книги из ГПНТБ / Хьюитт Дж. Кольцевые двухфазовые течения

массового потока капель по диаметру канала с измене­ нием расстояния от пористой стенки для ввода жидко­ сти. Заметно постепенное изменение в распределении по мере входа капель и движения их по направлению к центру трубы. Конечным результатом является рас­

Концентрация капель может быть вычислена в цредпо- .

ложении отсутствия скольжения, если использовать для этого профиль массовой скорости в сочетании с данными измерения местной скорости (см. гл. 5). Установлено, что для полностью установившегося течения (т. е. при­ ближающегося к равновесному) концентрация капель по диаметру трубы приблизительно постоянна. Результаты этого рода представлены на рис. 8.21. Может быть до­ казано, что в состоянии равновесия не происходит даль­ нейшего суммарного переноса капель и если принят диффузный тип переноса, то не может существовать гра­ диент концентрации.

Адорни и его сотрудники [2, 3, 5, 83, 81, 316] иссле-

228

довали распределение течения жидкости в системах вы­ сокого давления аргон — вода. Их результаты напомина­ ют результаты, приведенные на рис. 8.22 и взятые из работы Кравароло и Хассида [81]. Результаты, получен­ ные таким образом, довольно сильно отличаются от по-

0,20,30,40,50,80,70,80,91,0

О т н ош ен и е y / d 0

Ю

Рис. 8.21. Концентрация капель как функция радиального по­

казанных на рис. 8.19 и 8.20' в том отношении, что массо­ вая скорость жидкости проходит через минимум у оси трубы. Наиболее вероятным объяснением разницы меж­ ду этими двумя группами данных, по-видимому, являет­ ся то, что были взяты разные интервалы параметров. При высоком расходе жидкости и в особенности при низких расходах газа устанавливается клочкообразно­ кольцевой режим (см. гл. 2) и граница между жидкой пленкой и газовым ядром становится чрезвычайно не­ определенной. Языки жидкости (некоторые из них со­ единены с пленкой жидкости) проникают далеко в газо­ вое ядро. Это может происходить даже и при низких

229

Р и с . 8.23. Р аспределен и е м ассовой скорости воды по диам етру к а п а ­ ла при постоянном п ар осодерж ан и и в исследуем ом сечении (5 ).

б — 0=150 гЦсм2 ■ сек), Х=0,25; в — G=150 гЦм2 ■ сек), Х=0,16.

230

Адорни и др. [5] и приведены на рис. 8.23. Обе кривые в каждом из приведенных случаев относятся соответст­ венно к различным путям достижения того же самого паросодержания в измеряемой точке. Первый метод со­ стоит во вводе обеих фаз в требуемой пропорции во входное отверстие канала, а второй — в получении же­ лаемого паросодержания путем нагревания стенок ка­ нала, что обеспечивает увеличение паросодержания вдоль канала. Для случая с нагревом стенки массовая скорость жидкости на оси канала несколько ниже,

амассовая скорость возле стенки несколько выше, чем

вслучае адиабатического течения. Это различие объяс­ няется, вероятно, тем, что в случае нагрева стенки име­ ется меньше времени для достижения равновесного со­ стояния.

8.6. РАЗМЕР КАПЛИ И ЕЕ Д РО Б Л Е Н И Е

При обсуждении распределения уносимых капель Е предыдущем параграфе рассматривались только во­ просы распределения расхода капель по поперечному сечению канала. Никаких ссылок на размеры уносимых капель не делалось; действительно, с точки зрения вы­ числения потерь давления и других величин (см. гл. 3—5) размер капель непосредственно не влияет на результат. Однако размер капель может оказаться важным при определении характеристик тепломассообмена системы, а также при определении скорости капель по отноше­ нию к газовой фазе.

Как было показано в гл. 3, потери давления, связан­ ные с ускорением, в кольцевом течении при наличии уноса жидкости могут быть вычислены, если принять, что капли и газовая фаза движутся с одинаковой ско­ ростью. Однако мало вероятно, чтобы это допущение было справедливо для больших капель.

Сведения об измерении размера капель в кольцевом течении еще более редки, чем об измерении распреде­ ления массового их расхода. На рис. 8.24 и 8.25 показаны две группы данных, полученных соответственно Виксом и Даклером [379] и Кусинсом и Хьюиттом [77]. Данные Викса и Даклера были получены для однонаправленно­ го опускного течения в вертикальном канале прямоуголь­ ного сечения со сторонами 152,4x19,05 мм методом контактных игл с переменным положением в канале. Жидкость вводилась в канал через участок с пори-

231

го размера от диаметра капель. Хотя эти данные и могут ; ать приближенное представление о размере капель для данного режима течения, их следует рассматривать с не­ которыми предосторожностями, так как надежность ме­ тода измерения еще неопределенна.

наибольший интерес в этих экспериментах), по которым были проведены измерения для получения данных о раз­ мере капель. Эти данные были представлены в графиче­ ском виде в форме, предложенной Даклером и Виксом; они приведены на рис. 8.25. Можно видеть, что распре­

233

деление имеет тот же вид, что и на рис.8.24. Распреде­ ление размеров таково, что большинство составляют кап­ ли малых размеров, но эти капли вносят относительно небольшой вклад в общий объемный расход капель.

Распределение размеров капель будет, по всей види­ мости, зависеть от взаимодействия между газовой фазой и волнами на поверхности раздела фаз, любая из ка-

Р и с. 8.26. Сравн ени е экспериментальны х и теоре­ тических результатов о влиянии вязкости на дробление капель [174].

А — теоретическая кривая для случая слабого влияния вязкости; В — то же для случая сильного влияния вяз-'

кости.

пель, образовавшихся из волн, может быть подвержена дальнейшему дроблению при ее взаимодействии с газо­ вым ядром. Задача дробления капли в газовых потоках рассматривалась большим количеством авторов, вклю­ чая Прандтля [283], Мазуги Ишики [248], Лейна [222] и Хинце [172, 173]. Для любого данного размера капель существует критическое значение относительной скоро­ сти между газом и каплей (uGd)c, при которой будет происходить дробление капель. Стандартным способом представления этих данных является задание критиче­ ского значения числа Вебера, определяемого следующим образом:

В литературе дается огромное разнообразие значе­ ний для критического числа Вебера \Ѵес. Хинце [172, 173] показал, что Wec зависит от пути, по которому происхо­ дит изменение относительной скорости во времени. Он

233

вычислил, что для предельно низкой вязкости критиче­ ское значение равно 13 для системы с чисто ударным взаимодействием и 22 — для системы с плавным ускоре­ нием (такой, как система с падающими каплями). Хинце [174] рассматривал зависимость от критического чис-

ла Вебера вязкости капель жидкости. Влияние вязкости было вычислено на основе зависимости между безраз­ мерными группами вязкости:

где ReCi = (pG«Gd<id)/iiG; сравнение некоторых эксперимен­ тальных данных с двумя предельными случаями теории приведено на рис. 8.26. Приведенные данные относятся к случаю внезапного взаимодействия капель и потока воздуха. Результаты показывают, что при N Vi > 2 дроб­ ление будет прекращаться. Подробное описание меха­ низмов дробления дается Лейном (222] и Хинце [174].

234

Викс и Даклер [379] получили данные для максималь­ ного размера капель в воздушно-водяном течении в ка­ нале прямоугольного сечения. Эти данные показаны на рис. 8.27. Можно видеть, что максимальный размер уменьшается с возрастанием скорости газа. При сравне­ нии этой информации с расчетами Хинце встает задача выбора подходящей скорости газа. В канале существует профиль скорости, и после свободного ввода в канал капля находится в области относительно низкой скоро­ сти возле поверхности раздела фаз. Капля ускоряется и может мигрировать к центру канала, но на протяжении всего периода ее существования относительная скорость между газом и каплей будет меньше, чем средняя ско­ рость газового потока. Результаты Викса и Даклера по­ казывают, что при использовании значения относитель­ ной скорости, равного примерно половине скорости газа, результаты становятся аналогичными расчетам Хинце, хотя для капель больших размеров имеются некоторые отклонения.

8.7.КАПЕЛЬНЫ Й М АССООБМ ЕН

8.7.1.Введение

Можно с полным основанием заключить, что для ка­ налов большой длины кольцевое двухфазное течение с уносом жидкости приближается к равновесному со­ стоянию, при котором доля уносимой жидкости постоян­ на. При таком состоянии, называемом асимптотическим, существует динамическое равновесие между уносом и выпадением капель. Обмен каплями между пленкой жидкости и газовым ядром представляет значительный и оправданный интерес и имеет практическое значение для перемешивания жидкости в системе [286, 79, 298], для обмена количеством движения [286, 227], для интен­ сификации массообмена растворенных газов в жидкой и газовой фазах [9, 183]. Процессы обмена в равновесных кольцевых двухфазных течениях являются поэтому клю­ чевыми вопросами в истолковании таких течений.

Если расход пленки жидкости меньше, чем требуется для гидродинамического равновесия, будет происходить передача жидкости к стенкам канала. Крайними (но очень важными) случаями такого процесса передачи являются такие, когда интенсивность вторичного уноса из жидкой пленки пренебрежимо мала, причем наиболее важным является капельный массообмен в местах высы­

235

хания пленки при кольцевом течении с испарением (см. гл. 11). Другим примером, когда капельный массообмен является определяющим процессом, может служить эро­ зия турбинных лопаток при влажном паре; эту задачу рассматривает Гарднер [117].

8.7.2. Выпадение частиц (общие вопросы)

Перед обсуждением экспериментов с газожидкостны­ ми системами целесообразно проанализировать работу, которая была выполнена для случая течения в системе газ — твердое тело. Движение мелких капель жидкости в кольцевом течении имеет много общих закономерно­ стей с движением твердых частиц в течении Газ — твер­ дое тело. В то же время в системе газ — твердое тело нет усложняющих факторов, являющихся следствием дроб­ ления и слияния капель, циркуляции жидкости внутри капель и присутствия пленок жидкости на стенках кана­ ла. Теоретические исследования, относящиеся к выпаде­ нию твердых частиц из суспензий на стенки канала, описаны в работах [89, 113, 231, 269, 324], а эксперимен­ тальные исследования в той же области описаны, к при­ меру, в работах [49, 113 и 231]. В том случае, когда про­ цесс выпадения частиц необратим и они не возвращают­ ся снова в поток жидкости (или газа), для определения скорости выпадения обычно используется уравнение:

потоке (единиц массы на единицу объема; эта величина обычно вычисляется в предположении гомогенности по­ тока и отсутствия скольжения между частицами и газо­

236