Дослідження процесів в апаратах з киплячим шаром.

Мета роботи – ознайомлення з процесом переходу мілко-зернистого матеріалу у псевдозріджений стан та придбання навиків експериментального визначення гідродинамічних та структурних характеристик псевдозрідженого шару.

Завдання до роботи.

1. Визначення швидкості фільтрації газу крізь шар, ω_ф.

2. Визначення гідродинамічного опору шару та побудова графічної залежності втрат тиску у шарі від швидкості фільтрації газу крізь шар (Δр_ш=f(ω_ф)).

3. Визначення пористості псевдозрідженого шару ε_ш, числа псевдозрідження N та побудова графічних залежностей: ε_m=f(N) та ε_m=f(ω_ф).

Обладнання та матеріали.

Для виконання роботи використовується терези лабораторні, вертикальна труба (діаметр 100 мм довжина 700 мм), повітрерозподільна камера, повітревходи, мікроманометри, штатив, компресор.

Теоретичні вказівки.

В різних галузях промисловості використовується метод ведіння технологічних процесів, які пов‘язані з тепло- та масообміном у псевдозрідженому (киплячому) шарі. При цьому вказані процеси значно прискорюються.

При пропусканні газу крізь шар сипучого матеріалу, що знаходиться на пористій перегородці, спостерігається якісна зміна стану шару, ця зміна залежить від швидкості фільтрації газів.

Швидкість фільтрації газу, яка обумовлює перехід сипучого матеріалу у завислий стан, або критична швидкість псевдозрідження ω_кр визначається за формолую:

(3.1)

де - коефіцієнт кінематичної в’язкості газу м²/с;

- приведений діаметр часток, який визначається за формулою: (тут - середній арифметичний розмір часток), м;

- критичне число Рейнольда, яке визначається за формулою , де Ar – число (критерій) Архімеда:

, (3.2)

де - густина твердих часток та газу, кг/м³.

Швидкість фільтрації, що дорівнює швидкості виносу часток з шару, є верхньою межею псевдозрідження.

Другою гідродинамічною характеристикою псевдозрідженного шару є втрата тиску газовим потоком при проходженні його крізь шар матеріалу.

В інтервалі швидкості від 0 до ω_кр залежність Δр_ш=f(ω_ф) близька до прямолінійної. В період сталого кипіння Δр_ш=f(ω_ф) не залежить від ω_ф і є практично постійною у всьому діапазоні спокійного кипіння шару. В цьому діапазоні опір киплячого шару визначається залежністю у вигляді:

, (3.3)

де h – висота киплячого шару, м;

- середня пористість киплячого шару.

Важливою структурною характеристикою шару твердих часток як нерухомого, так і завислого є пористіть ε – об’ємна доля газу у шарі.

Середня пористість псевдозрідженого шару становить:

, (3.4)

де - загальний об’єм, який займає шар, м³;

- об’єм, який займають частки матеріалу у шарі, м³;

G_м – маса матеріалу, кг;

ρ₀ - об’ємна густина матеріалу, кг/м³;

ρ_т - густина часток матеріалу, кг/м³.

Для характеристики інтенсивності перемішування часток у киплячому шару використовується число псевдозрідження:

, (3.5)

де - швидкість фільтрації газу об’ємної витрати V_с, яка віднесена до повного перерізу перегородки f.

Дійсна швидкість газу у проміжках між часток шару виміряти важко, але вона буде більше ніж ω_ф.

Опис схеми лабораторної установки:

Установка (рис 3.1) складається з вертикальної труби 1, яка зроблена із органічного скла, повітророзподільної камери 2, пористої перегородки 3, вирівнювальної решітки 4, трьохходового крану 5, повітроводів 6, реометру 7, мікроманометрів 8. На трубі 1 закріплена шкала 9 з обоймою 10.

Для зважування матеріалу використовуються терези.

Програма роботи та вказівки до її виконання.

1. Підготовка установки до роботи.

1.1. Підготувати протоколи спостережень №1, №2 (табл. 3.1., табл3.2. )

Протокол спостережень №1

Таблиця 3.1.

№пп	Швидкість фільтрації, ωф, м/с	Середній розмір часток, мм	Густина матеріалу, кг/м3	Темпе-ратура повітря ˚С	Площина перегородки	Примітка

Протокол спостережень №2

Таблиця 3.2.

№пп	Витрата повітря	Тиск газу, Па	Опір пе-регород- ки ΔРп	Висота шару, мм	Маса матері-алу, кг
по приладу, мм ΔН	Vпов, м3/с
перед перего-родкою ΔРп	після перего-родки ΔРш	вища, hв	нижча, hн	середня, hс

1.2. Перевірити зборку схеми установки та з’єднання вимірювальних приладів.

1.3. З’ясувати показання реометру.

1.4. Змінюючи швидкість фільтрації для 4 режимів роботи записати показання мікроманометрів.

1.5. Взяти частку зернистого матеріалу (приблизно 1 кг) і засипати у циліндр товщиною шару 50 мм. Залишок зважити.

2. Проведення досліду.

2.1. Збільшуючи подачу повітря, довести матеріал у трубі до бурхливого кипіння, записати показання реометру. Визначити витрату повітря та швидкість фільтрації. .

2.2. У інтервалі швидкості від 0 до ω_ф вибрати 4 проміжні точки вимірювання, та визначити для них потрібну витрату повітря та показання реометру. Також заміряти для кожного режиму висоту шару та показання мікроманометрів.

2.3.Після попередньої аерації виміряти висоту шару матеріалу при ω_ф=0.

3. Обробка результатів дослідів.

3.1. Для кожної швидкості фільтрації визначити середній гідродинамічний опір перегородки.

3.2. За отриманими результатами побудувати графік залежності Δр_п=f(ω_ф) та визначити коефіцієнт опору перегородки. .

3.3. Визначити опір шару матеріалу для стану фільтрації та побудувати залежність Δр_ш=f(ω_ф).

3.4. За результатами дослідів визначити середні значення опору матеріалу та перегородки а також висоти шару матеріалу.

3.5. Визначити пористість псевдозрідженого шару та число псевдозрідження при різних швидкостях фільтрації. Результати розрахунків звести у табл.3.3.

Результати обробки спостережень

Таблиця 3.3.

№пп	Швидкість фільтрації, ωф, м/с	Висота шару закладки мм hш	Об’єм шару, м3	Густина матеріалу, ρ0 кг/м3	Пористістьεm	Число псев-дозрідження N	Примітка

3.6. Побудувати залежність ε_m=f(ω_ф) .

3.7. Визначити значення критичної швидкості фільтрації за формулами (3.1, 3.2) та теоретичне значення ΔР_ш за формулою (3.3). Оцінити розбіг у розрахунках ω_кр та ΔР_ш.

ε_ш=f(ω_ф).

Питання до контрольного опитування

1. Який стан псевдозрідження носить назву киплячого шару?

2. Від чого залежить величина критичної швидкості та швидкості уносу?

3. Що таке пористість шару?

4. Як змінюється гідродинамічний опір зі збільшенням швидкості фільтрації?

5. При визначній витраті газу пористість завислого шару буде більше для крупних часток або для малих?