МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <2 • 2008
УДК 532.529:532.59
© 2008 г. Р. Ф. ГАНИЕВ, Д. А. ЖЕБЫНЕВ, А. С. КОРНЕЕВ, Л. Е. УКРАИНСКИЙ ВОЛНОВОЕ ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ГАЗА В ЖИДКОСТИ
Предложен новый способ диспергирования газа в жидкости за счет импульсов давления, создаваемых волнами, распространяющимися от гидродинамического генератора колебаний. Созданы и экспериментально исследованы устройства, реализующие данный способ, - волновые диспергаторы. Получены амплитудно-частотные характеристики волновых процессов в дис-пергаторах и функции плотности распределения газовых пузырьков по размерам. Показано, что имеются оптимальные значения давления воды на входе в диспергатор, при которых достигается наименьший размер пузырьков. Средний диаметр газовых пузырьков, создаваемых волновыми диспергаторами в воде на оптимальных режимах работы, составил от 0.3 до 0.6 мм в зависимости от расхода газа.
Ключевые слова: диспергирование, двухфазная среда, газ, жидкость, колебания.
В Научном центре нелинейной волновой механики и технологии (НЦ НВМТ) РАН разработаны гидродинамические генераторы колебаний [1, 2], создающие волны при протекании жидкости через каналы определенной формы и размеров. Эти генераторы не имеют каких-либо движущихся частей, что обеспечивает их надежность и долговечность. Цель данной работы - исследование возможности применения таких генераторов для диспергирования газа в жидкости. Получение мелких газовых пузырьков в жидкости при минимальных энергетических затратах актуально для многих задач химической технологии [3], для очистки газовых выбросов от вредных примесей на химических, пищевых и фармацевтических предприятиях [4], систем биологической очистки сточных вод, хлорирования или озонирования водопроводной воды. Уменьшение размеров пузырьков приводит к возрастанию площади контакта газа с жидкостью и к увеличению времени их взаимодействия за счет снижения скорости всплыва-ния пузырьков. Это улучшает показатели технологических процессов.
Можно выделить четыре известных способа диспергирования газа в жидкости [3, 4]: барботажный, при котором газ вводится в жидкость через газораспределительные устройства - барботеры, или мембраны; механический, с использованием перемешивающих устройств; пленочный, когда газ контактирует с жидкостью, находящейся в виде пленки на стенках аппарата; струйный, при котором происходит взаимодействие струи жидкости со спутным газовым потоком.
В настоящей работе предложен пятый, принципиально новый способ диспергирования, - волновой. В его основе лежит дробление потока газа на пузыри за счет импульсов давления, создаваемых волнами в жидкости, распространяющимися от гидродинамического генератора колебаний.
1. Принцип работы волнового диспергатора. Основной элемент волнового диспер-гатора - гидродинамический генератор колебаний [1], содержащий корпус с входными отверстиями диаметром Б, вихревую камеру и выходной диффузор. В корпусе сделан канал для подачи газа (воздуха). Выяснение механизма волнового диспергирования газа в жидкости представляет собой сложную задачу, которую можно разбить на две части: разработка физико-математической модели процесса возникновения колебаний в гидродинамическом генераторе и исследование процессов взаимодействия турбулент-
ного пульсирующего потока жидкости с газовой струей, приводящих к ее дроблению на отдельные пузырьки.
Для первой части задачи необходимо решение трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса, дополненных той или иной моделью турбулентности. Подобные расчеты ведутся в НЦ НВМТ РАН, но их результаты пока носят только предварительный характер. На основе полученных данных можно предложить две модели возникновения колебаний в гидродинамическом генераторе.
Кавитационная модель. При течении закрученного потока жидкости в канале за счет центробежных эффектов жидкость отбрасывается к периферии, а в приосевой области возникает зона пониженного давления. Если в некоторой точке жидкости давление становится ниже давления насыщенных паров при данной температуре, то возникает кавитация - образование паровых пузырьков. Так как поле давлений неоднородно, пузырек может попасть в область более высокого давления и лопнуть. При этом возникает гидравлический удар - источник колебаний давления. В пользу такой модели говорят экспериментально обнаруженные следы кавитационной эрозии на элементах конструкции диспергатора, изготовленных из органического стекла с целью визуализации картины течения.
"Поршневая" модель. В процессе расчетов были обнаружены режимы, на которых центральная паровоздушная область ("каверна") колебалась, периодически выходя из канала в окружающую среду, а затем возвращаясь в канал. При этом возникали при-осевые зоны обратных течений, которые были обнаружены и в экспериментах с такими генераторами. Каверна играет роль поршня, создающего колебания. Преобладающий механизм определяется параметрами течения.
Вторая часть задачи - разработка модели дробления газовой струи на отдельные пузырьки под действием пульсирующего спутного потока жидкости - сложнее. Известные по литературным данным подходы базируются в основном на полуэмпирических коэффициентах, определяющих межфазное взаимодействие жидкости и газа. Для определения этих коэффициентов необходимы специальные экспериментальные исследования.
2. Экспериментальная установка. Для исследования процесса волнового диспергирования была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на фиг. 1. Жидкостная (водяная) магистраль обозначена сплошной линией, газовая (воздушная) - штриховой. Диспергаторы 1 и 2 устанавливаются в рабочие камеры 3 (с внутренним диаметром 440 мм) и 4 (с внутренним диаметром 240 мм).
Камеры изготовлены из органического стекла для обеспечения возможности фотографирования двухфазной газожидкостной струи. Камеры различных диаметров предназначены для исследования влияния стенок на изменение размеров пузырьков газа в жидкости при их столкновениях со стенками. Кроме того, наличие двух камер позволяет работать в режиме забора жидкости из одной камеры и направления ее после диспергации в другую камеру, что можно использовать, например, для определения эффективности процесса диспергирования газа в жидкости по содержанию растворенной газовой компоненты. Вода заливалась в рабочие камеры 3 и 4 от водопровода по линиям А и Б и поступала на вход насоса 5. Регулирование расхода воды осуществлялось вентилем 6 в линии байпаса. Измерение расхода воды производилось расходомером 7, а давления воды - манометром 8.
Газ (воздух) мог подаваться в диспергаторы либо с помощью компрессора 9 по линии В, либо непосредственно из атмосферы (в режиме эжекции - линия Г). В последнем случае диспергатор работал как эжекторный насос. Измерение расхода воздуха проводилось расходомером 10, а его давления - манометром 11. Амплитудно-частотная характеристика колебаний, создаваемых гидродинамическим генератором колебаний, записывалась с помощью анализатора спектра 12 фирмы Брюль и Кьер с датчиком 13 фирмы Кистлер. Исследовалось влияние параметров диспергатора: диамет-
Фиг. 1. Схема экспериментальной установки
ра подающих отверстий D, давления воды на входе в диспергатор p и расхода газа Qg на эффективность диспергирования.
3. Результаты исследований. Амплитудно-частотные характеристики генераторов -зависимости амплитуды колебаний давления A, создаваемых генераторами, от частоты v для диаметра подающих отверстий D = 3 мм при давлении воды на входе в диспергатор p = 1.2 МПа, расходе воды Qw = 17.7 дм3/мин и различных расходах газа (воздуха) Qg представлены на фиг. 2.
При малом расходе газа Qg = 0.05 дм3/мин четко виден главный максимум на частоте v = 784 Гц, второй максимум - при v = 2576 Гц и третий - при v = 150 Гц (линия 1). С увеличением расхода газа в 10 раз величина и положение главного максимума изменились незначительно. Исчез второй максимум, несколько возросла амплитуда колебаний в области 400-600 Гц. Примерно на 20% (с 0.24 до 0.18 мВ) понизился уровень фона на частотах выше 4 кГц (линия 2). Дальнейшее увеличение расхода газа (в 100 раз по сравнению с первоначальным) привело к подавлению главного максимума, снижению среднего уровня амплитуды колебаний в области частот 1 кГц на 40% (от 0.3 до 0.18 мВ) и к уменьшению амплитуды колебаний на частотах выше 4 кГц на 70% (от 0.24 до 0.05 мВ) по сравнению с первоначальными значениями (линия 3). Это вызвано усилением поглощения волн в двухфазном потоке с увеличением содержания газа.
Измерение диаметра газовых пузырьков в воде проводилось на основе анализа цифровых фотоизображений газожидкостной струи с помощью специально разработанной компьютерной программы.
Проводилось фотографирование двухфазной струи цифровой фотокамерой. Фотографии передавались в компьютер. С помощью графического редактора изображение преобразовывалось к черно-белому формату Gray Scale 8 bit (256 оттенков серого). Полученный файл обрабатывался компьютерной программой с целью исключе-
0.5
А, мВ
0.3
0.1
0.2
А 1 А Л
Ап „ Л У /VI 1.1 м
«V 1II / 3 'У'М/Ч
/«
0.5
0.3
0.1
0
1
4 V, кГц
Фиг. 2. Амплитудно-частотная характеристика колебаний О = 0.05, 0.5, 5 дм3/мин
(1-3)
Фиг. 3. Фотография двухфазной струи при Б = 2.8 мм, р = 1.2 МПа, О, = 17.7 дм3/мин, О = 0.05 дм3/мин
f, %
20
1
3 2 7 v \ \
V м Г / Ч\ \
10
0 0.4 0.8 1.2 й, мм
Фиг. 4. Плотность распределения пузырьков газа по размерам
ния фрагментов чисто белого цвета (код 255) и повышения контраста. Код 255 заменялся на 254. С помощью графического редактора на фотографиях горизонтальными белыми линиями (код 255) толщиной 1 пиксель (точка изображения) отмечались искомые пузырьки. Такой же линией отмечалась базовая длина Ьъ в пикселях для расчета масштаба. Этой длине соответствовала величина Ьг в миллиметрах. Обычно в качестве Ьг использовался диаметр резьбы на диспергаторе М24, т.е. принималось Ьг = 24 мм. Пример фотографии с отмеченными пузырьками и базовой линией показан на фиг. 3.
Подготовленный файл с изображением передавался компьютерной программе, которая находила отмеченные пуз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.