ертханалық жұмыс № 1

Судың мөлшері G, кг/с

Судың температурасы, t_у, ⁰С

Орташа жылдамдық w, м/с

Рейнольдс саны Re

Ағын мен бояудың күйі

Ағынның режимі

роцестер және аппараты» курсы жалпы инженерлiк дайындауда қорытындылаушы, ал арнаулы (инженерлiк) дайындық бағытында негiз қалаушы пән болып табылады.

Бұл «Процестер және аппараты» пәнде әрбiр типтес технологиялық процестiң теориялық негiздерiне, оның статикасы (тепе-теңдiк қатынастары) мен кинетикасына, оның алмасу құбылысын есепке алып уақытқа байланысты дамуына, көбiрек таралған химиялық аппараттардың құрылымдарын және оларды электронды есептеу машиналарын пайдаланып есептеу әдiстерiн бiлуге ерекше көңіл аударылады.

«Процестер және аппараты» пәнiнде типтiк технологиялық процестердiң қарқындылығы мен тиiмдiлiгiн арттыру, энергияны үнемдеу және экология мәселелерiне ерекше назар аударылады.

Лекциялар, лабораториялық практикум, практикалық сабақтар, курстық жоба, жалпы инженерлiк өндiрiстiк практика кезiнде берiлетiн жеке тапсырмалар өнеркәсiп орындарында, ғылыми-зерттеу және жобалау институттарында, мекемелерiнде, жоғары техникалық оқу орындарында табысты жұмыс iстеу үшiн керектi дағдылықты, ептiлiктi және бiлiмдiлiктi қамтамасыз етедi.

Оқу құралы «Гидромеханикалық процесстер» бөлімінің мазмұнынан және 7 зертханалық жұмыстан құралады. Әрбір зертханалық жұмысқа мыналар жатады: жұмыстың мақсаты, теориялық бөлім, қондырғының сипаттамасы, жұмысты орындау тәсілі, негізгі көрсеткіштерді есептеу реті, бақылау сұрақтары. 2-3 студенттен топқа бөлініп, оқытушының рұқсатымен зертханалық жұмыс орындауға жіберіледі. Әрбір студент жұмысты орындап, тапсырмаға сай есептеп, есеп береді және оқытушыға қорғайды

Зертханалық оқу құралы типтік және жұмыстық оқу бағдарламаға мазмұнына сәйкес және М.Әуезов атындағы ОҚМУ фирмалық стандартының Ф.4.7-008-02 талаптарына сай құрастырылған. Барлық оқу үлгідегі 050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 мамандырылған студенттерге арналған оқу құралы.

ертханалық жұмыс № 1

Құбырдың гидравликалық кедергісін анықтау

Жұмыстыңмақсаты: Үйкеліс коэффициенті мен жергілікті кедергілердің коэффициенттерін тәжірибе арқылы анықтау. Үйкеліс коэффициенті мен жергілікті коэффициенттердің мәндерінің сұйықтың қозғалу ережесіне қатынасын зерттеу.

1.1. Теориялық бөлім

Іс жүзіндегі тасқын құбырдың ішінде қозғалғанда оның меншікті энергиясы қозғалғандағы сұйық қабаттардың арасындағы молекулалардың өзара байланыс күшін жеңуге (ішкі күйзеліс) және сұйықпен түтіктің ішкі қабырғасының арасындағы үйкеліс күшіне жұмсалады (сыртқы үйкеліс). Жоғалған тегеуріннің шамасын біле отырып, Бернулли теңдеуін қолданып, сұйық пен газ тасқындарының бойындағы жылдамдык пен қысымның мәндерін анықтауға мүмкіндік туады.

(1.1)

мұнда: , – нивелир биіктігі, м;

; - статикалық тегеурін, м;

; - жылдамдық тегеуріні, м;

h _ш- шығындалған тегеурін, сондай-ақ жоғалған энергия, өлшем бірлігі м.

Химия өнеркәсібінде сұйықтар (газдар) құбырлар арқылы тасымалданады және ол үшін көптеген энергия шығындалады. Сондықтан нақты сұйықтардың құбырлармен қозғалысындағы гидравликалық кедергілерді есептеу гидравликаның ең негізгі мәселерінің бірі болып табылады. Гидравликалық кедергілердің екі түрі болады:

1) Үйкеліс кедергісі нақты сұйықтардың құбырдың барлық ұзындығы бойынша қозғалысында пайда болады. Бұл кедергіге қозғалыстың режимі әсер етеді.

2) Нақты сұйық ағынының жылдамдығы шамасы және бағыты бойынша өзгергенде жергілікті кедергілер пайда болады. Мысалы, жергілікті кедергілерге сұйықтың құбырға кіруі және одан шығуы, құбыр қимасының кенеттен ұлғаюы немесе тарылуы, иіндер, бұрылыстар, сұйық шамасын реттейтін құрылғылар (вентилдер, крандар) және т.б. жатады.

Сонымен жалпы шығындалған тегеурін екі қосындымен өрнектеледі:

(1.2)

Мұнда: - үйкеліс кедергісіне шығындалған тегеурін, м;

-жергілікті кедергілерге шығындалған тегеурін, м.

Тегеурін және қысым шығындарын анықтау іс жүзінде ең маңызды мәселе, себебі ол нақты сұйықтарда насостар, компрессорлар және т.б. арқылы тасымалдағанда қажетті энергияны есептеумен байланысты.

Шығындалған тегеурін Вейсбах теңдеуімен:

(1.3)

мұнда: j - кедергі коэффициенті;

w – ағынның орташа жылдамдығы, м/с.

(1.3) теңдігінде кедергі коэффициенті ретінде үйкеліс кезіндегі энергия шығынның есептегенде үйкеліске кеткен ұзындығы бойынша кедергі кэффициенті j_l, ал жергілікті кедергінің энергия шығының есептегенде j_ж.к _. жергілікті кедергінің коэффициенті қойылады.

Үйкеліске жоғалтқан тегеурінді анықтау.

Үйкеліске жоғалтқан тегеурін коэффициенті төмендегі теңдікпен анықталады:

(1.4)

мұнда: l - үйкеліс коэффициенті (Дарси коэффициенті);

l – құбырдың ұзындығы, м;

d – құбырдың диаметрі, м.

(1.4) тендігін (1.3) теңдеуіне қойып өрнектегенде Дарси-Вейсбах теңдігі шығады:

(1.5)

Үйкеліс кэффициенті көптеген факторларға: ағын қозғалысының режиміне, оның физикалық қасиеттеріне, пішініне және құбырдың бұрылыстарына, құбырдың ішкі қабырғасының бұдырлығына байланысты.

(1.5) теңдігін логарифимдесек:

(A)

мұнда: - құбырдың ішкі қабырғасының бұдырлығының абсолюттік шамасы (бұдырлықтың орташа биіктігі), мм.

Жез, қорғасын, мырыш құбыр үшін: - 0,002

Жіксіз болат құбыры үшін - 0,006-02

Пайдаланған болат құбыры үшін - 0,1…, 0,5

шойын құбыр үшін - 0,2…,1,0

Гидравликалық тегіс құбыр Re саны көбейген сайын бірте-бірте гидравликалық бұдырлы құбыр болып есептеліп кетуі мүмкін. Сонымен Re санының көбеюіне байланысты үйкелісті төмендегі үш аймаққа (зонаға) бөлуге болады: 1) тегіс үйкеліс аймаға – λ тек Re санына байланысты; 2) аралас үйкеліс аймағы – λ тек Re санына және бұдырлыққа байланысты; 3) автомоделді аймағы – λ тек Re санына болмай тек бұдырлыққа байланысты.

Түзу құбырдағы ламиарлық қозғалыста (Re <2300) үйкеліс кедергісіне шығындалған тегеурінді теориялық жолмен Хаген-Пуазейль теңдеуіне негізделіп анықтауға болады:

(1.6)

мұнда: m – тұтқырлықтың дианмикалық коэффициенті, Па^.с;

r – сұйықтың тығыздығы, кг/м³;

g – еркін түсу үдеуі, м/с².

(1.5) және (1.6) теңдіктерін теңестіріп, комплекс Рейнольдс санының мәніне тең екенін ескере отырып, Дарси коэффициентінің өрнегін аламыз.

(1.7)

осыдан: , және осының есебімен үйкеліске шығындалған тегеурін төмендегіше анықталады:

(1.8)

Екінші аймақ –турбуленнті ағыстың басталуын сипаттайды (2320 £ Re£ 10⁵).Бұл кезде үйкеліс коэффициенті сұйықтың бөлшектерінің арасындағы инерциялық күштер мен оған әсер ететін тұтқырлық күшіне байланысты болады да түтіктің қабырғасының тегістігіне қатысты болмайды: l=¦(Rе). Қаралған ережеде тасқынның ламинарлы қабатының қалыңдығы түтіктің дөңінің биіктігінен әлдеқайда артық болады Бұл кезде бұдырдың дөңдерінің бәрі бір қалыпты баяу ағатын ламинарлы қабаттың астына батып кетеді. «Тегіс үйкеліс» немесе «тегіс түтік» аймағы байқалады. Тасқынның бұдыр дөңдерінен өткенде құйын немесе қосымша кедергілер пайда болады.Үйкеліс кедергісінің коэффициентін турбуленттік режимде есептеу үшін Блаузиус формуласын пайдалануға болады:

(1.9)

Үшінші аймақ – кемелденген турбулентті режим 10⁵< Re < 10⁶. Тұтқырлықтың кедергіге әсері азаяды, ал қозғалу жылдамдығы анағұрлым ұлғаяды.Бұл турбулентті тасқында жылдамдыққа пропорционалды тұтқырлықтың кедергісінің негізгі бөлігі дамыған турбулентті ережеде, сұйықтың центрдегі турбулентті өзегінде, бөлшектердің құйындатып айналуы кезінде пайда болады. Бұл ережеде ламинарлы қабаттың астының қалыңдығы тез арада жұқарады. Ламинарлы қабаттьң астарынан бұдырдың дөңі «жалаңаштанады» және өздері сұйықтың қозғалыстағы бөлшектерін құйындатып айналдыра бастайды, осылай өздері үйкеліске жоғалатын тегеурінді көбейтеді. Үйкеліс кедергісінің коэффициентін кемелденген турбуленттік режимде есептеу үшін Альтшуль формуласын пайдалануға болады:

(1.10)

Төртінші аймақ – автомоделді аймақ Re > 10⁶. Ламинарлы қабаттың биіктігінің азаятыны сондай, бұдырдың айдары түгелімен сұйықтың турбулентті тасқынның жуылып кетеді, бұл кезде олар тасқыннан жеке құйындарды ұстап қалып оның турбуленттігін күшейтеді. Айналып жүрген құйынның бөлшектерінің кинетикалық энергиясы сұйықтың жылдамдығының (квадратына) екінші көрсеткішіне пропорционалды болады. Сондықдан бұл аймақ квадратты кедергі немесе автомоделді аймақ деп аталады. Үйкеліс кедергісінің коэффициентін автомоделді аймақта есептеу үшін Шифринсон формуласын пайдалануға болады:

(1.11)

Үйкеліс кедергісінің коэффициентін графиктен анықтауға болады (2,503 бет.).

Жергілікті кедергілерді анықтау

Жергілікті энергияның шығыны құбырдың қысқа бөлігінде, қозғалыстағы тасқынның арнасының пішіні мен өлшемінің тез арада өзгеруінің нәтижесінде пайда болады. Мұндай құбылыс кенеттен жіңішкергенде, кеңейгенде бұрылыстарда, бұрып жібергенде, диафрагмаларды вентильдерде, шүмектерде, диффуздар мен конфузорда және т.б. болады. Тегеуріннің жоғалуын тудыратын табиғи күш жергілікті кедергілерде әртүрлі. Мысалы, құбыр кенеттен кеңейгенде тасқынның ағысы тар жерден кең жерге босанып шығады.

Жергілікті кедергілерге жұмсалған телгеурін Вейсбах теңдеуін (1.3) пайдаланып, жергілікті кедергінің кфоэффициентін табамыз:

(1.12)

мұнда: - жергілікті кедергілерге жұмсалған тегеуріннің жылдамдық, жылдамдық тегеуріннің қатынасын көрсететін жергілікті кедергінің коэффициенті.

сандық мәні анықтамада келтірілген (2, 503 бет).

1.2. Қондырғыны сипаттау

Лабораториялық қондырғы түтіктен, диафрагмадан 4, жергілікті кедергі болатын тетіктерден (вентиль бұрыштардан в,г,д, иін i кеңейген а, тарылған б), түзу саладан ж, манометрлер жүйесінен 5,6,7,8,9,10,11 тұрады.

Қондырғыны реттеу вентилін 11 ақырын бұру арқылы жұмысқа қосады, өйткені тез ашылғанда дифманометрден су асып төгілуі мүмкін. Қондырғының тақтасына орнатылған диафрагманың 4 калибрлеу графигімен анықталатын, дифманометрмен 7 тексерілетін, жұмсалатын ауаның мөлшері вентильмен реттеледі.Дифференциалдық манометрмен 5,6,7,8,9,10 әртүрлі аудандардағы қысымдардың айырмашылығы өлшенеді.

Тәжірибеден алынған өлшемдердің нәтижесі байқау хаттамасына түсіріледі, ауаның түрлі шығындарына, өлшемдерді бес, алты рет қайталау керек.

1.3. Тәжірибеден алынған мәліметтерді өңдеу

Құбырдың екі көлденең арасында қимасында кеңейтуге кеткен жоғалтуды ескере отырып, Бернулли теңдеуін мына түрде жазамыз:

(1.13)

немесе, қысым бірлігінде:

(1.14)

Дифмометрдің жалғандағы импулсті нүктелердің биіктіктеріндегі қысым айырмасының мәні жоқ болады, онда нивелир биіктігі тең деп қабылдаймыз: .

Құбырдағы екі көлденең қимасындағы қысымдар айырмасын төмендегі теңдікмен анықтауға болады:

∆P = P – P = ∆h (1.15)

(1.10) теңдігін (1.9) теңдігіне қойсақ, төмендегі теңдікті аламыз:

(1.16)

мұнда: - манометрдегі сұйықтықтың тығыздығы, кг/м³;

- дифманометрдің көрсеткіші, м;

- ауаның тығыздығы, кг/ м³;

W₁, W₂ - бірінші және екінші қимадағы ауаның жылдамдығы, м/с.

Құбырдың ұзындығы бойынша кедергіні есептегенде өзгеріссіз болады. Сондықтан (1.16) теңдігіндегі екінші бөлшегі нолге тең болады. Сонымен теңдік төменгі теңдікпен өрнектеледі:

(1.17)

Сур. 1.1. Қондырғының сызбасы

1 - түтіктің бірінші участогы, d = 24,5 мм;

2 - екінші участок (кеңею), d = 38,4 мм;

а – кенеттен кеңеюі; б, в, г, д, е - бұрылыстар; ж – тік участогы

3 - үшінші участок, d = 18 мм;

4 - диафрагма, d = 9 мм;

5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 - дифманометрлер; 11 – вентиль

Кесте 1.1. Байқау хаттамасы

Ауаның шығыны	Дифманометрлер көрсеткіші, мм су. бағ.	мм. сынап. бағ.	К
Дифманометр 7 көрсеткіші.	Ауаның шығыны	Дифманометр 5 көрсеткіші.	Дифманометрдің тарылуы 6.	Дифманометр 9-ң 60º бұрылысы	Дифманометр 12-ң 90º бұрылысы .	Дифманометр 10-ң 120º -қа бұрылысы	Дифманометр 8 Түтіктің тік участогы 1,8= l	Атмосфералық қысым	Ауаның температурасы

1.4. Есептеуді жүргізу тәртібі

Құбырдың барлық тәжрибесіне көлемдік шығының анықтау:

(1.18)

мұнда: V_c – түтіктегі газдың секундтық жұмсалуы, м³/с;

a - диафрагманың жұмсалу коэффициенті, a = 0,62;

f - диафрагма тесігінің ауданы, м²;

d - диафрагманың диаметрі, d = 0,006 м;

Δh_м - дифференциалды манометрдің V көрсетуі мм су бағанасымен, м;

r_сұй - манометрлік сұйықтың тығыздығы, кг/м³;

r_r - тасқынның орташа температурасындағы газдың қысымы, кг/м³

Кедергіге дейінгі және кейінгі қимадағы орташа жылдамдықты табу керек:

(1.19)

F - көлденең қимасының ауданы, м².

Сызықтық участоктегі қысымның түсуін анықтау керек:

(1.20)

мұнда: Δh_м – тура участоктегі дифманометрдің көрсеткіші, м.

Тәжірибелік үйкеліс коэффициентін төмендегі теңдікпен анықталады:

(1.21)

мұнда: d_э – ағыстың эквивалентті диаметрі, м; дөнгелек құбыр үшін d_э=d_іш, м

Рейнольдс санының сандық мәнін анықтау керек:

(1.22)

Ауаның қозғалыс режимін анықтап, үйкеліс коэффициентін есептеуде теңдеуді таңдап алып, оны табу керек

Үйкеліс коэффициентінің тәжірибелік мәні мен есептеу арқылы табылған мәні арасындағы салыстырмалы қателік, пайыздықпен төмендегі теңдікпен табылады:

(1.23)

Берілген жергілікті кедергінің қысымдарының айырмасы төменгі теңдікпен табылады:

(1.24)

мұнда: Δh_м –дифференциалдық манометрдің көрсетуі, м;

r_с – манометрлік сұйықтың тығызыдығы, кг/м³

r_г – ауаның тығыздығ, кг/м³.

Жергілікті кедергінің тәжірибенің коэффициенті төмендегі теңдікпен есептеледі:

(1.25)

мұнда: w - жергілікті кедергі аймағының орташа жылдамдығы, м/с.

тәжірибелік бойынша алынған жергілікті кедергінің коэффициентінің мәнін анықтамадан (2, 520 бет) алынған мәнімен төмендегі теңдікпен салыстыр:

(1.26)

мұнда: - анықтамадан алынған коэффициенттің мәні, из (2, 503 бет)

Жүргізілген жұмысты қорытындылау керек.

1.5. Бақылау сұрақтары

1. Құбырдың ішіндегі гидравликалық кедергіні анықтау.

2. Жергілікті кедергінің шығын энергиясын түсіндір.

3. Үйкеліс коэффициентінің жергілікті кедергіден айырмашылығы?

4. Ағын қозғалысының режимі үйкеліс коэффициентінің сандық мәніне әсері қандай.

5. Гидравликалық тегіс түтік дегеніміз не?

6. Ақиқат сұйық қозғалатын құбырдың әр түрлі екі көлденең қимасына арнап Бернулли теңдеуін жазу керек.

7. Жоғалған энергияның жоғалған тегеуріннен айырмашылығы неде?

8. Үйкеліске жұмсалған энергияны табыныз.

ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС № 2

СҰЙЫҚТЫҢ ҚОЗҒАЛЫС РЕЖИМІН АНЫҚТАУ

Жұмысытың мақсаты: Ағынның әртүрлі режимдерін зерттеу.

2.1. Теориялық бөлім

Химия технологиясындағы көптеген процестердің қарқындылығы оларға қатысатын сұйық немесе газ ағындарының қозғалыс режиміне көп байланысты. Мұндай процестерді есептегенде сұйықтың немесе газдың қозғалыс түрлерін ескеру қажет.

Ағылшын ғалымы О.Рейнольдс 1883 жылы сұйық қозғалысының екі түрлі режимі болатынын тәжірибе жүзінде толық зерттеп анықтады.

Қозғалыстың бірінші түрінде сұйықтың элементар ағыстары түзу сызықпен өзара араласпай, параллель қозғалады. Бұл режимді Рейнольдс ламинарлық режим деп атады.

Рейнольдс санын, гидродинамикалық ұқсастық теориясын қолданып сұйық қозғалысының Навье - Стокс дифференциалдық теңдеуінен қорытып шығаруға болады. Бұл тәсіл Рейнольдс санының физикалық мәнін анықтайды. Рейнольдс саны қозғалыстағы сұйыққа әсер ететін инерция күшпен тұтқырлық күшінің қатынасын көрсетеді. Демек, Рейнольдс санының мәні үлкен болғанда (турбуленттік режимде) инерциялық күштің шамасы тұтқырлық күшінің шамасынан әлде қайда үлкен болады. Керісінше, ламинарлық режимде қозғалыс негізінен тұтқырлық күшінің әсерімен сипатталады.

Сұйықтың элементар ағыстарының жылдамдықтарының өзгеруі құбырдың қимасы бойынша осы екі режимде әртүрлі болады. Екі режимде де құбырдың ішкі бетіндегі сұйық ағысының жылдамдығының мәні үйкеліс күшінің әсерінен нольға тең болады да, құбырдың осіндегі сұйық ағысының жылдамдығының мәні ең үлкен шама болады. Ламинарлық режимде ағыс жылдамдықтары осы екі аралықта параболалық заңдылықпен, ал турбуленттік режимде логарифмдік заңдылықпен өзгереді.Ағынның орташа жылдамдығы ламинарлық режимде ең үлкен жылдамдықтың жартысына тең болады:

w_ср= 0,5 w _max (2.1)

Ал қозғалыстың екінші түрінде сұйықтың барлық массасы бір бағытта қозғалғанмен, элементар ағыс сызықтары өзара араласып, сұйықтың жекеленген бөлшектері тәртіпсіз, кез-келген бағытта қозғалады. Бұл режимді Рейнольдс турбуленттік режим деп атады.

Ал турбуленттік режимде:

w_ср= (0,8 ¸ 0,9) w_max (2.2)

Сонымен бірге Рейнольдс сұйық қозғалысының режиміне сұйықтың тұтқырлығы, тығыздығы, орташа жылдамдығы және ағынның геометриялық өлшемі әсер ететіндігін анықтады.

Осы төрт шамадан тек бір ғана өлшем бірліксіз комплекс сан алуға болады. Ол санды Рейнольдс саны деп атайды:

(2.3)

где: w – ағынның орташа жылдамдығы, м/с;

d_э – құбырдыңэквивалентті диаметрі, м;

r – сұйықтың тығыздығы (газа), кг/ м³;

-сұйықтың тұтқырлығының динамикалық коэффициенті, Па ^. с;

n = - сұйықтың тұтқырлығының кинематикалық коэффициенті, м²/с.

Ламинарлы режим бөлшектер майда және ортаның тұтқырлығының көп болуына байланысты олардың қозғалысы аз жылдамдықпен сипатталады. Бұл кезде сұйық бөлшектерді жай ағыстап өтеді және энергия тек үйкеліс кедергісін жеңуге жұмсалады. Ламинарлы режимнің критикалық мәні Re_кр = 2300.

Турбулентті режим бөлшектердің ірі және тығыздығы көп, ал ортаның тұтқырлығының аз болуына байланысты үлкен жылдамдықпен сипатталады. Жылдамдықтың және инерция күшінің үлкен болуы салдарынан бөлшектің артқы жағында ағынның ретсіз араласқан құйынды қозғаласы пайда болады. Соның әсерінен бөлшектің артқы жағында қысым азаяды.

Рейнольдс санның мәні төмендегідей белгіленеді:

Ламинарлы ағыс - Re < 2300

Ауыспалы аумақ - 2300 £ Re £ 10000

Кемелденген турбулентті ағыс - Re ³ 10000

Рейнольдстің жүргізіген тәжірибелері бойнша егер Re<2300 кіші болса, құбырда ламинарлык режим, ал Re>2300 үлкен болса, онда турбуленттік режим болатыны анықталған.

Ламинарлық режим мен турбуленттік режимнің шекарасын айыратын санды Рейнольдстің аумалы саны деп атайды:

Re_ау=2300

Іс жүзінде бұл санды шартты түрде қабылдау керек, себебійе Re≥2300 болғанда да ламинарлық режімді байқауға болады, бірақ бұл режим орнықты болмайды. Мұндай режимде ағынның бірден турбуленттік режимге ауысып кетуіне әкеліп соғады.

Сондықтан Ғ<2300 болғанда — орнықты ламинарлық режим, Re<10000 болғанда-кемелденген турбуленттік режим, ал 2300 < Re < 10000 болғанда алмасу режимі деп те атайды.

Тік құбырларға қарағанда иректелген (змеевикам) құбыр арқылы өтетін ағыс үшін, Re_кр критикалық мәні жоғары, және құбырдың диаметрінің d ирек орамының диаметріне D қатынасына байланысты ( d /D). Бұл байланыстың түрі анықтама әдебиеттерде / 1, 18 бет/. көрсетілген.

Ағынның геометриялық өлшемі ретінде құбырдың диаметрі, ағынның гидравликалық радиусы немесе эквиваленттік диаметрі пайдаланылады. Гидравликалық радиусы немесе эквиваленттік диаметр ағын қимасы дөңгелек болмағанда қолданылады. Гидравликалық радиус деп ағын арнасының көлденең қимасының ауданының сол қиманың сұйықпен шектелген периметріне қатынасын айтады:

(2.4)

Ішкі диаметрі d болатын дөңгелек құбыдың қиамысының ауданы S = πd²/ 4, ал сұйықпен толық толтырғанда П = π d, осыдан гидравликалық радиус:

r_r = (2.4 а)

Сондай-ақ, дөңгелек емес қимада ағындар үшін диаметрдің орнына эквивалентті диаметрді қолдануға болады:

d _э= = 4r_u = d (2.5)

Дөңгелек құбыр үшін: d_э = d_іш_.

Жан жағы сұйықпен толтырылған тіке бұрышты қимадағы гидравликалық радиус:

r_г = (2.6)

ал эквивалентті диаметр:

d _э= 4r_г = r_г= (2.6а)

2.2. Қондырғының сипаттамасы

Қондырғының сызбасы 2.1. суретте келтірілген. Су орталық жүйеден мөлшерін реттегіш вентилі 4 бар құбыр 3 арқылы тегеурін бағына I беріледі. Бактың белгілі деңгейінен артық су қүбыр 5 аркылы воронкамен 6 канализация қүбырына 9 ағып кетеді. Қондырғы іске қосылғанда су 1 бактан вентилі II бар құбыр 10 арқылы өзара шыны түтікпен 14 қосылған 12 және 15 бактарға беріледі. 12 бактың жоғарғы деңгейінен артық су қүбыр 13 арқылы канализацияға кетеді.15 бактан шыққан су мөлшер реттегіш вентиль 16 және ротаметр 17 арқылы канализацияға қүйылады.

Шыны түтіктің 14 ішінде бояуы бар бактан 18 реттегіш краны 19 бар жіңішке түтікпен 20 боялған су беріледі. Жұмыс аяқталған соң 15 және 12 бактардағы су 21 және 22 вентильдер арқылы шығарылады.

Тәжірибенің сәтті өтуі шыны құбырдағы 14 су ағынының тұтқырлығына және оның жылдамдығымен боялған судың жылдамдығының сәйкестігіне көп байланысты. Сондықтан, орталық жүйедегі 13 құбыр қамтамасыз етеді. Шыны түтіктегі су ағыны мен оған кіретін боялған су ағынының жылдамдықтарын сәйкестендіру үшін бояу құйылған бакты 18 қажетті тегеурінді қамтамасыз ететіндей биіктікке орнатылады, ал бояудың мөлшері 19 кранмен реттеледі.

2.3. Тәжірибені жүргізу тәсілі

Жұмысты ламинарлы режим түзуден басталады. Жылдамдықты ұлғайта отырып, шыны түтіктегі боялған ағыстың әр түрлі ағу режимін өзгерісін бақылау керек.

Жұмысты бастар алдында тегеуірін багындағы 1 су қазаншасындағы судың деңгейін өлшегіш шыны түтік арқылы тексеру қажет. Су аз болс;а, вентиль 4 арқылы бакты толтырамыз.

Сонан соң вентиль 11 арқылы – су құйылған қазаншаларды 12 және 15 бактарды толтырамыз. Ламинарлық режимді зерттеу үшін 16 вентильді жайлап ашып ротаметр 17 арқылы судың ең аз мөлшерін өткіземіз. Сонан соң 19 кранды жайлап ашып, шыны түтікке 2 боялған су жібереміз. 12 бакта міндетті түрде тұрақты деңгей болуы қажет, демек, 13 құбырдан аз мөлшерде болса да су режимде ламинарлық режим турбуленттік режимге, турбуленттікрежим ламинарлық режимге ауысып кетуі мүмкін.

Сур.2.1.Ағынның режимін анықтауға арналған қондырғы

1- су қазаншасы

2- су өлшегіш шыны түтік

3,5,9,10,13,20 –құбырлар

4,7,11,16,19,21 –вентильдер

18 –Бояу құйылған ыдыс

17-ротаметр

12,15 –су құйылған қазаншалар

2.4. Тәжірибеден алынған мәліметтерді өңдеу

Су ағынының орташа жылдамдығы, судың массалық мөлшері арқылы анықталады:

мұнда: G - судың массалық мөлшері, кг/ с;

r - - судың тығыздығы, кг/м³

d _іш – шыны түтіктің ішкі диаметрі (d = 20 мм), м.

Судың массалық мөлшері төмендегі теңдікпен анықталады:

G = V r

мұнда: V – - судың көлемдік мөлшері, м³/сек.

Рейнольдс саны:

мұнда: ν – тұтқырлықты кинематикалық коэффициенті, м²/с

Определить число Рейнольдса для случаев прохождения жидкости через прямоугольное и квадратное сечения трубопроводов со сторонами «a» и «b». Значения сторон выдается преподавателем каждому студенту. При этом для определения скорости воды можно использовать экспериментальные значения расхода воды.

Рейнольдс санының тәжірибелік мәні бойынша ағынның режимін анықтаймыз

Кесте 2.1. Байқау хаттамасы

2.5. Бақылау сұрақтары

1. Ламинарлы ағыс режимі дегеніміз не?

2. Ламинарлы ағыс қозғалысының орташа жылдамдығын табу керек?

3. Турбулентті ағыс режимі дегенміз не?

4. Турбулентті ағыс кезіндегі орташа және максималды ағындардың арасындағы байланыс қандай?

5. Эквиваленттік диаметр және гидравликалық радиус дегеніміз не?

6. Рейнольдс саны дегеніміз не? Рейнольдс санының физикалық мәні қандай?

7. Рейнольдс санының аумалы мәні неге тең, ол нені көрсетеді?

8. Ирек құбыр үшін Re мәні қандай шамаларға тәуелді болады?

ЗЕРХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС № 3

Қатты заттар бөлшектерін қабатының жалған сұйылу гидравликасын зерттеу

Жұмыстың мақсаты: Қабаттың гидравликалық кедергісімен газдың жылдамдығы арасындағы байланысты табу. Газдың алғашқы ауыспалы жалған сұйылу жылдамдығын анықтау. Қабаттың салмағын табу. Қатты бөлшектерді аппараттан ұшырып алып кете алатын газдың мөлшерін табу.

3.1. Теориялық бөлім

Қазіргі уақытта газ немесе сұйықтың қатты заттар бөлшектерімен өзара әсері нәтижесінде өтетін химиялық технологияның бірқатар процестері (кептіру, күйдіру, абсорбция, катализ және т.б.)жалған сұйылу (қайнау) қабаты бар аппараттарда өтеді. Мұндай аппараттарда көрсетілген процестердің өтуі тездетіледі.

Cұйықтардың кейбір қасиеттеріне ие болатын сусымалы дәнді материалдар қабатын жалған сұйылу қабаты – деп атайды. Сырт көрінісінен жалғансұйылу қабаты сұйықтың қайнауына ұқсайды, сондықтан он «қайнау» қабаты – деп те атайды.

Жалған сұйылған қабатқа сұйықтың мынадай қасиеттері тән болады:

аққыштық; ыдысты қисайтқанда қабаттың жоғары беті горизонталь күйінде қалады; қабатқа тасталған ауыр зат түбіне тұнады, ал жеңіл зат бетінде қалқиды. Яғни қатты бөлшектер қабаты сұйыққа айналғандай болады. Сондықтан бұл қабатты жалғансұйылу қабаты – деп атайды.

Сонымен қатар келесі кемшіліктер:

1. Аппаратқа бөлшектер бір мезетте келіп түспейді.

2. морт сынғыш бөлшектердің газбен жегілуі және тозуы.

3. майда бөлшектердің агломерациясы және бірігуі.

4. бөлшектің түрпілі қозғалысының нәтижесінде аппараттың құбыры және қабырғаларының мүжілуі (эрозия)

Мұндай күрделі кемшіліктерге қарамай, экономикалық тұрғыдан тиімді болғандықтан жалған сұйылу өнеркәптерде кеңінен қолдануда.

Жалған сұйылу қабаты процесінің гидравликалық мәні мынандай: егер тесікті (торлы) бөгеттің үстіне орналасқан қатты зат түйіршіктерінің қабаты арқылы газ немесе сұйық өтсе, онда ағынның жылдамдығына байланысты қабаттың күйі әртүрлі болады. Ағын жылдамдығын W (аппарат қимасына есептелген) кейбір бірінші ауыспалы мәніне дейін көбейткенде, жай үзу процесі жүреді, яғни бұл кезде қатты зат бөлшектері қозғалыссыз күйінде қалады және қысымның айырмасы (қабаттың гидравликалық кедергісі) жылдамдық өскен сайын түзу сызықты көбейеді. Дегенмен қысым айырмасының (DР) бұл көбеюі, жылдамдықтың бірінші ауыспалы W _ж.с.критикалық мәнімен шектеледі DP = f(w) байланысты абцисса осіне параллель түзу сызықты болады. Бұл кезде қатты зат бөлшектері әртүрлі бағыттағы (хаотикалық) қозғалыста болады, және қабаттың биіктігі көбейе түседі. Қабаттың осындай күйі жалған сұйылу деп аталады. Қабаттың қозғалыссыз күйден жалған сұйылу күйге ауысуын сәйкес болған газ (сұйық) жылдамдығы жалған сұйылу (немесе бірінші ауыспалы) жылдамдығы деп атайды.

Қабаттың жалған сұйылу күйі гидравликалық кедергі күшінің (DP) қатты зат бөлшектерінің салмағына (G_қ) теңдігіне сәйкес ағын жылдамдығында пайда болады. Демек:

G_қ = DP ^.S (3.1)

мұнда: G_қ_. – қабаттағы қатты зат бөлшектерінің салмағы, кг;

S – аппараттың көлденең қимасының ауданы, м².

Қатты зат түйіршіктерінің жалған сұйылу қабатын қолданып өтетін процестерге ағынның жұмыс жылдамдығы төмендегі теңдікте анықталады:

w_p = nw_кр. = (2 ¸ 10) w_кр (3.2)

мұнда: n – жалған сұйылу саны.

При достижении скорости газа некоторого значения w_у (точка В) псевдоожиженный слой практически прекращает свое существование, так как начинается процесс пневмотранспорта материала.

Ағынның қатты зат бөлшектеріне динамикалық өсер күші F, бөлшектер салмағынан (G) көтергіш (Архимедті) күшін шегергендегі мәніне тең болғпнда, түйіршіктер қозғалыссыз күйден жалған сұйылу күйге өтеді.:

(3.3)

мұнда: r_қ.б., r_ор – қатты бөлшектің және ортаның тығыздығы плотность твердой частицы и среды, соответственно, кг/м³.

Жұмыс жылдамдығының w_жұм (w_Ж_С– w_{ұшырып әкету} аралықт а) бастапқы жалған сұйылуға w_Ж_С қатынасы жалған сұйылу саны деп аталады.

(3.4)

K_W – бөлшектердің араласуының қарқындылығын және жалған сұйылудың күйін сипаттайды.

Тәжірибе жүзінде бөлшектердің араласуының қарқындылығын K_W = 2 тең, бірақ оптималды мәні әр процеске нақты болады.

Жалған сұйылу қабатының биіктігінің (H_қаб) бастапқы қозғалыссыз биіктікке (H₀) қатынасы кеңею дәрежесі деп аталады:

(3.5)

Жалған сұйылу біртекті және әртекті болады. Біртекті жалғансұйылуда w_ЖС мен w_{ұшырып әкету} жылдамдықтары арасында қатты дәнді бөлшектер барлық қабат биіктігі бойынша бірдей таралған болады.

Бірақ өнеркәсіптерде жалған сұйылу көбінесе газ ағынымен өткізетін процестерде қолданады. Мұндай кездегі жалғансұйылу әртекті болады.

Кейбір жағдайда газ ағынының бір бөлігі көпіршіктер түрінде қабаттан өтеді. Бұл көпіршіктердің размері газдардың жылдамдығы өскен сайын ұлғайып, олар қатты бөлшектерді қабат үстіне шығарып тастап тұрады.

Өте майда және бір-біріне жабысқақ бөлшектердің жалғансұйылуында қабатты каналдар пайда болады. Газ каналдар арқылы өтеді де, қаттыбөлшектің негізгі массасы араласпай қалады.

Конус және конусты-цилиндр сияқты аппараттарда фонтанды қабат пайда болады. Мұндай кезде газ немесе сұйық ағыны аппараттың осін бойлап қатты бөлшектермен бірге фонтан сияқты жоғары көтеріледі де, сосын қатты бөлшектер аппараттың қабырғасы жанымен төмен қарай жылжиды.

Қатты бөлшектердіңең маңызды сипаттамасы кеуектілік болып табылады:

(3.6)

мұнда: V_қаб – Қабатты алып тұрған жалпы көлем, м³;

V_қ.б – материалдың тек қатты бөлшектерін алып тұрған көлем, м³.

Қозғалмайтын диаметрі бірдей шар тәрізді бөлшектер үшін кеуектілік e = 0,4 – ке тең. Жалған сұйылу қабатындағы кеуектілік ағын жылдамдығы өскен сайын көбейеді, себебі қабаттың жалпы көлемі (V_к) ұлғаяды.

Жалған сұйылу қабаттың шегіне сәйкес ұшу жылдамдығы кезіндегі қабаттың кеуектілігін e = 1 тең деп қабылдауға болады.

Сонымен шар тәрізді бөлшектердің жалған сұйылу қабаты кеуектілік мәні 0,4(W _ж.с.-- сәйкес) және 1 (W_ұ – сәйкес) аралығында болады.

Кеуектілікті келесі байланыстан табуға болады:

H₀(1-ε₀) = H_ЖС(1-ε_ЖС) (3.7)

мұнда: ε - кеуектілік

H₀, H_жС - қозғалыссыз және жалғансұйылу қабаттарының биіктігі

Жүйенің белгілі қасиеттері (қатты зат бөлшектер, газ) арқылы W _ж.с және e есептеуде бірқатар формулалар ұсынылған. Бұл шамаларды есептеуге ең ыңғайлысы Lу = f (Ar, e) байланысты болып табылады

Лященко саны (3.8)

Архимед саны (3.9)

мұнда: m_ор – ортаның тұтқырлығының динамикалық коэффициенті, Па^.с.

Есептеуге ыңғайлы болу үшін бұл байланыс h _у= f (Ar, e) логарифмдік координата берілген. График кез келген үш шаманың (d, w, e) біреуін табуға мүмкіндік береді. /2, 108 бет/.

3.2. Қондырғының сипаттамасы

Қондырғы жайма тақтаға бекітілген (сур. 3.2.) ішкі диаметрі 50 мм колонна (құбыр) К₁–ден тұрады. Құбырдың ішінде 4 металл тор бар. Әр тордың үстіне қатты бөлшектер (силикагель) бар (3 сурет). Компрессор арқылы берілетін ауа диафрагмадан (5) өтеді және В вентилінің көмегімен құбырдың (К₁) төменгі торының астына беріледі. В₂ вентилі ауаны атмосфераға жіберу қызметін атқарады. Гидравликалық кедергі Д₂ диффенренциалды манометрмен өлшенеді. Оны П₁ ауыстырып, қосқыш арқылы төменгі секцияның (1-ші қалып), не басқа секциялардың (2,3 – қалып), немесе бүкіл құбырдың қысым айырмашылығын өлшеуге болады (4-ші қалып). Құбыр арқылы өтетін ауаның мөлшері диаметрі 9 мм диафрагмаға қосылған Д₁ дифференциалды манометрдің көрсетуінен анықталады.

3.3. Тәжірибені жүргізу тәсілі

Жұмысқа кірісер алдында В₁ вентилін толық жабады және атмосфераға қосатын В₂ вентилін ашады. Осыдан кейін ауа компрессорын іске қосады. Ауаның алғашқы мөлшерін Д₁ дифференциалды манометрінің көрсетуі шамамен 100 мм су бағанасымен болатындай етіп В₁ вентилін ашады. П₁ ауыстырып, қосқыштың көмегімен ауаның мөлшерін, Д₁ дифференциалды манометрі арқылы төменгі секциядағы қысым айырмашылығын өлшейді. Есеп кестесіне өлшеудің қорытындысын жазып алғаннан кейін, көрсетілген тәртіппен ауаның екінші, үшінші және тағы сол сияқты ең жоғарғы мөлшеріне жеткенше өлшеулер жүргізеді. Ауаның мөлшері, дифференциалды манометрдің көрсетуімен, су бағанасымен шамамен 10 мм-ге өсіп отыруы тиіс.

Жұмыс аяқталғанда атмосфераға шығатын вентильді толық ашады, ал 1-ші вентильді жабады және ауа компрессорын тоқтатады.

Сур. 3.2. қондырғы сипаттамасы

К₁ – колонна, Д₁, Д₂ – диф.манометры, П₁ – қайта қосқыш, Д₃ – диафрагма.

Тәжірибенінің өлшеу нәтижесін 3.1. кестесінің байқау хаттамасына жазады.

кесте 3.1. Байқау хаттамасы

№ пп	Дифманометрдің көрсетуі Д₁Dh₁, мм су.бағ	Ауаның мөлшері V, м³/с	Ауаның жылдамдығы w, м/с	Д₂ дифференциалды манометрдің көрсетулері (гидравликалық кедергі) Dh₂, мм су.бағанасы.