Быченко Богдан Анатольевич

Быченко Богдан Анатольевичхно

Донецкий национальный технический университет

Актуальность

Одним из направлений технического процесса в транспорте является развитие трубопроводного транспорта. Наиболее перспективным является гидравлический транспорт, при котором потоки воды или смеси несут с собой по трубам сыпучие материалы либо переносится с помощью нагнетателя гомогенная среда. Благодаря известным достоинствам эти виды транспорта находят применение при перемещении: полезных ископаемых (угля, песка, гравия, нефти, растворов солей и многое другое) от места добычи к потребителю; отходов обогатительных фабрик; золы и шлака тепловых электростанций в отвалы; пустой породы к месту складирования и др.

Во многих схемах гидротранспорта имеются вертикальные или наклонные участки, например, подъем твердого материала из подземных выработок или со дна различных водоемов при добыче полезных ископаемых; подъем капельной жидкости (воды, нефти и др.) на дневную поверхность.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования Донецкого национального технического университета и других научных центров, а также опыты эксплуатации созданных ими гидросистем, иногда весьма целесообразно использовать эрлифтные установки

Эрлифт (воздушный подъемник) представляет собой гидравлический аппарат для подъема капельной жидкости, либо капельной жидкости и твердого материала посредством использования сжатого в нагнетателе и смешанного с этой капельной жидкостью воздуха. В качестве рабочего агента может служить не только воздух, но и газ или пар с температурой выше температуры конденсации для данной капельной жидкости. Открытие эрлифтного водоподъема относится к 1797 г. и принадлежит германскому горному инженеру Карлу Лошеру.

Обзор состояния вопроса на сегодняшний день. Перечень нерешенных проблем

Основные трудности при изучении движения газожидкостной смеси заключается в многообразии параметров, а также в сложности экспериментального исследования течения вследствие пульсации измеряемых величин (давления, скорости, относительного содержания компонентов и др.). Абсолютная величина этих пульсаций значительно больше пульсаций аналогичных параметров в турбулентном потоке однородной жидкости. В настоящее время накоплен большой опыт эффективного промышленного применения эрлифтных установок, собран значительный экспериментальный материал, развиты разносторонние представления о существенных сторонах протекания процесса.

Многообразие режимов движения, большое количество переменных, определяющих движение газожидкостной смеси, наличие сложной связи между заданными и отвечающими условиям движения параметрами ставит перед исследователями весьма трудные задачи. Поэтому каждый исследователь предлагает свою систему обработки, которая существенно отличается от других [1].

При решении вопросов, связанных с течением газожидкостных смесей в вертикальных трубах, необходимо располагать подробными сведениями о механизме этого процесса. Для распространения положений гидравлики однофазных потоков на область гидродинамических расчетов двухфазных потоков нет никаких оснований. В связи с этим были построены специальные уравнения гидродинамики двухфазной жидкости и разработана методология решения экспериментально-теоретических задач в этой области.

Законы изменения основных гидравлических характеристик - общего перепада давления, коэффициента сопротивления, относительной скорости, величины пульсации потока и ее частоты - зависят от режима работы установки и от формы течения двухфазной жидкости.

Вопрос о взаимосвязи режимов и форм движения газожидкостных смесей в трубах и об условиях их существования в настоящее время еще мало изучен[2].

Анализ подлежащих решению задач

Формы движения газожидкостных смесей тесно связаны с режимом работы производственных установок и агрегатов, рабочим веществом которых является газожидкостная смесь. В связи с этим указанные вопросы имеют также и практическое значение [2].

Течения водо-воздушных смесей в вертикальных трубах имеют весьма различный характер в зависимости от расходов, физических свойств и т.д.

Существует гомогенная модель и модель раздельного течения компонентов двухфазной смеси. При гомогенной модели допускается, что скорости обоих компонентов смеси одинаковы и смесь рассматривается как однородная жидкость. Однако такой подход не позволяет исследовать многие явления, характерные для двухфазных потоков.

Достаточно надежных количественных критериев границ структуры потоков до настоящего времени нет. Из известных достаточно часто применяются критерии, приведенные в [2]. Согласно [2] параметрами, определяющими границы существования форм течения водо-воздушной смеси являются, объемное расходное газосодержание смеси и скорость смеси или критерий Фруда.

При движении водо-воздушной смеси в вертикальной трубе предложено выделять шесть форм течения потока: пузырьковая, пробковая, пробково-диспергированная, эмульсионная, пленочно-эмульсионная, капельная.

Рисунок 1—Пример движения газожидкостной смеси в вертикальной трубе

Теоретический анализ

Процессы, протекающие в подъемной трубе эрлифта представляют совокупность связанных между собой процессов гидродинамики, теплообмена и физико-химического взаимодействия воздуха и воды с примесями. Каждый процесс является сложным, что затрудняет его описание. До настоящего времени еще не создана теории, описывающей хотя бы приближенно процессы движения двухфазных потоков, поэтому изучение этих процессов и их закономерностей идет по пути накопления экспериментального материала. Для теоретического описания процесса движения водо-воздушной смеси в трубах необходимо знать структуру потока при различных режимах работы эрлифтной установки. Изучением закономерностей образования структур водо-воздушной смеси занимались Козлов Б.К.[2], Хьюитт и Робертс [3], Гриффитс и Уоллис[4] и другие исследователи.

Для вертикальных потоков в качестве примера приводится карта режимов течения Хьюитта и Робертса (рис. 2.8).

На осях отложены приведенные потоки импульса фаз. Приведенный поток импульса - это произведение плотности фазы на квадрат ее приведенной скорости.

Из критериальных зависимостей границ режимов течения [2] получены выражения, более наглядно представляющие структуры двухфазного потока в эрлифте.

-для границы между пузырьковой и пробковой формой

- для границы между пробковой и пробково-диспергированной формой

- для границы между пробково-диспергированной и эмульсионной формой

- для границы между эмульсионной и пленочно-эмульсионной формой

- для границы между пленочно-эмульсионной и капельной формой

Выводы

Данные зависимости целесообразно использовать для установления зон существования определенных форм течения и границ перехода одних в другие по длине подъемной трубы эрлифта.

Из литературных источников [2,3,4] можно сделать вывод, что при движении водо-воздушной смеси в различных условиях возможны следующие формы течений: пузырьковая, пробковая, пробково-диспергированная, кольцевая и дисперсная. Кроме перечисленных основных структур существуют переходные.

После изучения [2,3,4] были построены карты режимов для пузырьково-пробковой (рис.2),

Рисунок 2—Карта режимов для пузырьково-пробкового течения.

пробково-эмульсионной, эмульсионно-кольцевой и кольцево-капельной границ течения. Для обобщения данных границ течений были построены карты режимов в координатах Qв- расход воздуха и Сор- объемное расходное газосодержание. Из графика видно, что существуют области склонные к определенным формам течения потока.

Литература

1. Энциклопедия эрлифтов / Папаяни Ф.А., Кононенко А.П., Козыряцкий Л.Н. и др.-Донецк,Москва: «Информсвязьиздат»,1995.

2. Козлов Б.К. Режимы и формы движения воздуховодяной смеси в вретикальной трубе . Журн. техн. физики, т.XXIV, вып.12,1954.-с.11-12

3. Хьюитт Д., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные потоки, М., Энергия, 1974.

4. Уолис Г. Одномерные Двухфазные течения, М., 1972.-с.23-25