Материал: Тишин ВБ Новоселов АГ Процессы переноса в технолог аппаратах

потоков, чем истинное газосодержание. Иногда истинное объѐмное газосодержание выражают через объѐмное в виде зависимости [5]

гк 0 ,

где к – коэффициент пропорциональности меньше единицы.

Плотность газожидкостной смеси определяют по правилу аддитивности [8]:

2.6.2. Поверхность контакта фаз

Поверхность контакта фаз (ПКФ) есть сумма площадей поверхностей элементов дисперсной фазы, находящихся в контакте со сплошной фазой, т. е. F fn, где f – поверхность элемента дисперс-

ной фазы, n – количество элементов в смеси. В расчетные зависимости чаще вводят не значение F , а величину удельной поверхности контакта фаз (УПКФ) a = F/V, где V – объем газожидкостной смеси.

Величину УПКФ можно определить, исходя из следующих соображений. Будем считать, что в газожидкостной смеси объемом V находятся элементы дисперсной фазы сферической формы диаметром dд . Согласно определению,

где V0 – объем элемента дисперсной фазы. Из полученных равенств следует

71

Для систем газ–жидкость и жидкость–твѐрдое (например, жидкость–клетка) уравнение (2.91) выразится двумя равенствами

пузырей (капель) будет сказано в следующих разделах. Здесь лишь отметим, что значение dп определяется гидродинамическими харак-

теристиками потока и физическими свойствами фаз.

Уравнение (2.92) требуется при расчѐтах аппаратов, предназначенных для проведения процессов тепло- и массообмена между фазами (абсорбция и десорбция газов, испарение жидкости с поверхности капель и т.п.); уравнение (2.93) – тепло- и массообмена в двухфазных средах жидкость–твѐрдое (например, культуральная среда– клетка).

2.6.3. Режимы и структуры течения и газосодержание газожидкостных потоков

При изучении гидродинамики газожидкостных потоков в понятие «режим движения» вкладывается иной смысл по сравнению с тем, что имеют в виду при изучении движения однофазных сред. Режимы движения газожидкостных потоков отражают их структуру, которая зависит от распределения дисперсной фазы в объѐме газожидкостной смеси. В дальнейшем выражение «режим движения» будет употребляться в классическом понимании этого выражения. При рассмотрении распределения дисперсной фазы в сплошной, будем пользоваться выражением «структура газожидкостной смеси».

Оценка режимов движения с позиций соотношения сил инерции и сил трения, т. е. по величине критерия Рейнольдса, в двухфазных потоках в большинстве случаев вряд ли целесообразна. Безус-

72

ловно, эти силы действуют и в газожидкостных потоках и проявляются как в каждой из фаз, так и при их взаимодействии. Однако попытку оценить режимы течения по критерию Рейнольдса смеси

Во-первых, потому, что не имеет физического смысла понятие вязкости смеси, определяемой по методу аддитивности; во-вторых, даже если значение критерия Reсм и соответствует ламинарному режиму,

движение газожидкостной смеси будет иметь ярко выраженный турбулентный характер из-за наличия относительного движения фаз.

Движение многофазной среды можно pассматpивать в качестве квазиодноpодной в случаях отсутствия, во-первых, относительного движения фаз и, во-вторых, взаимодействия между элементами дисперсной фазы. Такое возможно при условии, если силы вязкости сплошной среды во много pаз превосходят силы инерции, вызванные движением дисперсной фазы. В качестве примеров можно привести смеси растворов или расплавов полимеров с парами растворителей, вспенивателей или газов [7].

Второе исключение относится к течению газожидкостных смесей в капиллярных каналах, в которых наблюдается либо снарядная, либо плѐночная (кольцевая) структура потока. В таких каналах, из-за малого размера их поперечного сечения, движение каждой из фаз носит чѐтко выраженный ламинарный характер.

Поскольку в рассматриваемых нами производствах указанные исключительные случаи течения газожидкостных потоков не встречаются, в дальнейшем будем считать течения газожидкостных смесей турбулентными.

Стpуктуpа газожидкостных потоков зависит: от соотношения расходов фаз; от формы поперечного сечения и боковой поверхности каналов и их расположения в пpостpанстве; от направления движения смеси (в вертикальных каналах). При одинаковых расходах фаз стpуктуpа потока в вертикальных каналах может быть совершенно непохожа на стpуктуpу в горизонтальном канале, поэтому остановимся на каждом из них отдельно.

73

До сих поp нет единой классификации структуры газожидкостных смесей. Однако некоторые структуры отмечаются большинством исследователей (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Структуры газожидкостных потоков:

а–д – в вертикальных каналах; е–з – в горизонтальных каналах

1. Пузырьковая структура (см. рис. 2.8, а) хаpактеpизуется pавномеpным распределением отдельных пузырей по объему жидкости, которые непосредственно не взаимодействуют между собой. Такая структура существует при сравнительно малых расходах газа, т. е. при малых значениях отношения Qг / Qж , и может иметь место

как в вертикальных, так и в горизонтальных трубах. Однако в последних пузырьки pаспpеделены неpавномеpно по сечению канала и скапливаются в верхней его части, что может привести к расслоению потока.

2.Баpботажная (пенная) структура (см. рис. 2.8, б) наступа-

ет при более высоких расходах газа. Пузыри вступают в непосредственный контакт. Происходит их слияние, дробление, перемешивание, поверхность контакта фаз постоянно обновляется.

3.Снарядная (пробковая) структура (см. рис. 2.8, в) наступает при сравнительно умеренном газосодеpжании и низких скоростях потока. Происходит объединение отдельных мелких пузырей в боль-

74

шие, которые занимают все сечение трубы и имеют вид «снарядов». Между ними имеются прослойки жидкости с мелкими пузырями. Размеры «снарядов» и прослоек между ними зависят от соотношения расходов газа и жидкости. С увеличением Qг / Qж длина снарядов увеличивается, толщина прослоек уменьшается. При достаточно больших значениях Qг / Qж они исчезают вовсе, происходит переход

ккольцевому режиму.

4.Плѐночная (кольцевая) структура (см. рис. 2.8, г) названа так потому, что основная часть жидкой фазы движется вдоль поверхности в виде плѐнки, имеющей вид кольца. В центре потока перемещается газовая фаза, в которой в виде мелких капель может быть pаспpеделена часть жидкой фазы. Этот режим может иметь место в конденсаторах, в трубах выпарных аппаратов.

5.Эмульсионная (капельная) структура (см. рис. 2.8, д). Обра-

зование этого режима во многом зависит от начальных условий возникновения двухфазного потока. Она может быть образована методом распыла жидкости в газовый поток (например, в системах кондиционирования воздуха, камерах сушильных установок).

При движении газожидкостных потоков в горизонтальных трубах структуры протоков несколько отличаются от структур в вертикальных трубах. Как правило, пузырьковую и пенную структуры объединяют в одну, а к оставшимся четырем добавляют еще три: расслоенную, волновую и толчкообразную (см. рис. 2.8, е, ж, з). Более подробно с этими проблемами можно ознакомиться в работах [5, 9].

Движение газожидкостных смесей в каналах с иной формой поперечного сечения имеет свои особенности, несколько отличные от особенностей их движения в трубах. Эти вопросы интересны потому, что в пищевой и микробиологической промышленности широко используются пластинчатые теплообменные аппараты, в которых может иметь место течение газожидкостных смесей. Учитывая указанные обстоятельства, рассмотрим структуры потоков в каналах пластинчатых аппаратов несколько подробнее.

Данных по исследованию структур газожидкостных потоков в плоских и гофрированных каналах значительно меньше, чем в тру-

бах. В этой связи можно порекомендовать обратиться к работе [9]. Согласно указанной работе, в плоских и гофрированных каналах наблюдаются те же структуры, что и в трубах. Однако имеются

75