Struktura przepływu dwufazowego gaz-ciecz

ZESZ YT Y KA OJCOWE POLITECHlilKI Ś LISKIEJ Seri«: ENERGE TY K* * . 6 8 ' ~

196ś

Sr kol. 80?

Wojciech SPISAK, Leon T R O N T E W S K I , K o n n ULBRICH

Instytut Budowy Maszyn

Wy sta za Szkolą Inżynierska w Opolu

STRUKTURA PRZEPŁYWU DWUFAZOWEGO GAZ-CIECZ

S t r e s z c z e n i e : W pracy przedstawiono klasyfikację rodzajów p r z e ­ pływa dwu7aSoweso esz-oiecz w rurach pionowej i pozloaej. Opisano

• netodę ldantyflkacJ1 rodzaju przepływu. Przedstawiono oaobliwoicl związane z przepływem cieczy o znacznej lepkości.

O k r e ś l e n i e rodzaju przepływu jest jednym z istotnych zagaanień przy p r o j e k t o w a n iu u r z ą d z e ń , w których występuje przepływ dwufazowy. Problem

t e n nabiera szczególnego znaczenia w odniesieniu do procesów, którym towa­

r z y s z y zmiana parametrów fizycznych czynników (lepkość, gęstość, napięcie

powierzchniowe itp.} w trakcie przepływu. Z sytuacją taką many d o czynie­

nia np. w reaktorach do sulfonowania gazowym SOj, czy też w wyparkach cien- -kowarstewkowych. W związku z tym konieczne jest dysponowanie pewnymi me­

todami pozwalającymi stwierdzić rodzaj przepływu dwufazowego w danych wa­

runkach hydrodynamicznych.

Klasyfikacja rodzajów przepływu dwufazowego opiera się na wizualnej ocenie struktury płynącej mieszaniny dwufazowej, przy ćzym znaczenie decy­

dujące mają wzdłużny i promieniowy rozkład faz. Ra rys. 1 i 2 podano ogól­

nie przyjęte klasyfikacje rodzajów przepływu dwufazowego gaz-ciecz w rurach pionowej i poziomej. Powszechnie przyjęta jest identyfikacja rodzaju pras - pływu dwufazowego gaz-ciecz w oparciu o obserwację wizualną; badania włas- ne w pełni potwierdziły obiektywność tej metody, w wielu przypadkach jednak, gdy obserwacja wizualna jest niemożliwa lub utrudniona (wysokie ciśnienie, przepływ w kanałach o złożonej geometrii, ciecz nieprzeiroczy-., sta ) ,bardzo cenne informacje o strukturze płynącej mieszaniny dwufazowej można uzyskać analizując charakter zmian wybranych parametrów w funkcji czasu. Na rys.3 pokazano schemat aparatury do identyfikacji rodzajów prze­

pływu w rurze pionowej przez pomiar rezystancji mieszaniny dwufazowej na promieniu pomiędzy dwiema elektrodami, wykorzystuje się przy tym znaczną różnicę w oporności gazu i cieczy. Zarejestrowane zmiany napięcia U^. po­

między elektrodami poddaje się obróbce statystycznej i otrzymuje histogra­

my (rys.4 przy czym rzędna

U2F “ UL

Y --- (1)

U„ - Ut

V. Spla a k 1 inni

z a ś U. i Uę s ą n a p i ę c ia m i m ier z o n y m i o d p o w ie d n io d l a r u r y z a l a n e j - c i e c z ą o r a z r u r y p u s t e j . H is to g r a m y t a k i e d l a p o s z c z e g ó l n y c h r o d z a jó w p r z e p ły w a r ó ż n i ą s i ę z n a c z n ie i d a j ą p o d sta w ę d o -o b ie k ty w n e j o c e n y r o d z a j u p r z ep ły w u d w u fa z o w e g o .

Na r y s . 5 p o k a za n o sc h e m a t m etod y o d w zo ro w a n ia p o w ie r z c h n i z i i a 1 cw a n ej p r z y p r z e p ły w ie p i e r ś c i e n i o w y m . Z l i c z a j ą c f a l e n a k o l e j n y c h p o z io m a ch h

( r y s . 6 ) d ok onano o d w zo ro w a n ia p o w ie r z c h n i m i ę d z y f a l o w e j; n a r y s . 6 p o k a ­ z a n o r ó w n ie ż w y z n a c z o n e ś r e d n i e w a r t o ś c i g r u b o ś c i f i l m u c i e c z y . P e łn y o p i s t e j m etod y można z n a l e ź ć w p r a c y [

2

J a k o ś c io w o o d m ie n n e w y n ik i u z y s k u j e s i ę p o d c z a s b ad ań p r z e p ły w u dw ufa­

zo w eg o g a z u Ł c i e c z y o z n a c z n e j l e p k o ś c i . V p r z y p a d k u m ie s z a n in ty p u p o w ie - t r z e - o l e j c z ę s t o z a w o d z ą p r z e d s t a w io n e u p r z e d n io e l e k t r y c z n e m eto a y badań, c o w y n ik a z f a k t u , i ż z arów n o o l e j , Jak i p o w ie t r z e s ą d ob rym i i z o l a t o r a m i o z b l i ż o n y c h w a r t o ś c i a c h s t a ł e j d i e l e k t r y c z n e j . • z w ią z k u z tym s t r u k t u r y o k r e ś l o n o w o p a r c iu o b e z p o ś r e d n i e o b s e r w a c j e p r z e p ły w a j ą c e j m i e s z a n in y . Po r a z p i e r w s z y , w o d n i e s i e n i u d o b a d a ń z n a n y c h z l i t e r a t u r y

[3J

r z y s t a n i e m etod f o t o g r a f i c z n y c h i f ilm o w y c h do r e j e s t r a c j i fo r m .

W r e z u l t a c i e b ad ań d l a p r z e p ły w u z d o ł u d o g ó r y s t w ie r d z o n o , ż e w z r o s t l e p k o ś c i f a z y c i e k ł e j w z a k r e s i e d o 2 , 0 P a - s n i e p o w o d u je zm ia n j a k o ś c i o ­ w ych w c h a r a k t e r z e o b serw o w a n y ch s t r u k t u r , a j e d y n i e z m ie n ia z a k r e s i c h w y s t ę p o w a n ia , c o z i l u s t r o w a n o n a m a p ie ( r y s .

7

W p r z y p a d k u p r z e p ły w u z g ó r y n a d ó ł w pływ l e p k o ś c i n a s t r u k t u r y i z a ­ k r e s y i c h w y s tę p o w a n ia j e s t z n a c z n i e w i ę k s z y . P o d c z a s b ad ań z u d z ia łe m c i e c z y o l e p k o ś c i od 0 , 1 8 P a - s d o 2 , 0 P a - s w y r ó ż n io n o 6 fo r m p r z e p ły w u p r z e d s t a w io n y c h s c h e m a t y c z n ie n a r y s . 8 . V s t o s u n k u d o s y s t e m a t y k proponow a­

n y c h p r z e z in n y c h a u to r ó w [ 4 , 5 ] w y s z c z e g ó l n i o n e d w ie now e fo r m y , d l a k t ó ­ r y c h za p ro p o n o w a n o n azw y p r z e p ły w u r d z e n io w e g o i s t a l a k t y t o w e g o .

J a k o p r z e p ły w r d z e n io w y o k r e ś l o n o s t r u k t u r ę c h a r a k t e r y z u j ą c ą s i ę b a r d z o g r u b ą w a r stw ą c i e c z y p r z e p ły w a j ą c e j z e sto s u n k o w o d u ż ą p r ę d k o ś c i ą ; f a z a gazow a tw o r z y c i ą g ł y r d z e ń z a jm u ją c y c e n t r a l n e m i e j s c e w k a n a l e . C h a r a k t e r y s t y c z n ą c e c h ą p r z e p ły w u s t a l a k t y t o w e g o , z b l i ż o n e g o n i e c o d o p r z e ­ p ły w u k o r k o w e g o , j e s t d o d a tk o w e p r z e m i e s z c z a n i e s i ę c i e c z y w z d łu ż o s i g a ­ z o w y ch k o rk ó w .

P rz y k ła d o w y w y k r e s o b r a z u j ą c y z a k r e s y w y s tę p o w a n ia p o s z c z e g ó l n y c h s t r u ­ k t u r p r z e p ły w u d w u fa z o w eg o g a z - c i e c z w y s o k o le p k a p r z y p r z e p ły w ie z g ó r y na d ó ł p r z e d s t a w io n o na r y s . 8 .

W c e l u d a l s z e g o u d o s k o n a le n ia i d e n t y f i k a c j i p o s z c z e g ó l n y c h s t r u k t u r p ro w a d zo n e s ą p r a c e [ ó ] nad w d r o ż en ie m m etod o p t y c z n y c h z w y k o r z y s ta n ie m w i ą z k i l a s e r a , t e c h n i k św ia tło w o d o w y c h a t a k ż e m etod s z y b k ie g o f ilm o w a n ia d o b ad ań m ie s z a n in d w u fazow ych t y p u p o w i e t r z e - o l e j .

N a le ż y p o d k r e ś l i ć , ż e m etod y e k s p e r y m e n t a ln e n i e w y c z e r p u j ą w p e ł n i z a g a d n i e n i a i d e n t y f i k a c j i s t r u k t u r d w u fa z o w y c h . I s t n i e j e c a ł y s z e r e g p r a c t e o r e t y c z n y c h n a t e m a t p r z e w id y w a n ia m o ż liw o ś c i p o j a w ie n i a s i ę o k r e ś lo n e g o r o d z a j u p r z e p ły w u d w u fa z o w e g o , w o p a r c iu o a n a l i z ę s t a n u e n e r g e t y c z n e g o

S t r u k t u r a p r z e p ł y w u d w u f a z o w e g o g a z - c i e c z

B £J

e r

o

M

R y s .1 . Ho d z a J e p r z e p ły w u d w u fa zo w eg o w rurze pionowej;

B - p ę c h e r z y k o w y , P -k o r k o w y , F -p iia n o w y , A-pierścle- n io w y , M-mgłowy

R y s .2 . R o d z a je p r z e p ły w u d w u fa z o w eg o w r u r z e poziomej;

S - r o z w a r s t w i o n y , W -fa lo w y , B-pęcherzykowy, P -k o r k o w y , E - r z u t o w y , A - p i e r ś c i e n i o w y , M-mgłowy

R y s . 3 . Oporowa m etod a i d e n t y f i k a c j i r o d z a j u p r z e p ły w u ; V-woltomierz, O S C -o s c y lo s k o p , WZ- w z m a c n ia c z , A /C - p r z e t w o r a ik a n a lo g o w o - c y f r o w y , P - p e r f o r a t o r , E M C -m inikonę>uter, R M - r e j e s t r a t o r m a g n e ty c z n y

lUS W. Sp iaak 1 in“ i

1.

Y -

Q5-

PĘCHERZYKOWY

p 0.4 0

P 04

1

Y

0 5 -

PIERSCIENłOWY

O H 1---- 1---- 1— -i---- 1— -i--- 1

0 Q2 p 0j4

R y s .i t . H is to g r a m y d l a p o s z c z e g ó l n y c h r o d z a jó w p r z e p ły w u d w u fazow ego- ^ r u r z e p U a n « reJ

R y s . 5 . I g ło w a m eto d a o d w zo ro w a n ia p o w ie r z c h n i m ię d z y f a z o w e j , /r z y p r z e p ły w ie p ie r ic iie n ijo w y m ; C B C -o s c y lo s k o p , Y - w o lt o m i e r z , F - l i c z n i k i i u p u l s ó w / c z ę s t o i c l o m l e r z /

S t r u k t u r * p r z e p ł y w a dwufazowego gaa-oieoz * * 1

Rys.6. Rozkłady funkcji f« h odwzorowującej p o w ie r zc h n ię zafalowaną przy przepływie p ie r ś c ie n io w y m

101

10'

itr 0.1

\ X

X

^u

1,07 P a s

= 1,9 P a s

B ¡V' ^{\ X}

^{V X a}

^\

^M X ^\

10

w,

W,Lo

M

Y P c

104

R y s . 7 . Mapa p r z e p ły w u d w u fa zo w eg o g a z - c i e c z w r u r z e p io n o w e j, p r z e p ły w ku g ó r z e / o z n a c z e n ia form wg r y s .1 /

150

R y s .8 . Mapa p r z e p ły w u d w u fa zo w eg o gaz- c i e c z wysokolepka p r z y p r z e p ły w ie z g ó r y w d ó ł w r u r z e a ś r e d n i c y 15 mra i m c i e c z y o l e p k o ś c i 0 , 6 2 Pa s ; o z n a c z e n i a fo rm :

L - n ie z a f a lo w a n y f i l m , W -fa lo w y , F - p ia n o w y , A - p i e r ś c i e n i o w y , G T -r d z e n io w y , B - p ę c h e r z y k o w y , P -k o r k o w y , 3 - s t a l a k t y t o w y

S tr uk tu r a pr s aplywu dwuf a s o w e g o g s z - o l g c s

151

[7 ,8 " ] , a n a l i z ę s i ł e le m e n ta r n y c h [

9

1

R e z u l t a t y t y c h p r a c n i e mogą b y ć je d n a k w y k o r z y s ta n e t e z p c ś r e o n i© p r z y p r o j e k t o w a n iu a p a r a tó w p r z e m y s ło w y c h . O g r a n ic z e n ia i u p r o s z c z e n ia t k w ią c e w p o s z c z e g ó l n y c h m o d e la c h t e o r e t y c z n y c h s t w a r z a j ą z b y t duży m a r g in e s n i e ­ p e w n o ś c i , c o w p r z y p a d k u p r o j e k t o w a n ia k o s z to w n y c h i o d p o w ie d z ia ln y c h t e c h n o l o g i c z n i e a p a r a t ó w f t a k i c h j a k n p . r e a k t o r y p r z e p ły w o w e ,j e s t n i e d o ­ p u s z c z a l n e .

LITERATURA

£ l j L . T r o n ie w s k i ,R .U l b r i c h : Z e s z y t y fiaukow e WSI O p o le , Mechanika z . 1 5 ,

55

[

2

{3} J . N . S o l e s i o : R e p o r t C E A -R -4925, G r e n o b le 1 9 7 4 .

[

4

2

438

( 1 9 7 4 ) .

[ 5 j y .Y a m a za fc i, K .y a łn a g u ch lr J . o f h u c l e a r s c i . and T e c h n o l., 1 6 . 4 , 2 4 5 ' ( 1 9 7 9 ) .

[ 6 ] L .T r o n ie w s k i i i n n i : R a p o r t IBM n r 2 0 / 8 3 , w si Opole 1983.

[7 ] 2 . Stomma: P r a c a d o k t o r s k a . I n s t y t u t Badań J ą d r o w y c h , Św ierk 1 9 7 0 . [ 8 j Z . B i l i c k i : Z e s z y t y Naukowe IKP G d a ń sk , 4 4 / 9 1 4 , Gdańsk 1 9 7 8 . [ 9 ] E .U v a n flt: C h e m .E n g n g .P r o g r e s s Symp. S e r i e s , 61., 5 7 , 128 (

1965

[10J Y . T a i t e l , D .B o r n e a , A .E .D u k le r : AIChEJ. 2 6 , 3 4 5 (1 9 8 0 ).

[1 1 ] A . E .D u k le r , Y . T a i t e l , D .B o r n e a : AIChE J . , 2 4 , 5 , 9 2 0 / 1 9 7 8 )

Y im m TE9EBHH UFZ HByX®A3H0Sf EPigHKH TA3A H 28UK0CTH

P e 3 ^{c m a}

B paóoie npeACTaazeao xaaccH«j>incaunii pezaicos Teueiuia npz xsyx$a3B0M TedeHHH rasa a xkakocih b sepTEKaasHuz a ropaaoHTazsHux Kanaaax. Onac aa o uesox axeasaitiaxanBa pexauoB reveras. IIpexcxaBjieHO ocoOeaaocTH c b « 3 £ i h h

c T eneaaeM b m c o k o b a s k h x xaxKocvett,

FL OW REGIMES I K TV O- PH AS E GAS-LIQUID FLOW

S u ■ b a r 7

Clasaifioation of f l o w regimes in two-phase gas-liquid flow in vert i­

cal and horizontal pipes jbas besn presented. The objeotive method of p r e­

dict ing particular fl ow regiaes waa described. Difference» for tbe flow of gaa and liquid wi th high vlsooaity wera discovered.