагнитное типа АР-1.....................2 шт.
3. Сигнальное устройство...............................1 шт.
4. Термопара железо-константановая (D = 0,3 мм, 1=1 м) . 3 шт.
5. Трансформатор 127/12 в ТФ...........................1 шт.
6. Термометры ртутные до 150° С........................5 шт.
7. Диафрагма с острыми краями (£) = 150 мм, d = 75 мм) . 1 шт.
8. Дифференциальный манометр с наклонной шкалой до
30 мм вод. ст...........................................1 шт.
9. Весы до 200 г (цена деления 2 г) ВНИ-2..............1 шт.
10. Картон 0,1 X 0,2 м, 5 = 5 мм........................4 шт.
Работа 21
Изучение процесса сушки под вакуумом
1. Вакуум-шкаф:
£ = 0,37 м
Н = 0,35 м
В = 0,35 м
2. Конденсатор:
F = 0,25 м3
3. Вакуум-насос ротационный масляный ВН-1 (высоковакуумный лабора-
торный)
4. Сборник конденсата:
V = 0,02 м3 (или 20 л)
5, Электродвигатель к насосу:
N = 0,25 кет
231
Контрольно-измерительные приборы
1. Контактный гальванометр для автоматического регулиро-
вания температуры1 * КГ-2 и самописец ЗГ-З...............1 шт.
2. Трансформатор на 127/6—8 в ТФ.........................1 шт.
3. Термопары железо-константовые или никель-нихромовые
(лабораторные)...........................................5 шт.
d = 0,3 4- 0,5 мм
1=1 м
4. Переключатель многополюсный ПДЩЗМ...................1 шт.
5. Гальванометр........................................1 шт.
6. Регулятор вакуума (по особому заказу) ..............1 шт.
7. Сосуд Дьюара (до 0,5 л).............................1 шт.
8. Весы технические (до 0,5 кг) ВНЦ-5..................1 шт.
Работа 22
Испытание барабанной сушилки
1. Барабанная сушилка с приводом:
D = 250 мм
L — 3 м
2. Вентилятор центробежный:
Q = 1000 ж’/ч
Н — 200 мм вод. ст.
3. Питатель ленточный с мотором ПТ-175
4. Бункер:
V = 0,15 л3
5. Электродвигатель постоянного тока:
N = 0,5 кет
Контрольно-измерительные приборы и материалы
1. Весы циферблатные К-50 до 50 кг...................1 шт.
2. Весы технические ВНЦ-2 до 200 г...................1 шт.
3. Газовый счетчик (завод Ленгазаппарат № 1, тип
1СТК6, Г = 6 м*/ч, 7 = 5 л)............................1шт.
4. Психрометры..........................................2 шт.
5. Барометр.............................................1 шт.
6. Термометры ртутные с молочной шкалой:
до 350° С...............................................2 шт.
до 150° С........................................2 шт.
7. Влагомер.............................................1 шт.
8. Диафрагма с дифференциальным манометром ...... 1 шт.
9. Кварцевый песок или другой материал -...............100 «г
1 Желательно иметь потенциометр самопишущий трехпозиционный (СП-3),
позволяющий не только регулировать и записывать температуру греющей пли-
ты, но и записывать температуры материала. Тогда отпадет необходимость в
приборах, указанных в позициях 7, 4, 5.
232
Работа 23
Исследование процесса сушки в кипящем слое
1. Сушильная камера:
£>цил = 0,4 м
Дцил = 0,5 м
Нкоп — 0,4 м
2. Циклон НИИОГАЗ (ЦН-15):
D ~ 175 мм
3. Вентилятор (с электродвигателем) ВВД:
Q = 250 м3/ч
Н = 450 мм вод. ст.
4. Электрический калорифер из 6 секций (нихромовая проволока d=
1,54-2 мм):
N = 12 кет
Необходимые приборы и материалы
1. Потенциометр электрический на 6 точек с регулятором
на 1 точку типа ЭПП-09................................1 шт.
2. Термопары (до 400° С)..............................6 шт.
3. Термопары ртутные до 250° С........................6 шт.
4. Диафрагма с острыми краями (£> = 100 мм, d0 = 50 мм) 1 шт.
5. Дифференциальный манометр с наклонной шкалой до
40 мм вод. ст.........................................1 шт.
6. Весы до 10 кг ................................... 1 шт.
7. Сыпучий материал (й = 0,5-ь2 мм, Риас 800 кг/м3), со-
держащий преимущественно поверхностную влагу (песок,
силикагель и др.).............................- . . . 40 кг
Работа 24
Испытание экстракционной установки
1. Экстрактор роторно-дисковый:
Н = 1200 мм
D = 45 мм
п = 8 +• 30 об/сек (или 500 -г- 1800 об/мин)
Материал: нержавеющая сталь Х18Н10Т
2. Расходные и приемные емкости.................................4 шт.
V — 64 дм3
Материал: нержавеющая сталь Х18Н10Т
3. Насос центробежный...........................................2 шт.
V = 100 дм3/ч
Н = 5 м
п~47 об/сек (или 2800 об/мин)
16 Зак. 1377
233
Контрольно-измерительные приборы
1. Ротаметр РС-3........................................2 шт.
2. Рефрактометр РЛУ
Работа 25
Изучение работы компрессионной холодильной установки
1. Холодильная машина ИФ-49.
В комплект машины входят:
а) агрегат компрессорно-конденсаторный Ф-00 (АК-2ФВ-6/3)
Электродвигатель А-42-4 N = 2,8 кет
б) батареи ребристые испарительные Ф-20 по 10 м3 (4 шт.);
в) терморегулирующие вентили ТРВ-2 (2 шт.);
г) фильтр Ф-16;
д) осушитель Ф-15.
2. Вентилятор центробежный (судовой) в комплекте с электродвигателем
МА-52:
Q = 0,224 м3)сек (или 800 л3/ч)
Н — 450 мм вод. ст.
N — 1,9 кет
3. Холодильная камера с воздухопроводом .0=150 мм и заслонкой на ией.
4. Электрокалорифер двухсекционный (мощность секции 1,2 кет).
Контрольно-измерительные приборы
1. Воздухомер кольцевые весы ДКС-РПВ (ЯМакс =
= 160 мм вод. ст.) в комплекте с нормальной диафраг-
мой (диаметр отверстия НО мм).......................1 компл.
2. Ротаметр РС-7....................................1 шт.
3. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) РНО 250-2
(220 в, 9 а)........................................1 шт.
4. Электронный мост МСР1-01 (50—0—1-50° С) со спе-
циальной шкалой для замера Т2 (0 + 100° С).........I шт.
5. Многоточечный переключатель......................1 шт.
6. Термометры сопротивления (ГР 2, За, 53 ол 0° С) . . . 8 шт.
7. Манометр пружинный для фреона (шкала 0-е- 16 атм) 1 шт.
8. Мановакуумметр пружинный для фреона (шкала
760 мм рт. ст. + 0 -t- 16 атм)....................1 шт.
9. Магнитные пускатели П-222 ...................... 4 шт.
Работа 26
Определение интегрального аффекта дросселирования сжатого воздуха
1. Компрессор1: Q = 10 м3/ч Рабе = 220 ат п = 4 (число ступеней)
1 Для данной работы может быть использован мембранный компрессор
МК-25/200, Q=25 м3/ч, рабс = 200 ат.
234
2. Электродвигатель типа А61-6 (к компрессору):
N = 7 кет
п = 16 об[сек (или 950 об/мин)
3. Декарбонизатор с насадкой (керамические кольца размером 15Х15Х
Х2 мм в количестве 10 кг):
D = 250 мм
Н = 750 мм
V = 23 дм3
4. Висциновый фильтр с насадкой (керамические кольца размером 8Х8Х
Х1,5 мм):
D = 60 мм
Н = 80 мм
5. Осушительный баллон:
D = 222 X 185 мм
Н = 1000 мм
V = 20 дл3
6, Теплообменник:
F = 0,035 л2
dTp = 9X6 мм
п. = 4 (трубки)
7. Сепаратор:
D = 90 мм
Н = 200 мм
V = 0,7 <Э.и3
Контрольно-измерительные приборы и материалы
1. Манометры пружинные на 20, 100, 200 и 300 am . . 4 шт.
2. Манометр ртутный................................1 »
3. Реометр на 10 м3!ч .............................1 »
4. Термометр до 50° С..............................2 »
5. Термометр сопротивления (платиновый) от —120 до
+ 30° С.......................................... 1 »
6. Логометр ЛПБ-46.................................1 »
7. Секундомер (часы)...............................1 »
8. Термостат (сосуд Дьюара)........................1 »
9. 11%-ный раствор NaOH (на 200 ч. работы) . . . . 25 дм3
10. Кусковой NaOH..................................20 кг
Работа 27
Изучение устройства и работы дробилок и мельниц
1. Щековая дробилка:
Ширина зева В = 70 мм
Электродвигатель: N = 1,7 кет
п = 15,5 об/сек (или 930 об/мин)
16*
235
2. Валковая дробилка:
Da = 200 мм '
L = 75 мм
Электродвигатель: N = 0,52 квт (2 шт.)
п = 23,3 об/сек (или 1400 об/мин)
3. Дисковый истиратель:
£>д = 180 мм
Электродвигатель: <V = 0,25 квт
п = 23,3 об/сек (или 1400 об/мин)
4. Механический встряхиватель для сит диаметром 190 мм
Электродвигатель: N = 0,25 квт
п = 23,3 об/сек (или 1400 об/мин)
5. Шаровая мельница мокрого помола (РВНутр=280 мм\ Т.ВНутр=250 мм)
комплектно с тарельчатым питателем, спиральным классификатором и приво-
дом:
Электродвигатель мощностью 1 квт......................1 шт.
» » 0,25 квт................2 шт.
Контрольно-измерительные приборы
1. Набор сит для ситового анализа.
2. Весы лабораторные.
ЧИСЛО РАБОЧИХ МЕСТ И ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ ВРЕМЕНИ
ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ РАБОТ
Большинство учебных установок позволяет участвовать в испы-
тании нескольким студентам одновременно. В табл. VI-1 указано
число рабочих мест для каждой установки, а также время, необ-
ходимое для выполнения отдельных работ (включая время, необ-
ходимое для предварительного ознакомления с рабочей инструк-
цией, оборудованием установки, для проведения опытов, обра-
ботки результатов испытания и составления отчета).
НЕОБХОДИМАЯ ДЛЯ УСТАНОВОК ПЛОЩАДЬ
Учебные установки студенческого практикума занимают основ-
ную часть площади лаборатории. В табл. VI-2 указаны площади,
занимаемые непосредственно учебными установками, и общие пло-
щади, необходимые не только для размещения установок, но и
для их обслуживания (рабочие места студентов, столы для обра-
ботки опытных данных, стенды экспонатов и т. п.).
236
Таблица VI-1
№
по
пор.
Наименование работы
Число
рабочих
мест
Необходимое
время
для работы,
ч
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Г идромеханические процессы
Гидравлическое испытание трубопроводов и аппа-
ратов со сборкой и разборкой .............
Определение режима течения жидкости ....
Определение поля скоростей в трубопроводе . .
Определение коэффициента расхода дроссельных
расходомеров..............................
Определение гидравлических сопротивлений тру-
бопроводов ...............................
Испытание центробежного насоса............
Определение характеристик центробежного вен-
тилятора .................................
Определение расхода энергии на размешивание
Изучение гидравлики взвешенного слоя ....
Сгущение водных суспензий.................
Определение констант фильтрования.........
Изучение работы барабанного вакуум-фильтра .
Разделение суспензий на центрифуге непрерыв-
ного действия ............................
4-5
3
3
4-5
3-6
4
4
3
3
3
3
3
3-4
2
3
3
4
4
4
4
4
4
4
3
3
4
Тепловые и массообменные
процессы
Определение коэффициента теплоотдачи в кожу-
хотрубном теплообменнике ................
Изучение процесса теплопередачи в теплообмен-
нике «труба в трубе» ....................
Испытание двухкорпусной выпарной установки .
Испытание ректификационной установки ....
Определение коэффициента массопередачи при
абсорбции ...............................
Изучение процесса адсорбции в противоточном
колонном аппарате со взвешенным слоем
адсорбента ..............................
Изучение процесса сушки в воздушной цирку-
ляционной сушилке........................
Изучение процесса сушки под вакуумом . . . .
Испытание барабанной сушилки.............
Исследование процесса сушки в кипящем слое .
Испытание экстракционной установки.......
Техника низких температур
Изучение работы компрессионной холодильной
установки ...............................
Определение интегрального эффекта дроссели-
рования сжатого воздуха..................
Механическая обработка твердых
материалов
Изучение устройства и работы дробилок и мель-
ниц. Ситовой анализ ................ . . .
3
3
4-5
4-5
4
3-4
3
3
3-4
3
3-4
3-4
3
3
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
3
237
Таблица VI-2
№ установки (работы) Площади Примечание
занимаемые только установками, м2 с учетом обслуживания установок, м2
1 9X1,3= 11,7 25
2 4X1=4 15
3 6,5X1 =6,5 20
4 6,5X1,5=10 20
5 9,5Х 1 = 9,5 25
6 2,5X2 = 5 15
7 3,5х 1 + 2,5Х 1 = 6 20 Желательно установку разме-
стить в углу помещения
8 2х 1,5 = 3 15
9 2,0Х 1,5 = 3 6
10 3,5X3,1 = 11 20
11 2X3 = 6 20
12 7,5X2= 15 25
13 4,5Х1,3 = 6 20
14 6X1 = 6 18
15 4,0Х1,5 = 6 10
16 6,5X6,5 = 42 42 Установка имеет площадку
размером 42 л2 на высоте
2,4 м
17 4,3X3,7= 16 30 Площадка размером 2,5X2,5
на высоте 2,4 м
18 4,6X2,5= 11,5 20
19 3X2 = 6 12
20 5X1,5 = 7,5 15
21 2Х 1,5 = 3 15
22 5,3X3= 16 30
23 3X2,5 = 7,5 12
24 2X1,5 = 3 6
25 4,5X3,8= 17 25
26 3X2 = 6 20
27 4X4= 16 30
Целесообразно аппаратурные установки сгруппировать по от-
делам и разместить в отдельных залах:1
М2
1 зал—Транспорт жидкостей и газов................120
2 » —Разделение неоднородных систем.............100
3 » —Тепловые процессы.......................... 60
4 » —Массообменные процессы.....................120
5 » —Техника низких температур.................. 45
6 » —Механическая обработка твердых материалов . 45
Примечание. Входящую в отдел «Массообменные процессы» ректификацион-
ную установку следует разместить в отдельном помещении, отвечающем осо-
бым требованиям техники безопасности. В этом же помещении могут произво-
диться научно-исследовательские работы с огнеопасными веществами.
1 Размеры площадей для аппаратурных отделов и вспомогательных помеще-
ний указаны ориентировочно.
238
Кроме того, необходимы:
1. Помещение для научно-исследовательских работ . . . 200 м2
2. Обслуживающие помещения (библиотека, комната для
консультаций, механическая мастерская, препаратор-
ская, кладовые для приборов, запасных частей, ин-
струмента и т. д.).................................... 65 л2
3. Помещения для заведующего кафедрой, преподавате-
лей, аспирантов .....................................100 л2
4, Вспомогательные помещения (вестибюль, коридоры,
гардероб, туалеты н т. д.).............................140 л2
Следовательно, для лаборатории процессов и аппаратов жела-
тельна общая площадь в размере 1000 м2.
Высота учебных помещений в лаборатории должна быть около
4—5 м.
МЕХАНИЧЕСКАЯ МАСТЕРСКАЯ
Установки студенческого практикума в лаборатории процессов
и аппаратов содержат элементы типового заводского оборудова-
ния. Для проведения периодического ремонта такой аппаратуры,
а также для изготовления отдельных узлов установок для научно-
исследовательских работ, при лаборатории необходимо иметь ме-
ханическую мастерскую, располагающую необходимым оборудова-
нием и набором соответствующего инструмента. Многолетняя
практика показала, что для поддержания лабораторных установок
в надлежащем состоянии механическая мастерская должна иметь:
1. Станок токарно-винторезный с полным комплектом кре-
пежного инструмента..............................1 шт.
Характеристика станка:
Расстояние между центрами................... 750 мм
Высота центров..............................150 мм
2. Настольный горизонтально-фрезерный станок с ком-
плектом крепежного инструмента.......................1 шт.
3. Настольный сверлильный станок.....................1 шт.
4. Станок для заточки инструментов...................1 шт.
5. Верстаки с набором приспособлений (тиски, зажимы и
пр.) для слесарных, столярных и трубопроводных
работ................................................3 шт.
6. Наборы крепежных и режущих приспособлений инстру-
ментов для слесарных, столярных и трубопроводных
работ .............................................
7. Наборы мерительных инструментов и приспособлений
8. Стеллажи для хранения инструментов, приспособлений,
деталей, материалов и пр...............................
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Г. Касаткин, Основные процессы и аппараты химической техно-
логии, 7-е изд., Госхимиздат, 1960.
2. А. Н. Плановский, П. И. Николаев, Процессы и аппараты хими-
ческой и нефтехимической технологии, Гостоптехиздат, 1960.
3. К. Ф. Павлов, П. Г. Р о м а н к о в, А. А. Носков, Примеры и за-
дачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, 6-е изд., Изд. «Хи-
мия», 1964.
238
4. К. Н. Ш а б а л и и, Е. С. Э к е л ь, Практикум по курсу «Типовые про-
цессы и аппараты химической технологии», изд. Уральского политехнического
института им. С. М. Кирова, Свердловск, 1954.
5. В. Н. Стабников (ред.), Процессы и аппараты пищевых производств
(лабораторный практикум), Изд. «Техника», Киев, 1964.
6. А. С. Гинзбург (ред), Процессы и аппараты пищевых производств.
Лабораторный практикум, Изд. «Пищевая промышленность», 1964.
7. О. Т. Zimmerman, J. Lavine, Chemical Engineering Laboratory
Equipment, New Hampshire, 1943.
8. F. Pat a t und K. Kirchner, Praktikum der technischen Chemie, Ber-
lin, 1963.
9. W. U p h о f 1, Chemisch-technisches Praktikum, Braunschweig, 1966.
10. F. Molyneux, Laboratory Exercise in Chemical Engineering, London,
1967.
11. Справочник химика, т. I, II, III, V, Изд. «Химия», 1963—1964.
12. J. H. Perry, Chemical Engineers’ Handbook, IV ed., New York, 1960
13. И. H. Дмитриев, A. H. Низовцев, И. С. Павлу шенко, Ме-
ждународная система единиц (СИ), изд. ЛТИ, 1963.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица I
Относительная влажность воздуха <р, %
Темпера* тура воздуха t, °C Психрометрическая разность (f—/м
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19' 20 21 22 23 24 25 30 88 88 89 89 89 90 90 90 91 91 91 91 92 92 92 92 93 76 77 78 79 79 80 81 81 82 82 83 83 83 84 84 84 86 65 66 68 69 70 71 71 72 73 74 74 75 76 76 77 77 79 54 56 57 59 60 61 62 64 65 65 66 67 68 69 69 70 73 44 46 48 49 51 52 54 55 56 58 59 60 61 61 62 63 67 34 36 38 40 42 44 46 47 49 50 51 52 54 55 56 57 61 24 26 29 31 34 36 37 39 41 43 44 46 47 48 49 50 55 14 17 20 23 25 27 30 32 34 35 37 39 40 42 43 44 50 5 8 11 14 17 20 22 24 27 29 30 32 34 36 37 38 44 6 9 12 15 17 20 22 24 26 28 30 31 33 39 1
Темпера- тура Психрометрическая разность (/—
воздуха t; °C 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 71,5 74 76,5 78,5 80 81,5 82,5 48 54 57,5 60,5 63 65,5 67,5 69 29 36,5 42 45,5 49 52,5 55 57,5 13 22 28,5 33,5 37,5 41 44 46,5 49 11,5 18 23,5 28 31,5 35 38 40,5 1,5 9,5 15,5 20 24 27 30 33 35,5 2,5 5 13,5 17,5 21 24 26,5 29 3 8 12 15,5 18,5 21 23,5 26 3 8 11 14 16,5 19 21 1 4,5 7,5 10,5 12,5 15 17 19,5 1,5 4,5 7 9,5 12 14 16 2,5 5 7,5 9,5 11 13 0,5 2,5 4 6,5 8,5 10
241
Таблица II
Физические свойства воды
t, °C кг ср- ккал Л - 102, ккал V- юв, мг/сек Рг
кг •град м-ц - град
О 999,6 1,006 47,4 1,789 13,67
10 999,7 1,001 49,4 1,306 9,52
?о 998,2 0,999 51,5 1,006 7,02
30 995,7 0,997, 53,1 0,805 5,42
4о 992,2 0,997 54,5 0,659 4,31
50 988,1 0,997 55,7 0,556 3,54
60 983,2 0,998 56,7 0,478 2,98
70 977,8 1,000 57,4 0,415 2,55
80 971,8 1,002 58,0 0,365 2,21
90 965,3 1,005 58,5 0,326 1,95
100 958,4 1,008 58,7 0,285 1,75
110 951,0 1,011 58,9 0,272 1,60
Таблица III
Вязкость воды
t, °C Н- 103, н • сек! м2 t, °C И - 103, н • сек/м? f, °C 11 103, нсек!м2
5 1,519 15 1,140 24 0,914
6 1,473 16 1,111 25 0,894
7 1,428 17 1,083 26 0,874
8 1,3860 18 1,056 27 0,855
9 1,346 19 1,030 28 0,836
10 1,308 20 1,005 29 0,818
11 1,271 21 0,9810 30 0,801
12 1,236 22 0,958 31 0,784
13 14 1,203 •1,171 23 0,936 32 0,768
Таблица IV
Насыщенный водяной пар
Давление Рабо ат Температура t, °C Энтальпия, ккал[кг Теплота паро- образования г, ккал!кг
жидкости Г пара 1"
0,4 75,4 75,4 629,5 554,1
0,5 80,9 80,9 631,6 550,7
0,6 85,5 85,5 633,5 548,0
0,7 89,5 89,5 635,1 545,6
0,8 93,0 93,1 636,4 543,3
0,9 96,2 96,3 637,6 541,3
1,0 99,1 99,2 638,7 539,5
242
Продолжение
Давление рабс’ ат Температура Сс Энтальпия, ккал/кг Теплота паро- образования, г ккал/кг
жидкости i' пара
1,1 101,8 101,9 639,7 537,8
1,2 104,3 104,4 640,6 536,2
1,3 106,6 106,7 641,5 534,8
1,4 108,7 108,9 642,3 533,4
1,5 110,8 111,0 643,1 532,1
1,6 112,7 113,0 643,8 530,8
1,7 114,6 114,8 644,4 529,6
1,8 116,3 116,6 645,1 528,5
1,9 118,0 118,3 645,7 527,4
2,0 119,6 119,9 646,3 526,4
2,1 121,2 121,5 646,8 525,3
2,2 122,7 123,0 647,3 524,3
2,5 126,8 127,3 648,7 521,4
3,0 132,9 133,5 650,8 517,3
3,5 138,2 138,9 652,4 513,5
4,0 142,9 143,7 653,9 510,2
4,5 147,2 148,1 655,2 507,1
5,0 151,1 152,1 656,3 504,2
Таблица V
Теплоемкость н теплота парообразования этилового спирта
Темпера- тура t, °C Теплоемкость с, ккалЦкг • град) Теплота паро- образования г, ккал'кг Темпера- г?с Теплоемкость с, ккал/(кг • град) Теплота паро- образования г, ккал/кг
0 0,547 220 60 0,708 210
20 0,593 218 80 0,769 203
40 0,648 215 100 0,839 194
Таблица VI
Равновесные составы жидкости и пара для системы этиловый спирт — вода
под атмосферным давлением
Мол. % спирта Мол. % спирта Мол. % спирта
В ЖИДКОСТИ, X в паре, у* в жидкости, х в паре, у* в жидкости, х в паре, у*
0 0 20 53 60 69,5
2 19 30 57,5 70 75,5
5 33 40 61,5 80 82
10 44 50 65 89 89
143
Таблица VII
Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении
t, °C Р, ка/дЗ СР' ккал/(к г* град) Л. 102, ккалЦм • ч • град) |Л- 106, кгс • сек/м* V- 10в„ м^/сек Рг
0 1,293 0,240 2,10 1,75 13,28 0,707
10 1,247 0,240 2,16 1,80 14,16 0,705
20 1,205 0,240 2,23 1,85. 15,06 0,703
30 1,165 0,240 2,30 1,90 16,00 0,701
40 1,128 0,240 2,37 1,95 16,96 0,699
50 1,093 0,240 2,43 2,00 17,95 0,698
60 1,060 0,240 2,49 2,05 18,97 0,696
70 1,029 0,241 2,55 2,10 20,02 0,694
80 1,000 0,241 2,62 2,15 21,09 0,692
90 0,972 0,241 2,69 2,19 22,10 0,690
100 0,946 0,241 2,76 2,23 23,13 0,688
120 0,898 0,241 2,87 2,33 25,45 0,686
140 0,854 0,242 3,00 2,42 27,80 0,684
160 0,815 0,243 3,13 2,50 30,09 0,682
Таблица VIII
Изотерма адсорбции водяного пара силикагелем ШСМ при f = 20° С
Z - 102, кг воды "нас р, мм рт. ст. X* • 103 кг водяного пара кг сухого воздуха
кг силикагеля
0 0 0 0
3 0,13 2,28 1,87
6 0,26 4,56 3,75
9 0,39 6,84 . 5,64
12 0,52 , 9,12 7,55
15 0,65 11,4 9,45
Таблица IX
Соотношения между единицами измерения СИ и другими
Наименование величины Единицы измерения СИ Соотношения между единицами измерения
Сила Р н 1 кгс = 9,81 н
Вязкость ц н • сек м? 1 спз •= 1 • 10"3 н сек!м2\ 1 кгс • сек/м? = 9,81 н-сек/м?
Теплоемкость с дж кг • град 1 ккал = 4190 дж кг • град кг • град
244
Продолжение
Наименование величины Единицы измерения СИ Соотношения между единицами измерения
Теплопроводность Л вт м град , ккал , }СО вт 1 • - 1,163 м • ч • град м • град
Теплота парообразования г дж/кг 1 ккал/кг = 4190 дж/кг
Коэффициент теплоотдачи а вт м2 град ккал . вт м2 • ч • град м2 • град
Коэффициент теплопере- дачи К вт м2 град . ккал , вт I л -• I , 163 _ - м2 • ч •град м2 • град
Тепловое напряжение q вт/м2 . ккал . «лл / о 1 5 = 1,163 вт М2 м2 • ч
Давление р н/м2 1 ат = 1 кгс/см2 = 9,81 104 н/м2 1 мм вод. ст. = 9,81 н/м2 1 мм рт. ст. = 133,3 н/м2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ..................................' . . ......................3
Глава /
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
Общие методические вопросы.................................................3
Основные требования, предъявляемые к учебным установкам..................8
Программа лабораторного практикума ....................................Ю
Глава И
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Работа 1. Гидравлическое испытание аппаратов и трубопроводов. . . 13
Работа 2. Определение режима течения жидкости...................20
Работа 3. Определение поля скоростей в трубопроводе.............25
Работа 4. Определение коэффициентов расхода дроссельных расходо-
меров ...............................................................34
Работа 5. Определение гидравлических сопротивлений трубопроводов . . 45
Работа 6. Испытание центробежного насоса........................53
Работа 7. Определение характеристик центробежного вентилятора ... 62
Работа 8. Определение расхода энергии на размешивание...........68
Работа 9. Изучение гидравлики взвешенного слоя..................74
Работа 10. Сгущение водных суспензий................................. 81
Работа 11. Определение констант фильтрования.....................87
Работа 12. Изучение работы барабанного вакуум-фильтра............95
Работа 13. Разделение суспензий на центрифуге непрерывного действия 102
Глава ///
ТЕПЛОВЫЕ И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Работа 14. Определение коэффициента теплоотдачи в кожухотрубном теп-
лообменнике 109
Работа 15. Изучение процесса теплопередачи в теплообменнике «труба в
трубе» .....................................................114
Работа 16. Испытание двухкорпусной выпарной установки...........120
Работа 17, Испытание ректификационной установки.................128
Работа 18. Определение коэффициента массопередачи процесса абсорб-
ции ................................................................138
247
Работа 19. Изучение процесса адсорбции в противоточном колонном ап-
парате со взвешенным слоем адсорбента................................144
Работа 20. Изучение процесса сушки в воздушной циркуляционной су-
шилке ........................................................... 153
Работа 21. Изучение процесса сушки под вакуумом...................163
Работа 22. Испытание барабанной сушилки...........................173
Работа 23. Исследование процесса сушки в кипящем слое.............179
Работа 24. Испытание экстракционной установки.....................186
Глава /У
ТЕХНИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Работа 25. Изучение работы компрессионной холодильной установки . 196
Работа 26. Определение интегрального эффекта дросселирования сжа-
того воздуха.........................................................207
Глава /
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Работа 27. Изучение устройства и работы дробилок и мельниц .... 212
Глава VI
СВОДНЫЕ ДАННЫЕ 0 ЛАБОРАТОРИИ
Примерные характеристики основного оборудования учебных установок . . 218
Число рабочих мест и ориентировочная потребность времени для выполне-
ния отдельных работ ..............................................236
Необходимая для установок площадь..................................236
Механическая мастерская .............................................239
Литература ..........................................................239
Приложение ........................................................ 241
РУКОВОДСТВО К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
В ЛАБОРАТОРИИ ПО ПРОЦЕССАМ И АППАРАТА7.
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
с.248
Издательство «Химия», Ленинградское
отделение, Невский пр., 28
Редактор 3. И. Грива Техн, редактор Ф. Т. Черкасская
Корректор Л. Д. Л юбович
Сдано в набор 29/VII 1968 г. Подписано к печати 15/1 1969 г. М-09747. Формат бОХЭО'/и.
Бумага № 2. Тираж 15 000 эка. Цена 57 коп. Уч.-изд. л. 13,43. Печ. л. 15,5. Заказ Xs 1377.
Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР. Измайловский проспект. 29.
derevyaha