Материал: Лабораторный практикум Ч 1

УДК 66.021(075)

ББК 35.111; 35.112я7 П845

Авторы: О. А. Кайгородова, И. К. Кузнецова, О. В. Кабанов, Е. А. Дмитриев, Р. Б. Комляшев, А. Г. Бородкин, В. Н. Бобылёв, С. И. Ильина, Т. А. Тарасова, Г. В. Терпугов.

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой кибернетики химико-технологических процессов

Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

М. Б. Глебов

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Процессы и аппараты химической технологии»

Московского государственного университета тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова

А. Л. Таран

Процессы и аппараты химической технологии. Лабораторный

Г. В. Терпугов; под ред. Е. А. Дмитриева, О. В. Кабанова – М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2016.

ISBN 978-5-7237-1428-1

Ч. 1. Гидродинамические и теплообменные процессы. – 112 с.

ISBN 978-5-7237-1429-8

Представлен ряд модифицированных лабораторных работ по гидродинамическим и теплообменным процессам химической технологии. Работы содержат краткое теоретическое введение, описание технологических схем и основного оборудования, рекомендации к выполнению экспериментов и обработке опытных данных. В приложениях приведены краткие сведения о приборах и инструментах, используемых при выполнении лабораторного практикума, а также о принятых условных обозначениях аппаратуры и контрольноизмерительных приборов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 240100, 240300, 241000, магистров 180401, 180402, специалистов

240300, 240700.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» имеет существенное значение для усвоения этой фундаментальной дисциплины в инженерной подготовке бакалавров, магистров и инженеров химико-технологического направления.

Важность лабораторного эксперимента на типовом инженерном оборудовании значительно выросла в последнее время, когда обозначились трудности с прохождением практики на промышленных предприятиях. Кроме того, наметилась устойчивая тенденция выполнения такого рода практикумов в виртуальной форме, которая, к сожалению, при всех своих возможностях не в состоянии заменить проведение натурных экспериментов на технологическом оборудовании.

В данном учебном пособии представлены модифицированные лабораторные работы по первой части курса, охватывающие гидродинамические и теплообменные процессы.

Сопоставляя приведённые технологические схемы с реальными установками, студенты имеют возможность ознакомиться с устройством и работой типового инженерного оборудования, измерительными устройствами, приборами контроля и управления, которые характерны для производства.

Настоящий лабораторный практикум является коллективным трудом преподавателей кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева: О. А. Кайгородова (работа 1), И. К. Кузнецова (работы 1, 4), О. В. Кабанов (работы 2, 7), Е. А. Дмитриев (работа 3), Р. Б. Комляшев (работы 2, 3), А. Г. Бородкин (работа 4), В. Н. Бобылёв (работы 5, 8, 9, 10, приложения 1, 2), С. И. Ильина (работа 6), Т. А. Тарасова (работа 6), Г. В. Терпугов (работа 7). В представленных работах сделаны ссылки на описание установок в ранее изданных учебных пособиях кафедры.

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Для изучения процессов, происходящих в капельных жидкостях и газах, необходимо иметь информацию о характере движения жидкости в каналах. Английским физиком Осборном Рейнольдсом в 1876–1883 гг. на основании экспериментального исследования движения жидкостей при различных скоростях потока, размерах канала и свойств среды было выяснено, что в движущейся по трубе жидкости наблюдается два режима движения. Первый, в котором частицы двигаются по параллельным траекториям, струи жидкости не перемешиваются, был назван ламинарным; второй, в котором наблюдаются возмущение, перемешивание частиц и вихреобразование, получил название турбулентного режима движения. Критерием оценки стал безразмерный комплекс величин, называемый числом (критерием) Рейнольдса Re:

где v – средняя скорость течения, м/с; – плотность рабочей жидкости, кг/м3, – динамическая вязкость рабочей жидкости, Па с; dэ – эквивалентный диаметр, м (dэ при турбулентном течении по трубам не круглого попе-

речного сечения рассчитывается по формуле dэ 4ПS , где S – поперечное

сечение потока, м2; П – смоченный периметр, м; при ламинарном течении понятие dэ не применяется).

Для стационарного ламинарного движения, т.е. для гидродинамически стабилизированного течения, не учитывающего возмущения от входного участка, возможно получение точных решений уравнения движения жидкости (уравнений Навье–Стокса).

Так, аналитически получен профиль скорости при ламинарном режиме движения жидкости, представляющий собой в сечении параболу (рис. 1.1). Проблема описания гидродинамической турбулентности заключается, в частности, в том, что пока не удаётся на основании только урав-

4

нений гидродинамики предсказать, когда именно должен заканчиваться ламинарный и начинаться турбулентный режим.

Рис. 1.1. Распределение скоростей в потоке жидкости:

а – ламинарный режим движения, б – турбулентный режим движения (u – локальная скорость жидкости, м/с)

Турбулентность – одна из наиболее трудных и нерешённых задач в гидродинамике. При развитом турбулентном движении образуются вихри в ядре потока, которые затем дробятся на всё более мелкие. Каскадный процесс дробления вихрей приводит к тому, что энергия турбулентного движения передаётся к вихрям всё меньшего размера, до тех пор, пока не преобразуется во внутреннюю энергию – тепловое движение. Сложное перемешивание жидкости, вихреобразование и случайные флуктуации параметров означают, что при одних и тех же условиях детальная картина распределения скорости и давления в жидкости будет различной и практически никогда не повторяется.

Принято считать, что в прямых круглых трубах критическое число Re равно 2 300. При значениях Re 2 300 режим движения жидкостей и газов ламинарный, течение при 2 300 Re 10 000 называется неустойчивым турбулентным, при Re > 10 000 – развитым турбулентным.

Однако экспериментально было найдено, что критическое значение числа Re в круглых трубах может находиться в диапазоне 2 300 20 000. Такие высокие значения критического числа Re обусловлены особыми

5