Министерство образования и науки РФ
Иркутский государственный технический университет
Гидромеханические процессы химической и пищевой технологии
Методические указания по лабораторным работам
по курсам « Процессы и аппараты химической технологии» и
«Процессы и аппараты пищевых производств»
Иркутск 2004г.
Определение гидравлических сопротивлений
трубопровода и арматуры
Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление контрольных участков трубопровода и арматуры. Сопоставить справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.
Трубопроводная сеть включает в себя прямые участки труб и местные сопротивления, в которых поток жидкости (газа) изменяет свою скорость по величине и направлению. К местным сопротивлениям относятся вентили, краны, задвижки, диафрагмы, повороты труб, внезапные и плавные расширения или сужения и т.д.
При движении среды по трубопроводной сети, вследствие вихреобразования и трения, энергия давления переходит в другие ее виды, в результате чего давление по длине сети падает. Если выбрать участок трубопровода и измерить давление на его границах, то разность измеренных величин будет потерей давления или гидравлическим сопротивлением данного участка.
Гидравлическое сопротивление прямого участка сети без местных сопротивлений рассчитывается по формуле:
(1)где ΔРтр – потеря давления на трение в прямой трубе, Па;
l – длина трубы, м;
d – внутренний диаметр трубы, м;
ρ – плотность жидкости, кг/м3;
w – скорость потока, м/с.
Коэффициент трения λ является безразмерной величиной и зависит от режима движения жидкости. Формулы для его расчета приведены в [1].
Потеря давления на трение в змеевике ΔРзм больше, чем в прямой трубе ΔРтр:
ΔРзм = ΔРтр ·ψ (2)
где d – внутренний диаметр трубы, м;
D – диаметр витка змеевика, м.
Потеря давления в местных сопротивлениях рассчитывается по формуле:
(3)Коэффициенты местного сопротивления
зависят от вида сопротивления и берутся из справочных таблиц [1].На разветвлении потока установлен коллектор, из которого жидкость с помощью задвижек 8, 12, 13 может быть направлена по второй, третьей или четвертой линии. На второй линии установлены дополнительно кран 9 и вентили 10, 11. На четвертой линии имеется прямой участок трубы 14 длиной 5м, предназначенный для исследования сопротивления трения. Запорная арматура имеет условный проход 50 мм.
Изменение скорости движения жидкости в трубопроводе достигается регулировкой расхода с помощью вентиля на линии нагнетания насоса. Расход воды измеряется диафрагмой 3, по показаниям дифференциального манометра 7. Потери давления при прохождении потока по прямому участку трубы, а также через арматуру, сужения и расширения измеряются тем же дифманометром, который работает в комплекте со вторичным прибором.
1. Заполнить напорный бак водой.
2. Открыть вентили на всасывающем и нагнетательном трубопроводе центробежного насоса.
3. Закрыть задвижки 8, 12 и открыть задвижку 13.
4. Включить центробежный насос.
5. Измерить перепад давления на диафрагме 3 и определить расход воды по графику.
6. Измерить поочередно перепады давления на плавном расширении 4, змеевике 5, резком расширении 6, прямом участке 14. Результаты измерений занести в таблицу.
Рисунок 1- Схема Установки
1- напорный бак2- центробежный насос
3- диафрагма
4- плавное расширение
5- змеевик
6- внезапное расширение
7- вентили нормальные
7. Закрыть задвижку 13 и открыть задвижку 8 и выполнить замеры перепада давления на кране 9 и вентилях 10, 11. Результаты измерений занести в таблицу 1.
8. Далее с помощью вентиля на нагнетательном трубопроводе изменяют расход воды и выполняют все измерения для второго опыта.
Таблица 1 - Измеренные величины
Наименование величин | Обозначение | Размерность | Значение |
Расход воды по диафрагме | V | м3/с | |
Потери давления- на прямом участке- на плавном расширении- на змеевике- на резком расширении- на резком сужении- на кране- на вентиле- на диафрагме | ΔРтр.ΔРпл.р.ΔРзм.ΔРр.р.ΔРр.с.ΔРкр.ΔРвнΔРд. | ПаПаПаПаПаПаПаПа |
1. На основе перепада давления на диафрагме по градуировочному графику определяют расход воды V, м3/с.
2. По уравнению расхода V = w · S рассчитывают скорость потока на контрольных участках трубопроводной сети (для случаев сужения и расширения расчетную скорость находят по наименьшему сечению трубопровода).
3. Определяют число Рейнольдса
Re
4. Исходя из опытных значений потери давления на различных участках трубопровода с помощью уравнений (1) и (2) рассчитывают экспериментальные значения λ и
для обоих опытов и полученные результаты заносят в таблицу 2. Для рассматриваемого змеевика ламинарный режим при Re ≤ 9000 [1].5. По графику или соответствующему уравнению устанавливают величину λ при шероховатости трубы е = 0,2 мм [1].
6. Находят величины
по данным таблиц в приложении [1]. Значения λ и заносят в таблицу 2, в графу справочные данные.7. Сопоставляют справочные и экспериментальные значения коэффициентов трения и местных сопротивлений.
Отчет должен включать формулировку цели работы, схему установки, описание методики измерений и расчеты необходимых параметров.
Наименование величин | Обозначение | Размерность | Значение | Справочные данные |
Скорость потока | W | м/с | ||
Число Рейнольдса | Re | |||
Коэффициент трения:- прямой трубы- змеевика | λ тр.λ зм. | |||
Коэффициент местных сопротивлений:- плавного расширения- резкого расширения- резкого сужения- крана- вентиля- диафрагмы | пл.р. р.р. р.с. кр. вн. д. |
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ
И НАСАДОЧНЫХ КОЛОНН
Цель работы: Экспериментально определить гидравлическое сопротивление сухих и орошаемых контактных элементов – тарелок и насадок. Сопоставить измеренные величины с рассчитанными по эмпирическим зависимостям.
Тарельчатые и насадочные колонны являются широко распространенными аппаратами в химической и других смежных отраслях промышленности. В них осуществляется взаимодействие восходящих потоков газа или пара с жидкостью, стекающей по колонне вниз (абсорбция, ректификация).
Тарельчатые колонны работают в основном в барботажном режиме, когда пар или газ проходит через слой жидкости на тарелке в виде пузырей или струй.
Насадочные колонны работают в большинстве случаев как поверхностные аппараты, когда пар или газ взаимодействуют с жидкостью, стекающей в виде пленок по насадке.
Существует большое разнообразие контактных тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и т.д. Их устройство и принцип работы описаны в [2].
Наиболее распространенной насадкой являются кольца Рашига, которые изготавливаются из керамики и металла. Кроме них используются также кольца Паля, спиральная насадка и др. [2].
Назначение тарелок и насадки в колонных аппаратах состоит в том, чтобы создать хороший контакт газа и жидкости и тем самым обеспечить эффективное протекание процессов тепло- и массообмена между взаимодействующими фазами.
Для того чтобы обеспечить перемещение газа через колонну, необходимо затратить мощность на преодоление гидравлических сопротивлений.
N = Δ P · V (1)
где Δ P – гидравлическое сопротивление колонны, Па;