Hemija i inženjerstvo materijala

TEHNOLOŠKE OPERACIJELABORATORIJSKE VJEŽBE

1.REYNOLDSOV EXPERIMENT

Uvod

U zavisnosti od uslova srujanja, fluidi mogu proticati na dva osnovna načina, prvi način je laminarno proticanje, a drugi turbolentno proticanje. Režim strujanja predstavlja funkciju više promjenjivih: Re=f(v,d,). Pri laminarnom strujanju fluida vrijednost Re ne prelazi 2320, dok je ona u razvijenom turbulentnom kretanju veća od 10000. Kritična brzina je ona pri kojoj

dolazi do prvog prekida laminarnog kretanja, tj.pri Re=2320 pa je ℜ

kr=¿d∗V kr∗ ρ

μ¿ 2320¿

Da bi se ova posmatranja mogla primijeniti na proticanje kroz cijevi svih oblika uveden je pojam hidrouličkog radijus. Hidraulički radijus rh predstavlja odnos živog presjeka fluida u

cijevi ili kanalu i okvašenog obima rh=AS

Zadatak i cilj vježbe

a) Odrediti kritične vrijednosti Re kriterija Vizualnim promatranjem odrediti momenat kada dolazi do fenomena turbulencije odnosno kada nit kalijum permanganata zabojava čitav presjek vode u cjevovodu.U tom slučaju zabilježiti razliku nivoa (∆h), manometarske tečnosti, u manometru vezanom za Venturi cijev. Eksperiment izvršiti tri puta. Izračunati eksperimentalnu kritičnu vrijednost Re kriterija. Dijametar cijevi od 20mm, a dijametar Venturi cijevi 8mm.

b) Odrediti vrijednost nivoa manometarske tečnosti za zadane vrijednosti Re kriterija (Re1=5500, Re2=9850, Re3=11350).

Koeficijen Venturi cijevi je 0.95.

Provođenje experimenta vrši se na uređaju prikazanom na slici 1.

Uređaj se sastoji iz spremnika (1) za vodu, boce sa obojenom kapljevinom (2),staklene cijevi za promatranje strujanja (3) i gumene cijevi (4) koja se spaja na bocu (2) sacjevčicom (5) u obliku „L“ za upuštanje obojene kapljevine u staklenu cijev (3).Spremnik (1) je snabdjeven vodokaznim staklom (8) za kontroliranje razine tekućine. Izspremnika (1) uvodimo vodu u staklene cijevi (9) i (3) otvaranjem ventila (10). Na staklenojcijevi (3) ugrađena su dva priključka međusobno udaljena 0,76 m. Na priključke supostavljene dvije piezometrijske cijevi (11) i (12). Obojenu kapljevinu uvodimo u cijev (3)otvaranjem stezaljke (13) kako bi lakše odredili režim strujanja. Protok tekućine u staklenojcijevi se regulira stezaljkom (14) na gumenom crijevu (15).

U toku provedbe experimenta masa vode u spremniku mora biti konstantna i maksimalnomirna. Experiment treba provesti u što je moguće kraćem vremenu, kako bi se izbjegla promjena razine kapljevine u spremniku.Prije početka vježbe izmjeri se temperatura vode u spremniku pomoću termometra.Na osnovu izmjerene vrijednosti očita se iz tabele vrijednosti dinamičke viskoznosti i gustoćeza izmjerenu temperaturu.

Eksperimentalno izvođenje vježbe

Određivanje kritične vrijednosti Re

Ispitivanje treba vršiti pri hidromehaničkim stabilizovanim uslovima proticanja koji su uspostavljeni pri dovoljnom rastojanju od ulazu u cijev. Prije početka i u toku eksperimenta masa vode u rezervoaru mora biti u mogućem maksimalnom mirovanju. Eksperiment je potrebno izvršiti u što je moguće manjem vremenskom roku kako bi se nivo vode u rezervoaru minimalno promijenio. Po otvaranju slavine pusti se da voda lagano ističe iz rezervoara vrlo postepenim otvaranjem slavine. U vemenskim intervalima od 1-2min postepeno se povećava protok daljim otvaranjem slavine. Pri ovome se vizuelno prati oblik niti kalijum permanganata. U momentu kada dolazi do fenomena turbulencije zabilježi se razlika nivoa (∆ h¿, manometarske tečnosti u manometru vezanom za Venturi cijev. Eksperiment izvršiti tri puta.

Proračun dobijenih podataka i prikaz rezultata:

Pad pritiska u Venturi cijevi se računa iz relacije ∆ p=∆h∗(ρmj−ρf )∗g(Pa)

A kritična brzina iz relacije V kr=kvc√ 2∗∆ p

[( dcdvc )4

−1]∗ρf (m/s)

Kritična vrijednost Re (eksperimentalna) se izračunava iz relacije:

ℜ=d∗vkr∗ρ

μ

Poznate vrijednosti:

DC=20mm

DVC=8mm

μ =1.004*10-3 Pa*s

ρmj=13600 kg/m3

ρf =1000 kg/m3

GRUPA I:

∆ p1=3∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=370.818(Pa)

∆ p2=7∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=865.242(Pa)

∆ p3=9∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=1112.45(Pa)

V kr 1=0.95∗√ 2∗370.818

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 1=0.13m /s

V kr 2=0.95∗√ 2∗865.242

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 2=0.2025m /s

V kr 3=0.95∗√ 2∗1112.454

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 3=0.2297m / s

ℜ=20∗10−3∗0.13∗10001.004∗10−3

ℜ=2584.98

ℜ=20∗10−3∗0.2025∗10001.004∗10−3

ℜ=4026.60

ℜ=20∗10−3∗0.2297∗10001.004∗10−3

ℜ=4567.60

U tabeli su predstavljeni dobiveni eksperimentalni podaci i odgovarajuće izračunate vrijednosti:

Br. eksperimenta

∆ h(mm) ∆ p(Pa) vkr (m/s) Re

1 3 370.818 0.13 2584.982 7 865.242 0.2025 4026.603 9 1112.454 0.2297 4567.60

GRUPA II:

∆ p1=14∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=1730.48 (Pa)

∆ p2=30∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=3708.18(Pa)

∆ p3=14∗10−3∗(13600−1000 )∗9.81=1730.48 (Pa)

V kr 1=0.95∗√ 2∗1730.48

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 1=0.28m /s

V kr 2=0.95∗√ 2∗3708.18

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 2=0.44m/ s

V kr 3=0.95∗√ 2∗1730.48

[( 20∗10−3

8∗10−3 )4

−1]∗1000

V kr 3=0.28m /s

ℜ=20∗10−3∗0.28∗10001.004∗10−3

ℜ=5577.6

ℜ=20∗10−3∗0.44∗10001.004∗10−3

ℜ=8764.9

ℜ=20∗10−3∗0.28∗10001.004∗10−3

ℜ=5577.6

Br. eksperimenta

∆ h(mm) ∆ p(Pa) vkr (m/s) Re

1 14 1730.48 0.28 5577.62 30 3708.18 0.44 8764.93 14 1730.48 0.28 5577.6

Režim strujanja je prelazno: laminarno-turbulentno

2.KOEFICIJENT PROLAZA TOPLINE CIJEVNOG IZMJENJIVAČA (HT36)

CILJ VJEŽBE :Odrediti koeficijent prolaza topline cijevnog izmjenjivača topline koristeći logaritamsku srednju temperaturnu razliku u izvođenju proračuna za protusmjerno strujanje.

Protusmjerno proticanjeKada se izmjenjvač topline eksploatiše sa protusmjernim proticanjem topli i hladni tokovi fluida protiču u suprotnom smjeru kroz izmjenjivač topline kako je prikazano na slici.

Transferirana toplina sa toplog fluida može se izračunati iz relacije :

U cilju eliminiranja uticaja toplinskih gubitaka (ili povećanja topline ) sa tokom hladne vode, u proračunima će se koristiti transferirana (emitovana) toplina sa toplog toka fluida.Iz razloga variranja temperaturne razlike, između toplog i hladnog toka fluida, duž izmjenjivača topline potrebno je izvesti srednju temperaturnu razliku (pogonsku silu) za koju se mogu provesti proračuni transfera topline.U skladu sa time,navedena logaritamska srednja temeraturna razlika se može predstaviti relacijom:

pri čemu je :

Površina za transfer topline u izmjenjivaču mora se izračunati korištenjem aritmetičkog srednjeg dijametra unutrašnje cijevi prema relaciji:

dm=

du+dv2

Ako se dužina za transfer topline označi sa L tada se površina za transfer topilne može

izračunati iz relacije:

U skladu sa navedenim koeficijent prolaza topline se može izračunati iz relacije:

k=

QEM

A∗ΔT sr

Rezultati i proračuniTehnički podaci izmjenjivača topline:

Unutrašnji dijametar unutrašnje cijevi: du=8.3*10-3mUnutrašnji dijametar vanjske cijevi: dv=9.5*10-3m

Podaci su predstavljeni u tabeli na slijedeći način:

VOLUMNI PROTOK

(m3/s)

MASENI PROTOK

(kg/s)

VISKOZITET (Pa*s)

GUSTINA (kg/m3)

TEMPERATURA (°C)

UDALJENOST (m)

TOPLOTNI KAPACITET

(kJ/kgK)TOPLI FLUID

3.33*10-5 0.033 0.539*10-3 987.6 T1=45.0T2=32.5T3=31.4T4=29.7T5=27.8

ULAZ 0

0. 670

1340

2010

2680

4181

HLADNI FLUID

2.86*10-5 0.029 0.981*10-3 998 T10=24.8T9=23.2T8=21.0T7=18.9T6=16.5

4181

Ret=d t∗v∗ρt

γ t=8 .3∗10−3∗987 . 6

0 .539∗10−3=9276 . 84

Reh=dh∗v∗ρh

γ h=9. 5∗10−3∗1 .7 . 988

0. 981∗10−3=16429 . 86

Δt t=T 1−T5=45−27=18

Δth=T 10−T 6=24 . 8−16 .5=8.3

QEM=mt∗cp t∗Δt t=0. 033∗4181∗18=2483 . 5W

QAPS=mh∗cph∗Δt h=0. 029∗4181∗8 .3=1006 . 36W

QGUB=QEM−QAPS=2483. 5−1006 .36=1477 .14W

ΔtvΔtm

=188.3

=2 .16

Δt sr=Δtv−Δtm

lnΔt vΔtm

=18−8 .3

ln188 .3

=12 .5

A=du−dv

2∗π∗L=8. 3∗10−3+9 .5∗10−3

2∗3 .14∗2 .68=0 . 07m2

k=QEM

A∗Δtsr=2483 .5

0. 07∗12 .5=2684 .8W