ГМиТП

3.Измеряют время, в течение которого в приемнике 5 собирается определенный объем фильтрата. Перепад давления во время опыта поддерживается постоянным. Все замеры объема и времени производятся от момента начала фильтрования.

4.После снятия замеров, когда будет разделена вся суспензия, останавливают вакуум-насос, предварительно открыв воздушник ресивера.

5.Открыв кран 6, фильтрат сливают в бак 7, осадок выгружают

ивзвешивают. Промывают фильтр и приемник фильтрата.

Замеренные величины и V вносят в таблицу. На основании замеренных значений рассчитывают съем фильтрата с 1 м2 фильтровальной перегородки, значения , v, / v и вносят их в таблицу:

№	Объем	Время	Съем		v
	фильтрата		фильтрата	n n 1	vn vn 1		v
опыта
	V, мл	, с	v, м3/м2	с	м3/м2	с м2/м3

Диаметр фильтра – 90 мм.

Обработка результатов

Заполнив таблицу, строят график зависимости / v от v и определяют константы фильтрования. Кроме того, эти константы рассчитывают, решая систему уравнений с двумя неизвестными. Сравнивают полученные графически и аналитически значения констант.

Рассчитывают сопротивление фильтровальной ткани и удельное сопротивление осадка.

Определяют производительность фильтра: по осадку, кг/с,

Goc moc F ;

по фильтрату, м3/с,

Vc Vф F ;

по суспензии, кг,

m moc mф moc Vф ф .

33

По разнице между массой, взятой для фильтрования суспензии, и полученным значением m находят потери массы в процессе фильтрования.

Контрольные вопросы

1.Правила пуска и остановки вакуум-насоса.

2.Устройство и принцип действия вакуум-насоса.

3.Сущность процесса фильтрования, скорость фильтрования.

4.Физический смысл уравнения фильтрования.

5.Графический и аналитический способы определения констант фильтрования.

6.Факторы, влияющие на скорость фильтрования

7.Методика выполнения работы.

8.Расчет удельного сопротивления осадка и сопротивления ткани.

9.Материальный баланс процесса фильтрования.

10.Расчет производственного фильтра на основании полученных результатов.

11.Конструкции производственных фильтров.

34

РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Цель работы: экспериментально определить коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к воде (К) и коэффициент теплоотдачи от стенки к воде ( 2) в теплообменнике типа «труба в трубе».

Основные теоретические положения

Количество теплоты Q, Дж, передаваемой в теплообменнике от более нагретого теплоносителя к менее нагретому, выражается уравнением

Q KF tср ,

(1)

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); F – площадь поверхности теплообмена, м2; tcp – средняя разность температур теплоносителей в

теплообменнике, °С; – продолжительность процесса, с.

Из уравнения (1) коэффициент теплопередачи К легко может быть найден, если известны Q, F , tcp и .

В том случае, если температура хотя бы одного теплоносителя изменяется вдоль поверхности теплообмена, средняя разность температур tcp может быть вычислена по формуле

t tб tм , ( 2 )

cp	ln tб	tм

где tб , tм – разности температур теплоносителей на концах теплооб-

менника, °С.

Формула (2) справедлива как для прямотока, так и для противотока теплоносителей при условии, что вдоль поверхности остаются постоянными массовый расход каждого теплоносителя и коэффициент теплопередачи. Если отношение большей концевой разности температур к меньшей не превышает двух ( tб tм 2), то с достаточ-

ной степенью точности вместо формулы (2) можно применить более простую:

tcp tб tм . 2

35

Коэффициент теплопередачи К для плоской чистой стенки определяется уравнением

K				1				,	(3)
		1		ст		1
		1		ст		2

где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м2К); ст – толщина стенки, м; ст – теплопроводность материала стенки, Вт/(мК).

Любая стенка трубопровода считается плоской, если отношение наружного диаметра трубы к толщине стенки более 2,5 ( dн ст 2,5 ).

Если стенка имеет загрязнение, то при расчете коэффициента теплопередачи следует учитывать термическое сопротивление загрязнений; тогда уравнение (3) изменяется:

K			1					(4)
	1					1
		1				2

В данной работе экспериментально определяют коэффициент теплопередачи в теплообменнике типа «труба в трубе», в котором нагревается вода конденсирующимся водяным паром. Так как коэффициент теплоотдачи для конденсирующегося пара 1 значительно

выше коэффициента теплоотдачи при нагреве воды 2 , то при расчете К с достаточной точностью можно принять 1 равным 7000 Вт/(м2 К).

При вынужденном движении потока жидкости по прямому каналу или трубе без изменения агрегатного состояния обобщенная критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид

p

dэ

b

m

Nu A Re

u Pr

Pr

,

(5)

Prст

l

где Nu dэ

– критерий Нуссельта;

Re wdэ –

критерий Рей-

нольдса; Pr c – критерий Прандтля; dэ – эквивалентный диаметр канала, м, dэ 4f П ; f – площадь поперечного сечения канала, м2; П – смоченный периметр, м; w – скорость теплоносителя в канале, м/с;– плотность теплоносителя при средней температуре, кг/м3; – динамическая вязкость, Па с; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг К);– теплопроводность, Вт/(мК); l – длина канала, м.

36

При турбулентном движении жидкости ( Re 10000 ) коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнению

			0,021						2	Re0,8	Pr0,43 .						(6)
		2
									2		2
									dэ
Множитель Pr Prст p					в выражении (5) можно принять равным
единице. При ламинарном режиме движения ( Re 2300 ):
		1,55					2		Re0,33 Pr0,33			d		э		0,33
																.	(7)
	2
						dэ			2		2	e
При значениях критерия								2300 Re 10000 теплоотдача описы-
вается уравнением
				2	К			Pr0,43 .									(8)
								о	2
Здесь Ко b Re определяется по графику [3, с. 154, рис. 4.1].

Описание установки

Установка (см. рисунок) состоит из парогенератора (парообразователя) 1, теплообменника (стеклянного холодильника) типа «труба в трубе» 3, приемника воды 2, гидрозатвора 4 и приемника конденсата 5. Температура пара и конденсата измеряется термометрами T1 и Т3; температура воды на входе и выходе теплообменника - термометрами Т2 и Т4.

Т1

3

Т3

		Т2
Т4		5
	1	4
	2

Теплообменник установлен под небольшим углом, обеспечивающим сток конденсата. Охлаждающая вода подается снизу так, чтобы она заполняла кожух холодильника полностью.

37

Размеры теплообменника: длина трубы l = 0,4 м, наружная труба Dн s1=30 l мм, внутренняя труба dн s2=15 1 мм.

Методика выполнения работы

Прогревают установку, для чего подают пар из парообразователя во внутреннюю трубу теплообменника и регулируют минимальный расход воды так, чтобы температура конденсата на выходе приближалась к температуре пара на входе.

Присоединяют приемник конденсата через гидрозатвор. Замеряют температуру воды на входе в теплообменник и на выходе, расход воды за определенный промежуток времени, расход конденсата паров за этот же промежуток, температуру пара. Повторяют все замеры при других расходах воды.

Заносят все результаты замеров в таблицу и рассчитывают коэффициент теплопередачи и коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю.

	Величина	Обозна-		Значение
		чение	опыт 1	опыт 2	опыт 3
1.	Расход охлаждающей воды, кг/с	G2
2.	Начальная температура воды, оС	t2н
3.	Конечная температура воды, оС	t2к
4.	Расход греющего пара, кг/с	G1
5.	Температура греющего пара, оС	t1
6.	Расход теплоты, Дж/с	Q
7.	Средняя разность температур тепло-	tcp
	носителей, оС
8.	Площадь поверхности теплообмена, м2	F
9.	Коэффициент теплопередачи,Вт/(м2 К)	K
10. Коэффициент теплоотдачи от стенки		2
	2
	к воде, Вт/(м К)
11. Коэффициент теплоотдачи, рассчи-
	танный по критериальному уравне-	2p
	нию, Вт/(м2 К)

Обработка результатов эксперимента

Расход теплоты Q (Дж/с), полученной водой в подогревателе,

рассчитывают по формуле	t 2к t 2н ,
Q G2c2		(9)

38

где G2 – массовый расход воды, кг/с; с2 – удельная теплоемкость воды при средней температуре, Дж/(кг К); t2н, t2к – температура воды до и после подогревателя.

Расход теплоты, передаваемой в теплообменнике, может быть определен и по расходу парового конденсата, отбираемого в емкость 5. Но при этом необходимо учитывать тепловые потери подогревателя и степень сухости поступающего в него водяного пара.

Среднюю разность температур в теплообменнике рассчитывают по выражению (2), при этом

tб t1 t 2н ;

tм t1 t 2к ,

где t1 – температура греющего пара на входе в подогреватель.

Коэффициент теплопередачи вычисляют по формуле, вытекающей из уравнения (1): K Q F tср . Теплообмен протекает через по-

верхность внутренней трубы, омываемой водой. Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю 2 рассчитывают из уравнения (3), если труба является чистой. Если же на стенках внутренней трубы имеются отложения, то используют для расчета 2

уравнение (4), в котором сумма термических сопротивлений:

ст 1 2 ,ст 1 2

где 1 1 , 2 2 – термическое сопротивление отложений со стороны го-

рячего и холодного теплоносителей соответственно.

Значения термического сопротивления отложений принимаются по справочным данным [3, с.531].

Далее проводят расчет 2 по одному из критериальных уравнений (6)-(8). Для выбора критериального уравнения вычисляют значение критерия Re для потока воды в кольцевом пространстве теплообменника. Свойства воды определяют по средней температуре. Сравнивают значения коэффициентов теплоотдачи, рассчитанные по результатам эксперимента и по его критериальным уравнениям.

Контрольные вопросы

1.Способы переноса теплоты в пространстве.

2.Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи.

3.Расчет средней разности температур теплоносителей.

4.Определение расхода теплоты при различных тепловых процессах.

5.Теплоносители, основные требования к теплоносителям.

4

6.Теплоотдача. Закон Ньютона - Рихмана.

7.Теплопроводность. Первый закон Фурье.

8.Определение коэффициента теплопередачи экспериментальным путем

4

РАБОТА № 7

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КИПЯТИЛЬНИКА ВАКУУМ-ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ

Цель работы - освоить приемы работы на вакуумной выпарной установке, составить материальный баланс процесса выпаривания, определить экспериментальным путем коэффициент теплопередачи кипятильника лабораторной выпарной установки при заданном режиме ее работы.

Общие положения

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов нелетучих веществ в летучих растворителях путем частичного испарения растворителя при температуре кипения раствора.

Выпаривание растворов широко применяется в химической, целлюлозно-бумажной и лесохимической технологии. В целлюлознобумажной промышленности этот процесс используется для концентрирования черного сульфатного щелока. В технологии пиролиза древесины широкое распространение получило выпаривание жижки в целях ее обессмоливания. Одной из важнейших стадий сульфитноспиртового производства является выпаривание сульфитного щелока, сульфитно-спиртовой или последрожжевой бражки. В технологии ка- нифольно-экстракционного производства выпаривание применяется для концентрирования бензиновых растворов.

Процесс выпаривания осуществляется под атмосферным давлением или под давлением, отличающимся от него, за счет использования теплоты водяного пара, горячей воды, дымовых газов и других теплоносителей. Обычно используются многокорпусные установки непрерывного действия, работающие по различным схемам питания (прямоточное, противоточное, смешанное). Реже применяют однокорпусные установки периодического и непрерывного действия.

Выпаривание проводят в выпарных аппаратах. В настоящее время применяются в основном стандартные вертикальные трубчатые выпарные аппараты, которые подразделяются на аппараты с естественной циркуляцией раствора, аппараты с принудительной циркуляцией раствора и пленочные аппараты. Выпарной аппарат состоит из греющей камеры и сепаратора, а в аппаратах с циркуляцией имеется циркуляционная труба. В аппаратах с циркуляцией происходит упаривание при многократном прохождении раствора через трубы грею-

39

щей камеры за счет разности плотностей (естественная циркуляция) или с помощью насоса (принудительная циркуляция). В пленочных выпарных аппаратах достаточно однократного прохождения раствора по трубам, т.к. процесс выпаривания происходит из тонкой пленки раствора. Греющая камера представляет собой кожухотрубчатый одноходовой теплообменник, в трубах которого происходит нагревание и кипение раствора за счет теплоты горячего теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость, в которой происходит отделение вторичного пара от упаренного раствора.

Масса воды, удаляемой при выпаривании, определяется совместным решением уравнения общего материального баланса установки

mн mк W

(1)

и уравнения частного материального баланса по растворенному веществу

mтв 0,01mнxн 0,01mкxк ,

(2)

где mн , mк – масса исходного и упаренного растворов, кг; W – масса испаренной воды, кг; mтв – масса растворенного вещества, кг; xн , xк –

массовая концентрация растворенного вещества в исходном и упаренном растворах, %.

Уравнения (1) и (2) составлены без учета потерь раствора и растворенного вещества, которые в реальных процессах всегда имеют место. Для реальных процессов уравнения общего и частного материальных балансов выглядят следующим образом:

		mн mк W mпот									(3)
m	тв	0,01m	н	x	н	0,01m	к	x	к	mтв	(4)
										пот

Производительность выпарной установки в значительной степени зависит от коэффициента теплопередачи, в чем легко убедиться, проанализировав уравнение теплообмена в аппарате

Q KF tcp ,

(5)

где Q – количество теплоты, расходуемой на выпаривание, Дж; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); tcр – средняя разность температур теплоносителей, °С; – продолжительность процесса выпаривания, с.

Количество теплоты, расходуемой на выпаривание, можно определить по количеству горячего теплоносителя и изменению его энтальпии в кипятильнике выпарного аппарата. Если теплоносителем является горячая вода, то количество теплоты, расходуемой на выпа-

40