23209 (1)

7.Какие величины и с помощью каких измерительных средств определяет-

ся в эксперименте?

8.Насколько отличаются опытные и расчетные коэффициенты теплоотда-

чи?

Лабораторная работа №11 «Теплообмен при плёночной конденсации пара на вертикальной трубке»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение коэффициента теплоотдачи при фазовом превращении пара в жидкость.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Конденсация - процесс выделения жидкой фазы из пара, пере-

охлажденного ниже температуры насыщения.

Сравнительно редко пар переохлаждается во всем объеме; для этого необходимы центры конденсации (ионизированные молекулы газа, взвешен-

ные частицы и т. д.). Гораздо чаще конденсация идет нахолодной поверхно-

сти труб, панелей и других элементов энергоустановок.

Физическая картина конденсации пара на поверхности определяется в первую очередь состоянием этой поверхности: ее шероховатостью, наличием загрязнений, слоя смазки, особых покрытий и т. п. Если поверхность смачи-

вается жидкой фазой, то наблюдается пленочная конденсация: конденсат растекается по поверхности, образуя сплошную пленку. Если холодная по-

верхность жидкой фазой не смачивается, то конденсация становится капель-

ной: конденсат собирается в отдельные капли, и часть поверхности остается сухой.

При конденсации пара выделяется энергия, равная скрытой теплоте па-

рообразования г. Для непрерывной конденсации пара эту энергию необходи-

мо постоянно отводить (например, охлаждая «заднюю» поверхность холод-

ной стенки циркулирующим теплоносителем).

При пленочной конденсации насыщенного пара на вертикальной по-

верхности образуется пленка жидкости, которая стекает под воздействием силы тяжести. Если течение ламинарное, т.е. линии тока в пленке параллель-

ны холодной поверхности, а на свободной поверхности пленки температура равна температуре насыщения tH, то плотность теплового потока можно рас-

считать по обычной формуле для теплопроводности плоской стенки:

(3.8.1)

где tc — температура стенки, °C; — теплопроводность жидкости,

Вт/(м-К); σ — толщина пленки жидкости, м.

С другой стороны, конвективный теплообмен между паром и стенкой должен описываться уравнением Ньютона

(3.8.2)

где ах — коэффициент теплоотдачи при конденсации, Вт/(м*К). Из

конденсата. Для определения можно попытаться измерить толщину жид-

кой пленки. Такое измерение сопряжено с существенными трудностями.

Если допустить, что скорости движения в пленке малы и трение между жидкостью и паром отсутствует, то задача решается аналитически. Впервые такое решение получил в 1914 г. В. Нуссельт. При этом можно вычислить толщину пленки 5 и далее по формуле (3.8.3) определить местный коэффи-

циент теплоотдачи

(3.8.4)

где , — плотность, кг/м3, и динамическая вязкость, Па*с, жидкости; g = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести; — расстояние от верхней точки поверхности до расчетной точки, м. В безразмерной форме осредненное по высоте h значение коэффициента теплоотдачи может быть приведено к виду

(3.8.5)

Здесь Nu = ah/ — число Нуссельта; Ga = gh3 /v2 — число Галилея;

Pr = v/a — число Прандтля (v — кинематическая вязкость жидкости,

м 2/ с , a — температуропроводность жидкости, м 2/с);

-число Кутателадзе (cp — удельная изобарная теплоемкость жид-

кости, Дж/(кг·К)). Все физические параметры взяты при температуре tH.

Эксперимент показал, что реальное течение пленки не соответствует допущениям Нуссельта. На поверхности пленки образуются волны, влияю-

щие на теплообмен. Коэффициент теплоотдачи а нужно домножить на поправку sv. В 1943 г. П.Л. Капица показал, что

где - число Рейнольдса для пленки.

(В данном случае число Рейнольдса характеризует не только динамику тече-

ния, но и теплообмен: скорость движения пленки зависит от интенсивности конденсации, а, следовательно, и от коэффициента теплоотдачи.)

Из формулы (3.8.5) следует, что

(3.8.6)

где

Если учесть, кроме того, что физические свойства конденсата меняются по толщине пленки, то в величину следует ввести множитель ,

где числа Прандтля и взяты при температурах насыщения и стенки,

соответственно. Окончательно получим

(3.8.7)

Формулу (3.8.7) используют для анализа экспериментальных данных, кото-

рые будут получены в работе. Для определения среднего коэффициента теп-

лоотдачи при конденсации используют закон Ньютона:

(3.8.8)

где Q - тепловой поток, поступающий в стенку при конденсации, Вт;

F - площадь поверхности, на которой происходит конденсация, м2.

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.8.1. Пар кон-

денсируется на вертикальной латунной трубке 2 диаметром d = 14 мм и дли-

ной h = 320 мм. Изнутри трубка охлаждается водой, подводимой от водопро-

вода по шлангу 11 и отводимой на слив по шлангу 14. Трубка помещена в кожух 3, куда через патрубок 5 подводится насыщенный водяной пар от электрокотла. Для уменьшения погрешности, связанной с возможностью конденсации пара на поверхности кожуха, внутри него расположен экран 15.

(Небольшое количества конденсата, которое все же образуется в кожухе,

сливается по трубке 12.) Конденсируясь на наружной поверхности трубки 2,

Рисунок. 3.8.1. Схема установки для исследования теплообмена при конден-

сации образует пленку конденсата, стекающую вниз. По трубке 10 конденсат отводится в измерительный бачок 7, снабженный трубкой для выравнивания давления 6 и указателем уровня жидкости 8. Конденсат из бачка периодиче-

ски спускают через патрубок 9. Воздух, попадающий в установку, удаляется вместе с паром через выпарной патрубок 1.

Избыточное давление пара Аризб в установке измеряется водяным U-

образным манометром 4, а температура стенки трубки - четырьмя медь-

константановыми термопарами 13. Температуры измеряют с помощью изме-

рителя температуры 2ТРМО.

Перед опытом наполняют котел водой так, чтобы уровень ее находился на расстоянии 20...30 мм от верхнего среза водоуказательного стекла. Вклю-

чают электропитание котла и ожидают начала процесса парообразования.

Необходимо следить за уровнем воды в котле по мерному стеклу. При значи-

тельном понижении уровня кипящей воды ее добавляют из водопроводной сети.

После начала парообразования установку следует прогреть в течение 10.15

мин.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Приоткрывают вентиль из линии подвода воды 11, следя за тем, что-

бы не прекратился выход пара через патрубок 1 (в противном случае в по-

лость кожуха 3 попадет воздух, и результаты опыта недопустимо исказятся). 2. Через 10.15 мин после установления режима приступают к измере-

ниям. Каждый опыт проводят в течение 5.6 мин; при этом измеряют и зано-

сят в табл. 3.8.1 следующие величины:

1.Показания четырех термопар по высоте трубки tcт1tст2- tст3- tст4(эти из-

мерения для большей точности проводят дважды — в начале и в конце каждого опыта); 2. Время опыта ;уровень конденсата в мерном бачке 7 (шкала отгра-

дуирована в единицах объема) в начале и конце опыта V1 и V2; 3.Избыточное давление в паровом пространстве ризб (обычно

записывают среднее избыточное давление за время опыта); избыточное давление пара в установке не должно быть выше 400...600 мм вод.ст.

При необходимости Аризб можно уменьшить, снизив напряжение на на-

гревателях котла;

4. Барометрическое давление B.

Таблица 3.8.1 Ведомость эксперимента

Расход конденсата за время опыта находят из соотношения

(3.8.10)

Давление насыщенного пара

(3.8.11)

где В — барометрическое давление в лаборатории, мм рт. ст.

Для расчетов необходимо выразить рн в Па (см. табл. П1 Приложения).

По известному давлению рн определяют температуру насыщения tH

и теплоту парообразования r (табл. П8 Приложения). Параметры, v, ср,, Рrн,

входящие в числа подобия оперделяют по таблице П7 Приложения. ЧислоП-

рандтля Рrс определяют при температуре .

По формуле (3.8.7) вычисляют значения Z и (а также логарифмы этих чисел). Находят тепловой поток Q =mk*r, рассчитывают

поверхность теплообмена F=dh и опытное значение среднего коэффициента теплоотдачи

Все расчетные величины заносят в табл. 3.8.2.

Т а б ли ц а 3 . 8 . 2

В заключение строят графики зависимостей и, сравнивают опытные результаты с расчетными и делают выводы.

Лабораторная работа №12

«Определение коэффициента массопередачи при конвективной сушке

материала»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить особенности протекания массообменных процессов при кон-

вективной сушке различных материалов.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Под высушиванием понимается процесс удаления влаги из твердых и жидких материалов. Конечным продуктом сушки является твердое или сы-

пучеевещество. Целью сушки, широко применяемой в производствах хими-

ческого, лесного комплекса, агро производстве, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства, является улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортиро-

ванию и хранению. Данный процесс часто является последней технологиче-

ской операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими спосо-

бами, а окончательно-тепловыми.

Аппарат, в котором происходит процесс сушки, называется сушилкой, а

совокупность сушильного аппарата со всеми приданными ему вспомогатель-

ными аппаратами - сушильной установкой. В зависимости от агрегатного со-

стояния высушиваемых веществ различают сушильные аппараты для твер-

дых веществ и для жидкостей. кинетика сушки отражает изменения во вре-

мени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и температуры. Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время сушки ма-

териала от начального до конечного влагосодержания.

Формы связи влаги с материаломв значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии):

-химическую; -физико-химическую;

-механическую.

Химически связанная влага (гидратная, влага комплексных соедине-

ний) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляет-

ся частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде моно слоя или нескольких слоев. Осмоти-

чески связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с тру-

дом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная влага подразделяется на вла-

гу макро капилляров (радиус более 10-7 мм) и микрокапилляров (менее 10-7

мм). Влага макро капилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости ис-

паренияводы со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаря-

ется из материала с меньшей скоростью чем с поверхности воды. Механизм сушки капилляро-пористых тел определяется закономерностями массопере-

носа внутри тел и на границе раздела между твердой и газообразной фазами.

Внутри капилляропористых тел в ходе их сушки могут наблюдаться

следующие виды переноса влаги:

1)диффузия жидкости;

2)диффузия пара;

3)молекулярный и конвективный перенос жидкости и пара;

4)проталкивание жидкости благодаря расширению защемленного воз-

духа при повышении температуры;

5)эффузия (молекулярное течение) пара в микрокапиллярах;

6)тепловое скольжение пара в макро капиллярах.

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внеш-

няя диффузия). Вместо испарившейся влаги под действием капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних слоев материала (внутрен-

няя диффузия).

Вначале испаряющаяся с поверхности влага легко восполняется прито-

ком ее изнутри. В этот период высушиваемое вещество покрыто влажной пленкой и процесс поверхностного испарения можно сравнить с испарением без кипения со свободного зеркала жидкости.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет посте-

пенно освобождаться от жидкой пленки, обнажаясь при этом. В данный пе-

риод с поверхности будет испаряться лишь та влага, которая силами внут-

ренней диффузии, доставляется из глубинных слоев по капиллярам. По мере продолжающегося испарения влага все с большим трудом поступает к по-

верхности. В это время на скорость диффузии, что равнозначно скорости сушки, начинают оказывать влияние природные свойства материала и его способность задерживать влагу. В дальнейшем начинает прогреваться верх-

ний слой высушиваемого материала. Вследствие этого часть влаги испаряет-

ся уже в капиллярах не успев достигнуть поверхности. В этот момент свойст-

во материала задерживать влагу проявляется особенно сильно. Продолжаю-

щееся падение скорости сушки продолжается до стадии равновесного содер-

жания влаги в материале.

Под эффузией понимается направленное, а не хаотическое (как при диффузии) движение молекул пара, причем ее особенность - перенос веществ

от менее нагретых мест микрокапилляров к более нагретым. Эффузия возни-

кает именно в микрокапиллярах, то есть когда длина свободного пробега мо-

лекул пара соизмерима с радиусом капилляров;

Тепловое скольжение пара в макро капиллярах, возникающее при на-

личии перепада температуры по длине стенок капилляра и состоящее в том,

что у поверхности стенок капилляра влажный воздух движется не против по-

тока тепла, а по оси капилляра - в направлении потока тепла.

Проявление перечисленных видов переноса влаги в процессе сушки за-

висит от режима процесса и свойств высушиваемого материала.

На границе раздела фаз и вблизи от поверхности твердого тела в мягких условиях сушки (t<100°C) механизм массопереноса остается в основном мо-

лекулярным. По мере удаления от поверхности тела возрастает доля конвек-

тивного переноса массы, и в центре потока этот механизм становится преоб-

ладающим.

Процесс сушки, как и массообменные процессы, выражается уравнени-

ем массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффу-

зии:

(1)

где W - количество испарившейся влаги, кг;

К - коэффициент массопередачи, кг/с∙м2;

F - поверхность раздела фаз, м;

Рм - давление паров влаги у поверхности материала, Па;

Рn- парциальное давление паров в воздухе, Па.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров вла-

ги у поверхности материала Рм и парциального давления паров в воздухе Рn.

Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения вла-

ги. При Рм-Рп=0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между мате-

риалом и средой. Этому состоянию соответствует устойчивая влажность ма-

териала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.