Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Гидродинамика и массообмен в газожидкостных потоках

Методические указания

к лабораторным работам 1 – 4

для студентов специальностей 260601, 260602

и направления 150400

Санкт-Петербург

2009

УДК 66.023

Новоселов А.Г., Сивенков А.В., Дужий А.Б. Гидродинамика и массообмен в газожидкостных потоках: Метод. указания к лабораторным работам 1 – 4 для студентов специальностей 260601, 260602 и направления 150400 – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. – 46 с.

Даны методические указания к проведению лабораторных исследований гидродинамических и массообменных процессов при движении двухфазных потоков в вертикальных трубах. Диспергирование газа в жидкости и образование газожидкостной смеси осуществляется свободными струями жидкости.

Подробно представлены методика выполнения исследований, описание конструкции модели кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата и методика обработки экспериментальных данных.

Рецензент

Канд. техн. наук, проф. А.А. Малышев

Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета

Ó Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых технологий, 2009

Введение

Процессы тепло- и массообмена в двухфазных (газ–жидкость) и трехфазных (газ–жидкость–твердое) потоках играют важную роль в современных технологических схемах производства пищевой и микробиологической отраслей промышленности.

В качестве примера можно привести процессы сатурации диоксидом углерода безалкогольных напитков на основе воды, фруктовых соков или молочной сыворотки, сатурации и сульфитации свекловичного сока при производстве сахара, аэрации кислородом воздуха культуральных жидкостей дрожжевого и пивных производств.

Активно развивается применение этих процессов при очистке сточных вод промышленных предприятий, регенерации воды в бассейнах, аэрации водоемов рыбоводческих хозяйств и т.п.

Изучение гидродинамических и массообменных процессов связано, в первую очередь, с необходимостью создания методики расчетов аппаратов, реализующих эти процессы.

В большинстве случаев численные значения коэффициентов переноса импульса, теплоты и массы в условиях высокой турбулизации газовой и жидкой фаз приходится определять экспериментальным путем, так как универсальных надежных инженерных зависимостей, вытекающих из общих решений дифференциальных уравнений переноса, не существует.

Кроме того, конструкции тепло-массообменных аппаратов всегда обладают индивидуальными геометрическими формами и размерами, а также снабжены различными функциональными устройствами (газораспределительными, механическими и гидродинамическими диспергаторами и мешалками, теплопередающими поверхностями и т.п.), которые существенно влияют на гидродинамическую обстановку в аппарате и в той или иной степени определяют его тепло-массообменные характеристики.

Ниже представлены методические указания для экспериментального определения основных гидродинамических (лабораторные работы № 1 и № 2) и массообменных характеристик (лабораторные работы № 3 и № 4) для одной из перспективных конструкций аппарата, предназначенного для реализации вышеупомянутых процессов между газом и жидкостью.

Каждая лабораторная работа представляет собой отдельное экспериментальное исследование. Полученные данные позволяют осуществить проверку известных или вновь созданных теоретических моделей переноса импульса, теплоты и массы, а также, наоборот, прогнозировать влияние тех ли иных ранее неучтенных параметров на эти процессы.

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью учебного процесса, целью которых является получение практических навыков в постановке задач исследований, их экспериментальной реализации, обработке опытных данных и получении корреляционных уравнений, в их использовании для проверки известных теоретических моделей механизмов переноса импульса, теплоты и массы. Все лабораторные работы предполагают определенную научную самостоятельность магистра в выборе задач исследований. Это связано с технической возможностью варьирования объектов исследования, как с точки зрения конструкции исследуемых аппаратов, так и с точки зрения вариации модельных сред (жидкости и газа).

При обработке опытных данных рекомендуется использование пакетов компьютерных программ Mathcade и Curve expert, что в значительной степени облегчает анализ результатов исследований и дает возможность прогнозирования тенденций поведения тех или иных параметров при экстраполяции входных данных за пределы экспериментов.

Во всех лабораторных работах используется модель конструкции кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА), который был разработан сотрудниками кафедры ПиАПП под руководством профессора, д.т.н. Тишина В.Б. КСИА обладает целым рядом преимуществ при сравнении с иными конструкциями тепло-массо-обменных аппаратов (барботажными, насадочными и другими), поэтому исследования его гидродинамических и тепло-массообменных характеристик является актуальной научной задачей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

Экспериментальное исследование гидродинамических

характеристик газожидкостных потоков, образованных

свободной струей жидкости в вертикальных трубах КСИА

Цель работы:

1. Изучить механизм образования газожидкостной смеси свободными струями жидкости.

2. Визуально определить структуру газожидкостных потоков и численно определить диапазон их существования.

3. Определить начало устойчивой работы КСИА.

4. Выполнить количественную оценку уноса газа свободными струями жидкости и вычислить значения инжектирующей способ-ности струй i при различных входных параметрах потока жидкости.

5. Определить коэффициенты гидравлического сопротивления канала, образованного вертикальными трубами при движении по ним газожидкостной смеси.