2. Описание установки

Схема установки представлена на рис. 2 и состоит из кожухотрубного теплообменника 1, системы подачи горячей и холодной воды (последняя движется противотоком в межтрубном пространстве). Расход воды регулируют вентилями 2 и замеряют ротаметрами 3. Температуру воды измеряют термометрами сопротивления.

Холодная вода

Горячая вода

Канализация

С

С

С

С

Рис. 2. Схема установки

3. Порядок выполнения работы

По заданию устанавливают определенную температуру горячей воды; подают в систему холодную воду, устанавливая ее постоянный расход по ротаметру, и подают горячую воду. Через 2 – 3 мин снимают необходимые для расчетов показания. Повторяют опыт для пяти различных расходов холодной воды при одном постоянном расходе горячей воды.

4. Обработка опытных данных

1. Экспериментальные и табличные данные вносят в табл. 3.

Таблица 3

Опытные и расчетные данные

Расход воды		Температура воды, °С				Разность температур, °С
Холодной		холодной		горячей		t'к- t'н	tн- tк
рот.	м3/с	t'н	t'к	tн	tк	Δt2	Δt1

2. Определяют Δt_ср – среднюю разность температур по формуле (24) или (25).

3. Рассчитывают тепловую нагрузку Q по формуле (26).

4. Определяют К – коэффициент теплопередачи из уравнения (16), где Δt – есть средняя разность температур, °С. Площадь поверхности теплообмена F предварительно определяют F = π·d·l·n, где d, l, n – диаметр, длина и количество трубок теплообменника (d =0,05 м; l = 0,350 м; n = 6 шт.).

5. Находят общее теоретическое сопротивление R, учитывая, что R = 1/K.

6. Определяют критерий Рейнольдса (Re) по формуле (33).

7. Определяют критерий Прандтля (Pr) по формуле (31).

8. Определяют критерий Нуссельта по формуле (28) или (27).

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловые процессы?

2. Назовите основное уравнение теплопередачи.

3. Что является движущей силой процесса?

4. Что показывает коэффициент теплопередачи?

5. Что показывает коэффициент теплопроводности?

6. Что показывает коэффициент теплоотдачи?

Лабораторная работа 3

Изучение гидродинамики барботажного абсорбера

Ц е л ь р а б о т ы – изучение гидродинамики пенного абсорбера на лабораторной модели, определение минимальной и максимальной скоростей газа, высоты газожидкостного слоя, гидравлического сопротивления абсорбера.

1. Теоретические сведения

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Различают физическую абсорбцию, при которой поглощаемый компонент (абсорбтив) не взаимодействует химически с абсорбентом, и хемсорбцию – процесс, при котором абсорбтив образует с абсорбентом химическое соединение. Процесс обратный абсорбции – десорбция.

Аппараты, в которых осуществляют абсорбционные процессы, называют абсорберами. Абсорбция, как и другие процессы массопередачи, протекает на поверхности раздела фаз, поэтому абсорберы должны обеспечивать большую поверхность контакта газа с жидкостью. По способу образования поверхности абсорберы разделяют на: а) поверхностные и пленочные; б) насадочные; в) барботажные (тарельчатые); г) распыливающие.

В барботажных (тарельчатых) абсорберах процессы массопередачи протекают с наибольшей скоростью по сравнению с другими типами аппаратов. Такие абсорберы – вертикальные колонны с горизонтальным размещением перегородок (тарелок), с помощью которых осуществляется направленное и многократное взаимодействие газовой и жидкой фаз. Движение фаз противоточное: жидкость – сверху, газ – снизу.

Конструкции тарелок различные: ситчатые, колпачковые, клапанные, пластинчатые и др. Эффективность тарелки любой конструкции зависит от гидродинамических режимов ее работы. Различают (в зависимости от скорости газа, плотности орошения и расхода жидкости, приходящегося на единицу поверхности тарелки), три основных режима: а) пузырьковый; б) пенный; в) струйный (инжекционный). Режимы отличаются структурой барботажного слоя, которая определяет гидравлическое сопротивление тарелки и величину поверхности контакта фаз.

Пузырьковый режим характеризуется небольшими скоростями газа и незначительной поверхностью фаз на тарелке.

Пенный режим характеризуется значительной скоростью, при которой образуется подвижная газожидкостная дисперсная система – пена. Это наиболее благоприятный режим.

Струйный (инжекционный) режим характеризуется еще большей скоростью газа, при которой происходит нежелательный унос жидкости; поверхность контакта фаз уменьшается.

Переход от режима к режиму осуществляется постепенно. Общие методы расчета границ гидродинамических режимов отсутствуют, поэтому определяют скорости газа (нижний, верхний предел) и выбирают рабочую скорость, которая необходима для определения диаметра аппарата при его проектировании.

Более широко используют абсорберы с ситчатыми тарелками и пенные аппараты рис. 3.

а) б)

Жидкость

Газ

Жидкость

Пена

Газ

Рис. 3. Абсорберы: а) с ситчатыми тарелками; б) пенный аппарат

Пенный абсорбер отличается от абсорбера с ситчатыми тарелками устройством перелива; слив осуществляется с подпором пены через боковое отверстие, которое позволяет увеличить высоту пены на тарелке, что повышает эффективность работы абсорбера.

Высоту газожидкостного слоя h_с (м), в пенном абсорбере для системы воздух – вода определяют (пенный режим) при свободном сечении 1 м² тарелки, или доли свободного сечения, м²/м² F_с= 0,05÷0,18:

h_с = 0,35 · W · (h₀ + 0,075) + 2 · h₀, (34)

где h₀ – высота исходного слоя жидкости на тарелке, м; W – линейная скорость газа, отнесенная к полной площади поперечного сечения аппарата, м/с.

Гидравлическое сопротивление абсорбера определяют как сумму сопротивлений всех тарелок; сопротивление тарелки есть сумма сопротивлений:

ΔР = ΔР_с + ΔР_ж + ΔР_σ , (35)

где Р_с – гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па; Р_ж – сопротивление жидкостного слоя, Па; Р_σ – сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости, Па.

Сопротивление сухой тарелки (Па) определяют по формуле

, (36)

где W₀ – скорость газа в отверстиях тарелки, м/с; ξ – коэффициент сопротивления тарелки.

Величину ξ в соответствие (3) определяют:

(37)

где

;

α, ε – коэффициенты; δ – толщина тарелки, м (δ = 1,5 мм); d₀ – диаметр отверстий в тарелке, м (2,5 мм), F_c – доля свободного сечения, м²/м².

Сопротивление газожидкостного слоя принимают равным статическому давлению жидкости:

. (38)

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле

, (39)

где П – периметр отверстия в тарелке, П = π·d₀, м; S – площадь отверстия ( ), м²; σ – поверхностное натяжение жидкости, м/м.

ΔΡ + ΔΡ_σ = 0,85·g·h₀·ρ_ж +2000 ·σ. (40)