Тепловые процессы
.pdf
слоем зернистого материала, снабженного системой питания воздухом и системой замера и регистрации температуры.
Основной аппарат состоит из стеклянной царги 1, имеющей внутренний диаметр 145 мм, которая зажата во фланцах при помощи шпилек. Внизу аппарата установлена газораспределительная решетка 2, конструкция которой исключает провал твердых частиц.
Рис. 2.4.2. Схема экспериментальной установки:
1 – царга; 2 – газораспределительная решетка; 3 – тканевый фильтр; 4 – газодувка; 5 – вентиль; 6 – ротаметр; 7, 9 – штанги;
8 – термоэлемент; 10 – преобразователь; 11 – цифровой вольтметр; 12 – регистраторы; 13 – ЭВМ; 14 – автотрансформатор;
15 – вольтметр; 16 – амперметр
На газораспределительной решетке размещается слой монодисперсного зернистого материала (dэ = 180 мкм).
Отношение высоты неподвижного слоя Нсл к внутреннему
диаметру аппарата D составляет HDсл = 1,0 − 1,1. Вверху аппарат оборудован тканевым фильтром 3.
Вкачестве псевдоожижающего агента используют воздух, который подают под газораспределительную решетку при помощи газодувки 4. Расход воздуха регулируют вентилем 5 по показаниям ротаметра 6.
Вслой при помощи штанги 7 погружен сферический термоэлемент 8, внутри которого размещен электронагреватель, а в наружную поверхность термоэлемента зачеканены спаи четырех термопар для измерения температуры поверхности этого термоэлемента.
Одновременно измеряют и температуру псевдоожиженного слоя тремя термопарами, введенными в
слой при помощи штанги 9. В ходе эксперимента внешняя поверхность термоэлемента образует поверхность теплообмена, через которую теплота от внутреннего электронагревателя передается псевдоожиженному слою.
Все термопары подключены к блоку измерительных преобразователей 10, преобразующих термоэдс термопар в стандартный унифицированный сигнал постоянного тока, пропорциональный замеряемым температурам в слое и на поверхности термоэлемента. На выходе преобразователей включены цифровые вольтметры 11, позволяющие визуально определять величины замеряемых температур, а также преобразовывать аналоговый сигнал термоэдс в цифровой двоично-десятичный код, который через входные регистраторы крейта «КАМАК» 12 по программе вводится в
ЭВМ 13.
Питание электронагревателя, размещенного в термоэлементе, осуществляется при помощи лабораторного автотрансформатора 14.
Конструкция сферического термоэлемента представлена на рис. 2.4.3. Внутри термоэлемента находится спиральный электронагреватель 1.
106
В плоскости меридионального сечения в стенке сферического термоэлемента просверлены каналы, в которые последовательно вставлены термоэлектродные провода термопар I (на лобовой части сферы), II, III (на экваториальной части сферы), IV. Все термоэлектродные провода термопар, а также провода электропитания нагревателя изолированы и выведены через пустотелую штангу 2. Штангу 2 крепят к термоэлементу 3 с помощью переходной втулки 4. Во избежание трудно учитываемого теплопотока через штангу 2 втулка 4 выполнена из термоизолирующей пластмассы, а поверхность термоэлемента 3, закрытая втулкой 4, исключена из геометрической поверхности теплообмена нагревателя при расчете коэффициента теплоотдачи. Показания термопар I–IV при замере температуры могут не совпадать вследствие различия условий взаимодействия псевдоожиженного слоя с разными участками сферы. Поэтому показания термопар I–IV для каждого замера усредняют. Рассчитанные по этим данным коэффициенты теплоотдачи являются средними значениями для всей поверхности термоэлемента.
Рис. 2.4.3. Схема термоэлемента:
1 – спиральный электронагреватель; 2 – штанга; 3 – термоэлемент; 4 – переходная втулка; I–IV – термопары
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Получив разрешение преподавателя, необходимо:
1.Включить воздуходувку 4 (рис. 2.4.2) и измерительные приборы 10, 11.
2.Включить систему электропитания нагревателя термоэлемента 8. Установить по показаниям компьютера необходимую мощность электронагревателя.
3.Для нескольких последовательно возрастающих расходов воздуха, указанных компьютером или преподавателем, проводят необходимые замеры. Для этого регулирующим вентилем 5 установить расход воздуха, соответствующий одному из указанных значений. Для обеспечения выхода установки на
108
стационарный режим работы необходимо контролировать изменение значений температуры. Отсутствие изменений в показаниях означает достижение стационарного режима (при условии постоянства мощности электронагревателя и показаний ротаметра 6).
4.Измеренные параметры процесса, соответствующие стационарному режиму, заносят в таблицу.
5.Переход на новый режим работы осуществляют плавной регулировкой вентиля 5 в описанном порядке.
6.При выключении установки вначале выключают электропитание термоэлемента. После двухминутной продувки слоя при полностью открытом вентиле 5 воздуходувку отключают.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1.Мощность N электронагревателя термоэлемента транслируется на экран монитора. При отсутствии потерь тепла
|
|
N = Q |
|
(2.4.6) |
||
2. Скорость воздуха w в |
свободном |
сечении аппарата |
||||
определяют по уравнению расхода с учетом того, что |
||||||
часть поперечного сечения аппарата занята корпусом |
||||||
термоэлемента |
|
4Vв |
|
|
||
w = |
|
, |
(2.4.7) |
|||
π(D2 |
− d |
т2 )3600 |
||||
|
|
|
||||
где D – внутренний диаметр аппарата, м; Vв – объемный расход воздуха, м3/ч; dт – внешний диаметр сферического
термоэлемента, м.
Полученную величину выводят на экран монитора.
3.Значения температур, замеренные термопарами, также транслируются на экран монитора.
Среднюю температуру поверхности термоэлемента tср определяют как среднеарифметическую величину
tср = t1 + t2 + t3 + t4 .
4
Аналогично вычисляют среднюю псевдоожиженного слоя tсрc
tс = t5 + t6 + t7 .
ср 3
Среднюю разность температур между термоэлемента и псевдоожиженным слоем tср
как
tср = (tср − tсрс ).
(2.4.8)
температуру
(2.4.9)
поверхностью
рассчитывают
(2.4.10)
4.Поверхность теплоотдачи термоэлемента F определяют с учетом ее уменьшения за счет размещения переходной втулки из теплоизолирующей пластмассы.
Можно принять, что |
F = 0,95F |
, где |
F = πd 2 |
– |
|
|
т |
|
т |
т |
|
полная сферическая поверхность термоэлемента. |
|
|
|||
5. Коэффициент теплоотдачи рассчитывают согласно
выражению (2.4.1) по уравнению |
|
|||
αэксп = |
|
N |
. |
(2.4.11) |
F |
|
|||
|
tср |
|
||
6.Рассчитанные параметры для всех режимов псевдоожижения заносятся в таблицу по форме 2.4.1.
7.По полученным значениям αэксп и w для различных
режимов строят графическую зависимость αэксп = f (w). По графику определяют экспериментальные значения
wопт.э и αмакс.э .
Форма 2.4.1
110
№ |
Мощно |
Показ |
Расход |
Скорос |
Температура |
Температура |
|||||
опыта |
сть |
ания |
воздуха |
ть |
на поверхности |
в слое, |
|||||
|
электро |
рота- |
в |
воздуха |
термоэлемента, |
|
°С |
||||
|
-нагре- |
мет- |
аппара |
в |
|
°С |
|
|
|
||
|
вателя, |
ра, m, |
те, |
аппара |
|
|
|
|
|
|
|
|
N, Вт |
ед. |
Vв, м3/ч |
те, |
|
|
|
|
|
|
|
|
t1 |
t2 |
t3 |
t4 |
t5 |
t6 |
t7 |
||||
|
|
|
|
w, м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.Проводят сравнение полученных экспериментальных и теоретических значений wопт.р и αмакс.р для значения
диаметра частиц, применяемых в установке (dэ = 180 мкм)
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
∙схему установки;
∙основные расчетные зависимости;
∙таблицу экспериментальных и расчетных величин;
∙график зависимости αэксп = f (w) ;
∙расчеты значений оптимальной скорости псевдоожижения wопт.р и соответствующего ей значения максимального коэффициента теплоотдачи
αмакс.р ;
∙сопоставление результатов расчета с опытом и анализ возможных причин расхождения.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1)Какие виды теплообмена возможны в аппаратах с псевдоожиженным слоем? Какой из них изучают в данной лабораторной работе?
2)Каким законом описывается теплоотдача от твердой поверхности в псевдоожиженный слой?
3)Какими механизмами осуществляют перенос теплоты от твердого тела в псевдоожиженный слой? Вклад какого из них более значителен?
4)Почему зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости псевдоожижающего агента имеет максимум?
5)Какова форма тела, отдающего тепло слою, в данной работе? Как определить поверхность теплообмена?
6)Как рассчитывают разность температур нагретого тела и псевдоожиженного слоя?
7)Как по опытным данным рассчитать коэффициент теплоотдачи от тела к слою? Что он характеризует?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987.
2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973.
3.Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. – М.: Химия, 1968.
2.5. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ СИСТЕМАМИ
ПАР–ЖИДКОСТЬ, ЖИДКОСТЬ–ГАЗ В ТРУБЧАТЫХ
РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
Процесс передачи тепла между различными средами через разделительную твердую стенку называют теплопередачей.
Общий поток тепла Q, передаваемого в теплообменном аппарате (теплообменнике), определяется тепловым балансом
|
Q = Qт = Qх + Qп , |
(2.5.1) |
|
где Qт |
– тепло, отдаваемое горячим теплоносителем; |
Qх |
– |
тепло, |
воспринимаемое холодным теплоносителем; |
Qп |
– |
потери тепла в окружающую среду.
Тепло, отдаваемое горячим теплоносителем:
112
Q |
= G c (tт − tт ) , |
(2.5.2) |
т |
т т н к |
|
если теплоноситель при теплообмене не изменяет агрегатного состояния, или:
Qт = Gт (iт − iк ) = Gтr , |
(2.5.3) |
если изменяет (например, при использовании в качестве теплоносителя насыщенного водяного пара).
Тепло, воспринимаемое холодным теплоносителем, равно:
Q |
= G c (tx − tx ) . |
(2.5.4) |
х |
x x к н |
|
В этих зависимостях: Gт, Gх – массовый расход горячего и холодного теплоносителей соответственно, кг/с; ст, сx – теплоемкость горячего и холодного теплоносителей
соответственно, Дж/(кг×К); t нт , t нx , t кт , t кx – температура
горячего и холодного теплоносителей соответственно до и после теплообмена; iт, iк – энтальпия (теплосодержание) соответственно парового теплоносителя и его конденсата, Дж/кг; r = iт – iк – удельная теплота парообразования (конденсации) теплоносителя, Дж/кг.
iт, iк, r определяются по таблице свойств насыщенных паров теплоносителя в зависимости от температуры и давления.
Необходимая поверхность теплообмена определяется из основного уравнения теплопередачи для установившегося (стационарного) состояния процесса:
Q = K tcpF , |
(2.5.5) |
выражающего зависимость между потоком тепла Q [Вт] от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени, коэффициентом теплопередачи К [Вт/(м2К)], поверхностью теплообмена F [м2] и средней разностью температур горячего и холодного теплоносителей tср [К].
Средняя движущая сила tср определяется, с учетом принятой схемы организации движения потоков теплоносителей в теплообменнике, как среднелогарифмическая величина
tср = |
tб − |
tм |
|
||
ln |
|
tб , |
(2.5.6) |
||
|
|
||||
|
|
tм |
|
|
|
где tб и tм – соответственно большая и меньшая разность температур между горячим и холодным теплоносителями в
процессе теплообмена, а если отношение
достаточной точностью, tср можно среднеарифметическую величину
tср = |
tб + |
tм . |
|
2 |
|
tб |
m |
2, то, с |
|
tм |
|||
|
|
определить как
(2.5.7)
Использование основного уравнения теплопередачи (2.5.5) при определении площади теплообмена для заданной тепловой производительности возможно при наличии данных о термических сопротивлениях со стороны горячего и холодного теплоносителей, разделяющей их твердой стенки, из которых и складывается общее термическое сопротивление
теплообмена, |
|
определяющее |
|
величину коэффициента |
|||||||||||
скорости – коэффициента теплопередачи К: |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
К = |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
n |
δi |
|
1 |
, |
|
(2.5.8) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
+ å |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α1 |
λi |
α2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
|
||||
где |
1α |
и |
1α |
– термическое сопротивление горячего и |
|||||||||||
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
δ |
i |
|
холодного |
теплоносителей |
|
соответственно; |
å |
|
– |
|||||||||
|
λi |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i=1 |
|
||
термическое сопротивление разделяющей стенки, с учетом возможных загрязнений ее поверхности (накипь, твердые
солевые отложения и т. д.); α1 и α2 – коэффициенты
теплоотдачи, характеризующие интенсивность теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно.
114