научная статья по теме ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 6, с. 698-705

УДК 541.182.2

ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ © 2013 г. Э. С. Арустамян, Д. А. Баранов, В. Н. Новожилов

Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

mil1414@yandex.ru mourss@mail.ru Поступила в редакцию 19.02.2013 г.

Экспериментальные результаты получены для системы вода—воздух при восходящем прямотоке в трубе ^ = 28 мм, I = 2.85 м) в дисперсно-пленочном режиме (д = 0.88—8.18 см2 с-1) в диапазоне скоростей газа от 10 до 36.3 м с-1. Показано, что функция w0 = /(д) имеет перелом при д = 0.88 см2 с-1, и функция ф0 = /(д) также показывает наличие перелома при этом значении д, что свидетельствует о переходе от пленочного режима к дисперсно-пленочному. Предложен алгоритм расчета потерь давления для дисперсно-пленочного режима, в котором учтено, что функция АР = /V) имеет экстремальный характер (проходит через минимум).

Б01: 10.7868/80040357113060018

ВВЕДЕНИЕ

Восходящий прямоток является актуальным путем интенсификации газожидкостных процессов в трубах. Высокие скорости потоков, характерные для этого режима, обусловливают высокие скорости процессов тепло- и массообмена в трубчатых аппаратах. В то же время и потери давления в этом режиме довольно значительны и не всегда приемлемы для некоторых промышленных процессов. Отсутствие достаточно надежных методов расчета потерь давления при восходящем прямотоке является одним из препятствий для широкого использования на практике аппаратов восходящего прямотока.

Потери давления при восходящем прямотоке зависят от большого числа параметров. К ним относятся свойства жидкости (рж, ||ж, а), свойства газа (рг, |г), расходы фаз (Ож, Ог), размеры трубы (й, I). Кроме того, существенное значение имеют особенности устройства экспериментальных установок: способ ввода газа (наличие или отсутствие успокоительных участков), способ ввода жидкости в газовый поток (кольцевая щель, цилиндрическая щель, осевая струя, радиальные струи). Может повлиять на результаты и способ измерения давления: в газовой или жидкой фазе (компенсационные схемы), на стабилизированном участке или на всей трубе. Возможно также влияние материала трубы (стекло, плексиглас, металл) и состояния поверхности (шероховатость, смачиваемость). Обычно потери давления изучают на одиночных трубах, однако в реальных аппаратах работает множество параллельно установленных труб, что также следует учитывать при расчетах потерь давления.

Можно указать десятки публикаций, в которых сообщается об исследованиях потерь давления при восходящем прямотоке. Но ни одно исследование не в состоянии охватить всего многообразия указанных выше параметров и условий. Хотя авторы публикаций пытаются представить результаты в виде некоторых обобщенных корреляций, однако, по существу, эти корреляции являются частными зависимостями, применимыми только в области условий данного исследования. Представление частных зависимостей в виде обобщенных только снижает их достоверность. Наибольшую ценность представляют первичные данные, но многие авторы не сообщают их в своих публикациях.

Высказана [1] верная мысль о том, что прогресс даже с эмпирическими корреляциями может быть достигнут, когда данные разных режимов будут коррелироваться отдельно. К сожалению, это предложение не стало общепризнанным прежде всего потому, что не создана удовлетворительная классификация режимов двухфазного потока. Многообразие существующих режимов невозможно отразить двумерными диаграммами, хотя некоторое число таких диаграмм можно найти в справочной литературе.

Чаще всего в справочниках приводят метод Локкарта-Мартинелли (ЛМ) для расчета потерь давления в двухфазном потоке. Этот метод формально подразделяет все режимы на 4 группы в зависимости от сочетания стандартных режимов (ламинарный или турбулентный) в разных фазах, которые принимают текущими раздельно и занимающими все сечение трубы. Отношение потерь давления в двухфазном потоке к потерям в услов-

ном однофазном течении представлено как функция отношения расходов соответствующих фаз. Метод ЛМ наиболее универсален, но в то же время его точность совершенно недостаточна. Отклонения расчетных значений АР от измеренных достигают 50, 75 и даже 100% [2, 3]. При этом расчет занижает значения АР по сравнению с измеренными. Попытки усовершенствовать метод ЛМ [4] не устраняют его основного недостатка: режимы течения двухфазного потока в принципе несводимы к режимам однофазных потоков.

Другой подход [5, 6] предполагает квадратичную зависимость АР от скорости газа подобно тому, как это принято при расчете однофазных потоков. В этом случае коэффициент гидравлического сопротивления представляют [6] в виде сложных зависимостей, включающих числа Рей-нольдса однофазных потоков и толщину пленки. Но определение толщины пленки является самостоятельной задачей, и она сложнее экспериментального определения потери давления. Принимают также [6] неверное допущение о том, что наличие капель жидкости в ядре газового потока не оказывает заметного влияния на потерю давления, кроме того, не указана область применимости предлагаемого метода расчета и не дана оценка его точности.

Оба указанных подхода к расчету потерь давления имеют общий недостаток: они не учитывают различий в режимах течения газожидкостной смеси в области восходящего прямотока, а также того факта, что зависимость потерь давления от скорости газа при восходящем прямотоке не является монотонной. Известно и многократно подтверждено, что зависимость АР = Дм>) характеризуется минимумом при некотором значении скорости газа w = w0. Эту особенность формально объясняют [7] изменением шероховатости поверхности пленки. Теоретически такой режим следует из анализа ламинарной модели течения плоской пленки жидкости, взаимодействующей с газовым потоком [8]. Этот анализ Семёнова затем был в точности повторен в работе [9], с получением тех же формул. Режим минимума потерь давления при восходящем прямотоке представляет наибольший практический интерес, так как при этом достигаются высокие коэффициенты обмена при наименьших затратах энергии.

Режим минимума потерь давления можно рассматривать как границу, отделяющую область неустойчивых режимов восходящего прямотока (слева от минимума, w < от области устойчивых режимов (справа от минимума, w > ^0). В соответствии с ламинарной моделью течения пленки в области неустойчивых режимов эпюра скоростей пересекает ось абсцисс, в то время как в области устойчивых режимов она целиком нахо-

д, см2/с

10 8

6

1

0.8 0.6

0.4

0.2

0.1

В

5 2 9

Б А

4 1 ■ 10 | |

0.7 1.0

2.0

3.0

4.0

Рис. 1. Диаграмма режимов восходящего прямотока: А — устойчивые режимы пленочного течения; Б — неустойчивые режимы пленочного течения; В — устойчивые режимы дисперсно-пленочного течения; Г — неустойчивые режимы дисперсно-пленочного течения. Масштаб по оси абсцисс изменяется в точке IV = 1.

дится в области положительных значений скорости (за положительное принимают направление вверх).

Другой линией разграничения качественно различных областей режимов восходящего прямотока является линия критического значения удельной плотности орошения д = д^, когда появляется существенный унос капель жидкости в ядре газового потока. При д < дкр говорят о чисто пленочном течении, а при д > дкр течение называют дисперсно-пленочным.

Таким образом, диаграмма режимов восходящего прямотока вблизи минимума потерь давления будет включать четыре области, как это показано на рис. 1. По оси абсцисс отложены значения безразмерной скорости газа М = w/w0. По оси ординат указаны значения удельной объемной плотности орошения д, см2 с-1.

Устойчивые режимы пленочного течения (область А) ограничены линиями 1-2-9-10. Указанная на диаграмме верхняя граница этой области по оси абсцисс ограничена линией области исследований (М = 4.2), результаты которых были использованы при разработке метода расчета потерь давления при устойчивом пленочном течении [10, 11, 12]. Был проанализирован большой массив экспериментальных данных, полученных

7

4

2

8

рядом авторов на разных системах. Эксперименты выполнены по единой методике, когда при фиксированном значении д изменяли расход газа. Были построены 162 графика АР = /(V) с минимумом при некотором значении приведенной скорости газа м> = w0 и минимальном значении градиента давления ф = ф0. Характеристики этого массива данных и первоисточники указаны в работе [10]. В разных сериях экспериментов (из 34) верхняя граница скорости газа была различной и находилась в пределах $ = 1.8-4.8 (на диаграмме рис. 1 условно указано $ « 4.2). Предложены методы расчета координат w0 [10] и ф0 [11] точки минимума. Значения этих координат были приняты за нормировочные при представлении функции ф = /V) в безразмерном виде. Метод расчета потерь давления при устойчивых режимах пленочного течения подробно изложен в работе [12].

Неустойчивые режимы пленочного течения (левее минимума АР, область Б) занимают на диаграмме прямоугольник 1-2-5-4. Ограничительная линия 4-5 означает поворот потока. Анализ большого числа экспериментальных данных [13] позволяет считать для этой линии наиболее вероятным значение $ = 0.7. Рекомендации по расчету потерь давления при неустойчивых режимах пленочного течения даны в [13]. В основу расчета также положены координаты точки минимума w0 и ф0 (для экономии места уменьшен масштаб по оси абсцисс на диаграмме рис. 1 при $ > 1).

На диаграмме рис. 1 линия 5-2-8-9 (д = = 0.88 см2 с-1) разграничивает пленочный режим течения и дисперсно-пленочный. Линия 2-3 построена согласно формуле (1) (см. далее). Линией 5-6 обозначен поворот потока при дисперсно-пленочном течении (V = 0.7^0). Эта граница приблизительно подтверждается графиками АР = /(V) данной работы, а также некоторыми другими работами [13]. В области левее линии 4-5-6 находится режим захлебывания в трубе постоянного диаметра или пульсационный режим в трубе переменного диаметра [17]. Другие линии на диаграмме рис. 1 ограничивают области исследований.

Режимы дисперсно-пленочного течения располагаются в гораздо более

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»