LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Transkrypt

1 Ćwiczenie numer 4 Pomiar współczynnika przepuszczalności ośrodka porowatego 1. Wprowadzenie Jednostka eksperymentalna umożliwia analizę charakterystyki hydraulicznej układu dwóch kolumn ze złożem upakowanym. Układ eksperymentalny oferuje cztery tryby pracy, opisane szczegółowo w dalszej części instrukcji. 2. Cel ćwiczenia Wyznaczenie krzywej strat ciśnienia w badanym układzie. 3. Wstęp teoretyczny Przedstawiony wstęp literaturowy nie wyczerpuje tematu związanego z kondensacją. Dodatkowe wyjaśnienia teoretyczne można znaleźć w literaturze specjalistycznej. 3.1 Kolumny i złoża z wypełnieniem Kolumny są często wykorzystywane by przeprowadzać podstawowe operacje inżynierii procesów termicznych, takie jak: rektyfikacja, absorpcja, desorpcja i ekstrakcja. Wyróżnia się kolumny półkowe oraz kolumny z wypełnieniem. W kolumnach z wypełnieniem transport masy odbywa się pomiędzy uczestniczącymi w procesie fazami w złożu z wypełnieniem. Złoże z wypełnieniem to losowo wypełniony agregat składający się z wypełniaczy o tej samej geometrii. Uczestniczące w procesie fazy to zazwyczaj gaz i ciecz. Wypełnienie jest zwilżane przez ciecz - w ten sposób dochodzi do utworzenia filmu cieczowego, który jest pokrywany przez wypływający gaz. Powierzchnia filmu cieczowego zachowuje się jak granica faz podczas transportu ciepła i masy. Podstawowym celem stosowania wypełniacza jest zwiększenie rozmiaru granicy faz. Przy projektowaniu systemów gazowo-cieczowych istotnym parametrem jest całkowita strata ciśnienia. Przykładowo, podczas absorpcji strata ta determinuje wydajność sprężarki a zatem znaczną część kosztów użytkowania. Wypełnienie jest głównie różnicowane przez kształty i materiały, i znajduje się obecnie w fazie ciągłego rozwoju. Kiedy wypełnienie przyjmuje kształt wydrążonych cylindrów, mówimy o tzw. pierścieniach Raschiga. Nowoczesne kształty wypełnień to np. pierścienie z karbami i grzbietami, kształty łukowate bądź sferyczne. Pierścienie Raschiga nieczęsto są używane w rzeczywistych systemach przemysłowych. Porównując je do nowoczesnych kształtów wypełnienia złoża z wypełnieniem składające się z tych pierścieni posiadają następujące wady: - względnie niska porowatość ε, - względnie wysokie straty ciśnienia p. W przypadku opisywanego ćwiczenia druga z wad jest zaskakująco korzystna, albowiem pomimo niewielkiej wysokości złoża możliwym jest zmierzenie wystarczająco dużych strat ciśnienia. Kondensacja fizyczna odnosi się do przejścia 1

2 substancji ze stanu gazowego do ciekłego. Produkt ten jest nazywany kondensatem. Proces kondensacji występuje w szczególnych warunkach ciśnienia i temperatury, zwanych punktem skraplania. Zjawiskiem odwrotnym jest odparowanie. 3.2 Symbole Tab. 1. Spis wielkości używanych w doświadczeniu. Symbol Jednostka Opis As [cm 2 ] Pole przekroju kolumny D [mm] Średnica pojedynczego elementu materiału wypełniającego di [mm] Średnica wewnętrzna pojedynczego elementu materiału wypełniającego ds [cm] Średnica wewnętrzna kolumny H [mm] Wysokość złoża z wypełnieniem hl [cm 3 /cm 3 ] Stopień zatrzymania cieczy H [cm] Wysokość złoża z wypełnieniem pi [mbar] Ciśnienie w kolumnie w punkcie i ug [mm/s] Prędkość filtracji gazu ul [m 3 /(h m 2 )] Gęstość opadu Vfree [cm 3 ] Objętość międzyziarnowa VG [cm 3 ] Objętość gazu VL [cm 3 ] Objętość cieczy VS [cm 3 ] Objętość pustej kolumny V 1 [m 3 /h] Wydatek objętościowy gazu V 2 [L/h] Wydatek objętościowy cieczy x0 [cm] Poziom wypełnienia zbiornika 0 x1 [cm] Poziom wypełnienia zbiornika 1 xh [cm] Przyrost poziomu napełnienia xl [cm] Wzrost poziomu napełnienia pi [mbar] Strata ciśnienia na poziomie i pi/hi [mbar/m] Względna strata ciśnienia na poziomie i ε [cm 3 /cm 3 ] Porowatość ρb [g/l] Gęstość nasypowa 3.3 Używane pojęcia oraz wielkości V S to objętość pustej kolumny. Oznacza to objętość, która jest zajmowana przez złoże z wypełnieniem, ale pozbawioną tegoż wypełnienia. V S jest iloczynem powierzchni przekroju poprzecznego kolumny A S i wysokości złoża z wypełnieniem H: V s = H A s Jeżeli w objętości pustej kolumny V S znajduje się wypełniacz, wówczas mniejsza objętość jest dostępna dla dwóch faz w złożu upakowanym. Zatem objętość dostępna dla tych dwóch faz jest to tzw. objętość międzyziarnową kolumny V free. V free może być podsumowane jako V S pomniejszone o fazę stałą zajmowaną przez wypełnienie. Stosunek V free do V S nazywany jest porowatością ε: 2

3 ε = V free V S gdzie: V G to objętość gazu w objętości swobodnej kolumny (nazywana również udziałem gazu), V L to objętość cieczy w objętości swobodnej kolumny (nazywana również udziałem cieczy). Można zatem stwierdzić, iż: V free = V G + V L Podczas, gdy V free pozostaje stałe w trakcie eksperymentu, V G i V L reagują na zmieniające się warunki. Gdy dochodzi do wzrostu V L w złożu upakowanym, maleje dostępna objętość V G i na odwrót. Stopień zatrzymania cieczy h L jest użytecznym narzędziem mającym na celu bezpośrednie porównanie kolumn o różnych rozmiarach: h L = V L V S Stopień zatrzymania cieczy odnosi udział cieczy do objętości pustej kolumny. Podobnie jest w przypadku wydatku objętościowego gazu V 1. W tym przypadku odniesienie do pola przekroju kolumny A S pozwala na lepsze porównanie. Prędkość filtracji gazu u G oblicza się z następującego wzoru: u G = V 1 A S Aby obliczyć gęstość opadu u L należy skorzystać ze wzoru: u L = V 2 A S Terminem względnej straty ciśnienia określa się następujący iloraz Δp/H. Względna strata ciśnienia pozwala na porównywanie złóż z wypełnieniem o różnych wysokościach. 3.4 Pomiar objętościowego natężenia przepływu Schemat rotametru przedstawiono na Rys. 1. Ten rodzaj rotametru składa się z pionowej, stożkowej części pomiarowej, przez którą płynie ciecz z dołu do góry. Precyzyjnie ukształtowany pływak porusza się swobodnie wewnątrz strugi płynu i jest unoszony na skutek oporu przepływu. A zatem zostaje ustalony stan równowagi, w którym ciężar pływaka i opory przepływu równoważą się. Ze względu na zasadę działania, wiarygodny zakres wartości rotametru zaczyna się od 5-10% maksymalnej mierzalnej wielkości przepływu. Odczyt wielkości przepływu wykonuje się poprzez odczytanie wartości wzdłuż górnej krawędzi pływaka. 3

4 odczytaj stąd Rys. 1. Schemat rotametru pływak Uwaga. Pęcherzyki powietrza lub inne nieczystości powodują niedokładności pomiaru. W celu ich zapobiegania przepłucz układ przed pomiarem przez pełne otwarcie wszystkich zaworów. 4. Wykonanie ćwiczenia Opis układu eksperymentalnego Rys. 2 przedstawia schemat układu eksperymentalnego. Kolorem niebieskim oznaczono obieg wody, zaś pomarańczowym powietrza. W Tab. 2 zamieszczono opis występujących na schemacie oznaczeń. Rys. 2. Schemat układu eksperymentalnego 4

5 Tab. 2. Wyjaśnienia oznaczeń w schemacie układu eksperymentalnego. Główne komponenty: B1 Zbiornik wody K1, K2 Kolumny z wypełnieniem P1 Pompa wody V1 Sprężarka powietrza Zawory: V01 Zawór dławiący V02 Zawór bezpieczeństwa V03 Zawór zwrotny V04, V05 Zawory odcinające V06 Zawór regulujący V07 Zawór odcinający V08 Zawór przełączający V09 Zawór odcinający V10 Zawór regulujący Przyrządy pomiarowe: Fl1 Natężenie przepływu powietrza Fl2 Natężenie przepływu wody PI1 Ciśnienie w głowicy kolumny PI2 Ciśnienie w centrum kolumny PI3 Ciśnienie w odpływie z kolumny Urządzenie składa się z kolumny z wypełnieniem (K1, K2), zbiornika wody (B1), pompy wody (P1), sprężarki powietrza (V1), przyrządów pomiarowych oraz łączących wszystko kanałów. Pompa wody jest pompą odśrodkową. Wymusza ona obieg wody i przepompowuje wodę ze zbiornika (B1) do kolumny (K1, K2). Umiejscowienie zaworu odcinającego (V07) i zaworu przełączającego (V08) określa kierunek przepływu wody przez kolumnę. Przepływomierz wody (Fl2) jest rotametrem. Zawór regulujący (V06) używany jest celem uzyskania wymaganego wydatku przepływu. Powietrze z otoczenia pompowane jest do kolumny przez sprężarkę powietrza (V1) (jest to sprężarka łopatkowa). Wewnętrzny zawór przelewowy ogranicza ciśnienie wylotowe. Przepływomierz powietrza (Fl1), który jest także rotametrem, umiejscowiony jest po stronie ssącej. Pożądany wydatek powietrza uzyskiwany jest poprzez zawór dławiący otwierający się przeciwnie do kierunku przepływającego gazu. Zawór zwrotny (V03) odpowiedzialny jest za uniemożliwienie wodzie dostania się do obiegu powietrza i sprężarki. Gdy sprężarka powietrza jest w stanie spoczynku, zamknięcie zaworu odcinającego (V04) zapewnia dodatkowe zabezpieczenie przeciwko dostaniu się wody. Na Rys. 3 przedstawiono rzeczywisty wygląd układu eksperymentalnego. 5

6 1 Przepływomierz wody (Fl2) 2 Zawór regulujący (V06) 3 Sprężarka powietrza (V1) 4 Kolumna z wypełnieniem (K1) 5 Panel regulujący 6 Przepływomierz powietrza (Fl1) 7 Zawór dławiący (V01) 8 Kolumna z wypełnieniem (K2) 9 Zbiornik wody (B1) 10 Zawór regulujący (V10) 11 Pompa wody (P1) Rys. 3. Rzeczywisty wygląd układu pomiarowego Tryby pracy Rys. 4. Tryb pracy nr 1 (tryb opadającej wody) Rys. 4 prezentuje tryb pracy nr 1 (tryb opadającej wody). W tym przypadku woda przepływa z góry na dół przez kolumnę z wypełnieniem. Przykładem aplikacyjnym trybu pracy nr 1 jest oczyszczanie ścieków przy użyciu biofilmu. Podczas tego procesu ścieki przepływają przez złoże stałe składające się z podłoża z osadem czynnym. 6

7 Rys. 5. Tryb pracy nr 2 (tryb wznoszącej się wody) Rys. 5 prezentuje tryb pracy nr 2 (tryb wznoszącej się wody). W przypadku tego trybu, woda przepływa z dołu do góry przez kolumnę z wypełnieniem. Ten tryb wykorzystuje się przykładowo podczas katalizy w złożu stałym, gdzie ciecz przepływa od dołu do góry przez złoże nieruchome z materiału katalizującego. Katalizator ze złożem stałym przyspiesza reakcje chemiczne, unikając jednocześnie zużycia. Rys. 6. Tryb pracy nr 3 (przepływ przeciwprądowy) Rys. 6 przedstawia typowy przepływ przez kolumnę z wypełnieniem (tryb pracy nr 3 przepływ przeciwprądowy), gdzie woda i powietrze poruszają się przeciwprądowo (woda z góry na dół, powietrze w kierunku przeciwnym). Przykładem procesu technologicznego wykorzystującego ten tryb jest absorpcja dwutlenku węgla z mieszaniny dwutlenku węgla i powietrza z wodą. 7

8 Rys. 7. Tryb pracy nr 4 (przepływ współbieżny) Rys. 7 prezentuje tryb pracy nr 4 (przepływ współbieżny). W tym wypadku zarówno woda jak i powietrze przepływają z dołu ku górze przez kolumnę z wypełnieniem. Jednym z przykładów tego trybu pracy jest trójfazowa kataliza ze złożem stałym. W takim procesie ciecz i gaz przepływają przez złoże stałe złożone z katalizatorów stałych od dołu ku górze. Wykonanie ćwiczenia UWAGA. Wskazówki dotyczące bezpieczeństwa: 1. Używanie pompy wody bez zalania doprowadzi do jej zniszczenia. Stanowczo nie wolno używać niezalanej pompy oraz należy upewnić się czy w trakcie wykonywania doświadczenia występuje przepływ wody. Stanowczo nie wolno używać pompy przy zamkniętych zaworach i złączkach należących do obiegu wody w układzie. 2. Sprężarka powietrza zostanie uszkodzona jeżeli do obiegu powietrza dostanie się woda. W trakcie przeprowadzania eksperymentu przy użyciu jedynie obiegu wody należy zamknąć zawór odcinający V04. Przeprowadzenie eksperymentu 1. Zapoznać się z instrukcjami bezpieczeństwa. 2. Opróżnić kolumnę. Aby tego dokonać należy otworzyć zawór regulujący V10. Następnie należy przełączyć zawór przełączający V08, po czym nastąpi odpływ wody do zbiornika wody B1. 3. Sprawdzić czy poziom wypełnienia w zbiorniku wody wynosi 20 [cm]. W razie konieczności należy uzupełnić zbiornik wodą. 4. Podłączyć układ eksperymentalny do zasilania. 5. Przełączyć włącznik główny (27) na Ustawić (zresetować) wyświetlacze elektroniczne ciśnienia do zera. 8

9 7. Ustawić zawory i złączki zgodnie z założeniami trybu pracy 2 (zgodnie z Rysunkiem 4.). 8. Zamknąć zawór odcinający V Nieznacznie otworzyć zawór regulujący V Włączyć pompę wody P Korzystając z zaworu regulującego V06, ustawić wydatek objętościowy wody (około 100 [l/h]). 12. Po wystąpieniu przelania, zwiększyć wydatek objętościowy wody. Należy zezwolić na kilkuminutową pracę układu celem odpowietrzenia upakowanego złoża. Proces ten można wspomóc manualnie poprzez delikatne uderzanie dłonią w osłonę kolumny. 13. Wyłączyć pompę wody. 14. Odczytać i zapisać mierzone wartości. 15. Włączyć pompę wody. 16. Ustalić wydatek objętościowy wody (rozpoczynając od 100 [l/h]). 17. Po około 30 [s] wypływu odczytać i spisać mierzone wartości. 18. Ustalić ponownie wydatek objętościowy wody (zwiększyć o 50 [l/h]). 19. Po około 30 [s] wypływu odczytać i spisać mierzone wartości. 20. Powtarzać dwa poprzednie kroki do momentu, gdy wydatek objętościowy wody wyniesie 500 [l/h]. 21. Wyłączyć pompę wody. 22. Pozwolić by woda opuściła kolumnę. 23. Wyłączyć układ pomiarowy włącznikiem głównym (ustawić włącznik na pozycję 0 ). 24. Odłączyć układ od zasilania. Obliczenia Strata ciśnienia pierwszego poziomu p 1 określana jest na podstawie ciśnienia zmierzonego w centrum kolumny (p 2) oraz ciśnienia zmierzonego w głowicy kolumny (p 1). Zatem: p 1 = p 2 - p 1 [mbar] Analogicznie należy postąpić ze stratą ciśnienia drugiego poziomu p 2 i, w konsekwencji, całkowitą stratą ciśnienia p t. p 2 = p 3 - p 2 [mbar] p t = p 3 - p 1 [mbar] Całkowita strata ciśnienia składa się ze składowej statycznej i dynamicznej: p t = p t,stat + p t, dyn [mbar] Składowa statyczna p t,stat w całkowitej stracie ciśnienia obliczana jest z wartości zmierzonych dla zerowego wydatku objętościowego wody (V 2 = 0), stąd też dla tych warunków: p t, stat = p 3 - p 1 [mbar] Stąd też aby uzyskać stratę ciśnienia dynamicznego: p t, dyn = p t - p t, stat [mbar] Popularną praktyką jest uzależnienie strat ciśnienia od odpowiadającej wysokości złoża z wypełnieniem. Całkowita wysokość złoża jest sumą wysokości oddzielnych poziomów (dwa poziomy dla dwóch kolumn): 9

10 H t = H 1 + H 2 [m] Zatem, w przypadku ciśnienia dynamicznego, możemy mówić o względnej całkowitej stracie ciśnienia dynamicznego p t, dyn/h t [mbar/m]. Należy zauważyć, że nie tylko wydatek objętościowy ma wpływ na straty ciśnienia w złożu z wypełnieniem, ale również odpowiadające pole przekroju kolumny A s. Aby je obliczyć należy skorzystać ze wzoru na pole koła, uwzględniając średnicę wewnętrzną kolumny ds. Znając pole przekroju kolumny oraz wydatek objętościowy wody z łatwością można obliczyć gęstość opadu u L: u L = V 2/A s [m 3 /(h m 2 )] Posiadając powyższe informacje, możliwym jest wypełnienie tabeli znajdującej się w załączniku do instrukcji. 5. Sprawozdanie Sprawozdanie należy przygotować w oparciu o wyniki uzyskane w trakcie zajęć laboratoryjnych oraz szablonu zamieszczonego na stronie Katedry Podstawowych Problemów Energetyki. Sporządź wykres charakterystyki strat ciśnienia, tj. wykresy strat ciśnienia na poziomie pierwszym, drugim oraz wykres strat ciśnienia całkowitego w funkcji gęstości opadu. Reasumując, przygotuj i zamieść następujące wykresy: p 1 (u L) (dla wszystkich wykonanych serii pomiarowych); p 2 (u L) (dla wszystkich wykonanych serii pomiarowych); p t (u L) (dla wszystkich wykonanych serii pomiarowych). Dodatkowo należy sporządzić wykres względnej całkowitej straty ciśnienia dynamicznego jako funkcji gęstości opadu: p t, dyn/h t (u L) (dla wszystkich wykonanych serii pomiarowych). Przedstaw przykłady obliczeniowe oraz omów sporządzone wykresy: porównaj uzyskane wartości dla różnych warunków eksperymentu i zastanów się nad wyjaśnieniem otrzymanych wyników, zinterpretuj je. Uwzględnij również analizę błędów wraz z jej opisem. 10

11 Zespół nr.. Osoby: Arkusz do zapisywania wyników pomiarów do wydrukowania Tab. 1. Dane dla pierwszej serii pomiarowej Wielkość Symbol Jednostka Wartość Wydatek objętościowy wody V 2 [l/h] Ciśnienie w głowicy kolumny p1 [mbar] Ciśnienie w środku kolumny p2 [mbar] Ciśnienie w odpływie kolumny p3 [mbar] Tab. 2. Dane dla drugiej serii pomiarowej Wielkość Symbol Jednostka Wartość Wydatek objętościowy wody V 2 [l/h] Ciśnienie w głowicy kolumny p1 [mbar] Ciśnienie w środku kolumny p2 [mbar] Ciśnienie w odpływie kolumny p3 [mbar] Tab. 3. Dane dla trzeciej serii pomiarowej Wielkość Symbol Jednostka Wartość Wydatek objętościowy wody V 2 [l/h] Ciśnienie w głowicy kolumny p1 [mbar] Ciśnienie w środku kolumny p2 [mbar] Ciśnienie w odpływie kolumny p3 [mbar] Data i podpis Prowadzącego 11