Описание экспериментальной установки и

Методики эксперимента

Экспериментальная установка. Установка (рис.5) состоит из лабораторного стола, колонны псевдоожижения; циклона очистки воздушного потока, отводимого от колонны, и компьютерной системы измерения и регистрации сигналов.

Рис.4. Внешний вид экспериментальной установки для изучения характеристик псевдоожиженного слоя: 1 – диафрагма; 2 - несущие элементы корпуса колонны; 3 – магистраль измерения давления в верхней части колонны; 4 – колонна псевдоожижения; 5 – дифференциальный датчик давления; 6 – датчик скорости потока и зона расположения газораспределительной решетки; 7 – патрубок ввода воздушного потока; 8, 9 – воздушные шланги; 10 – тумблер электропитания установки; 11 – тумблер включения вентилятора; 12 – реохорд регулировка частоты вращения вентилятора; 13 – реохорд настройки фазы включения вентилятора; 14 – корпус циклона очистки воздушного потока; 15 – кран выгрузки сыпучего материала; 16 – воздушный патрубок; 17 – тангенциальный патрубок; 18 – бункер загрузки.

Лабораторный стол содержит вентилятор для создания воздушного потока, тумблер 10 электропитания установки; тумблер 11 включения вентилятора; реохорды 12 и 13 для регулирования частоты вращения электродвигателя вентилятора;

Колонна псевдоожижения содержит конический стеклянный корпус 4 длиной 650 мм с углом конуса 2α = 6,15° и внутренним диаметром в средней части D_вн = 43,2 мм, несущие элементы корпуса 2, шланг отвода воздушного потока с твердыми частицами 8, патрубок 7 подвода ожижающего агента – воздуха. В верхней части корпуса смонтирована регулируемая диафрагма 1 для изменения сечения отводящего воздух патрубка. Высота слоя сыпучего материала определяется визуально по рискам шкалы на стеклянном корпусе колонны 4 с ценой деления 5,5 мм. Объем и высота слоя материала в колонне вычисляются по формулам:

V = V₀ + 7,085n +10,39∙10^-3 n², см³ (8)

h = 5 + 0,55 n, см, (9)

где V₀ = 69 см³ – объем материала, вмещаемый аппаратом до отметки «0» шкалы; n – число делений шкалы.

Циклон очистки воздушного потока содержит шланг отвода очищенного воздушного потока из циклона 9, стеклянный корпус 14 с металлическими несущими элементами, кран 15 выгрузки сыпучего материала из циклона, дополнительный патрубок 16 ввода воздушного потока в циклон со спиральным элементом для его завихрения, тангенциальный патрубок 17 ввода воздушного потока с твердыми частицами и бункер 18 загрузки сыпучего материала в циклон со шнековым питателем.

Компьютерная система измерения и регистрации сигналов построена на базе программного комплекса LabVIEW фирмы NI (США) и включает компьютер с аналогово-цифровым преобразователем сигналов, датчики расхода 6 и давления 5. Регулирование расхода воздуха осуществляется изменением сечения диафрагмы и частоты вращения электродвигателя вентилятора с помощью реохордов 12 и 13. Управление частотой вращения может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме, для чего реохорд 12 снабжен шаговым двигателем, управляемым компьютером.

Рис.5. Лицевая панель виртуального прибора управления частотой вращения вентилятора

Скорость перемещения ползунка реохорда, а тем самым и электродвигателя вентилятора задается с Лицевой панели ВП (рис.5) выводимой на дисплей. Измерение перепада давлений по высоте колонны и скорости потока воздуха осуществляются соответственно дифференциальным датчиком давления 5 и обдуваемым воздушным потоком терморезистором 6, установленным по диаметру нижнего патрубка 7. Показания термистора отградуированы в единицах скорости потока. Аналоговые сигналы с датчиков давления и расхода поступают в компьютерную систему измерений, обрабатываются в среде LabVIEW и выводятся в виде графиков на монитор.

В установке предусматривается возможность периодической загрузки и выгрузки материала через верхний патрубок. При загрузке материала патрубок отвода 1 снимается, и загрузка осуществляется вручную с помощью воронки. Выгрузка материала производится при надетом патрубке 1 механизированно путем отсоса его вентилятором в корпус циклона.

Методика проведения эксперимента. В качестве объектов исследования используются семена различных злаков (табл. 1).

На первом этапе лабораторной работы проводится экспериментальное изучение динамики процесса псевдоожижения.

Исследуемые навески зернистого материала объемом V_н0 = 69 см³ загружаются поочередно в установку для снятия первичной кривой псевдоожижения. Первичные кривые разгона (рис.6а) и псевдоожижения (рис.6б) регистрируется компьютером вместе с показаниями датчиков скорости и давления. По первичным кривым псевдоожижения строятся, вычитанием гидродинамической характеристики установки (рис.7б), фактические кривые псевдоожижения.

Типичный вид фактической кривой для пшена показан на рис. 6б (кривая 2). По указанным кривым определяются перепады давлений в режимах однородного слоя (горизонтальные участки кривых), первая и вторая критические скорости.

Первая критическая скорость (дополнительно к методу определения по кривой псевдоожижения) определяется как скорость, при которой происходит погружение в слой стальной гайки, помещаемой на поверхность дисперсного материала в колонне в начале эксперимента.

Особенное внимание обращается на определение рабочих скоростей псевдоожижения и чисел псевдоожижения по формуле (1). Для этого выполняются визуальные наблюдения структуры слоя сыпучего материала при изменении скорости псевдоожижения в диапазоне , отвечающем горизонтальному участку кривой псевдоожижения. За рабочую скорость принимают такую скорость воздушного потока, при которой в псевдоожиженном слое отсутствуют унос частиц, каверны, каналы и застойные зоны. Результаты описываются в отчете о лабораторной работе. Для выбранной таким образом рабочей скорости определяется порозность слоя по формуле (7). Сравнивая полученную кривую с кривыми рис.3 делается заключение о типе кривой.

Измеренные технологические параметры и результаты обработки экспериментальных данных отражаются в табл. 1.

	Рис. 6. Кривые разгона (а) и псевдоожижения (б) слоя пшена: 1- с собственным сопротивлением аппарата; 2 - с исключением сопротивления аппарата.
	Рис. 7. Кривые разгона (а) и гидродинамическая характеристика (б) лабораторной установки на холостом режиме.

Таблица 1

Виды материалов и полученные результаты

№ п/п

Вид зернистого материала

Эквив. диаметр зерна, dэ (м)

Масса навески, m (кг)

Объем пустот в навеске, Vп (м3)

Насыпная плот­- ность, ρн (кг/м3)

Начальная по-розность, ε0

Плотность зе- рен, ρт (кг/м3)

Перепад дав­- лений, ∆P (Па)

Критическая ско-рость, V(1)кр (м/с)

Число псевдо- ожижения, Kw

Рабочая пороз-ностьь, εраб.

Критическая скорость, V(2)кр (м/с)

Пшено

Горох

Рис

Гречка

На втором этапе лабораторной работы проводится сравнение экспериментальных и теоретических результатов.

Эквивалентный диаметр зернистых материалов определяется по формуле (4), для чего измеряются штангенциркулем с точностью размеры 5 зерен (из каждой навески) в трех перпендикулярных направлениях, результаты усредняются по каждому направлению и вычисляются средние площади поверхностей. В частности, объемы и площади поверхностей зерен, близких по форме к эллипсоиду и шару, вычисляются соответственно по формулам (10) и (11):

; (10)

(11)

где a и b – большая и малая полуоси эллипсоида; d – диаметр сферы.

Масса навесок определяется с точностью взвешиванием.

Измерение объема пустот производится путем определения объема воды, вмещаемого навеской. Для этого в прозрачный стакан засыпается навеска V_н = 34,5 см³ (один объем специального мерника), после чего в него заливается из мензурки такой объем воды, чтобы он полностью покрыл слой зерна. Указанный объем (при пренебрежении набуханием зерна за этот период времени) может быть принят за объем пустот V_п в навеске.

Насыпная плотность ρ_н, плотность зерна ρ_т и начальная порозность ε₀ исследуемого зернистого материала определяются по (6в) и (6б).

Теоретический перепад давлений в слое, первая и вторая критическая скорости вычисляется по формулам (2 - 6).

Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов отражаются в табл. 2.

Таблица 2