Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Газорідинні системи, основні параметри і рівняння. Природні та технологічні процеси, де відбувається взаємодія газової та рідкої фази, дуже поширені. Гідравліка газорідинних систем розглядає спільні течії рідини та газу. Такі потоки мають не тільки фіксовані зовнішні межі: стінки каналів, поверхні тіл, що омиваються, але і внутрішні межі поділу. Ці межі змінюються в часі і просторі [296]. На поверхнях розділу фаз виникають силові та теплові взаємодії, які впливають на поля швидкостей, тисків, температур, концентра­цій при переході через межу поділу фаз [296]. Особливістю газорі­динних систем є те, що хоча обидві фази є практично нестислими газорідинна система веде себе як стисла рідина.

Форми руху двофазних потоків набагато різноманітніші та складніші ніж форми руху та закономірності однофазних систем. Тому дослідження та узагальнення результатів в цій галузі мають більше значення ніж в гідравліці однофазних середовищ. При русі поодиноких дискретних об’єктів, наприклад, бульбашок чи крап­лин, можливо сформулювати задачу з необхідною точністю. Але в реальних двофазних течіях виникають проблеми, пов’язані зі змін­ністю меж розділу об’єктів в часі і просторі. В такому випадку ви­рішальне місце має фізичний експеримент і узагальнення його ре­зультатів з використанням теорії подібності. Рух середовища в будь-якій області газорідинної системи визначається рівняннями

ЭТ

aV2T = —+ (w, gradT)

Для розрахунків газорідинних потоків використовують понят­тя зведеної швидкості фази. Так, якщо через переріз Q рухається газорідинне середовище з витратою газової фази V" і витратою рі­дкої фази V’, то зведені швидкості фаз

Wo’ = V7Q, w0" = V"/Q.

Об’ємний газовміст двофазного потоку визначається

Р = Wo’7(wo" + wo’). (6.78)

Витратною швидкістю двофазного потоку прийнято вважати величину масової швидкості віднесену до густини рідкої фази

W0 = Wo’ + (p7p">Wo". (6.79)

Якщо двофазний потік рухається через переріз Q і газова фаза в даний момент займає переріз Q", то дійсний газовміст потоку, що є миттєвим значенням частки перерізу зайнятого газовою фазою, визначається за формулою

(6.80)

Дійсні середні та зведені швидкості пов’язані рівняннями

Середня відносна швидкість (швидкість ковзання фаз) дорів­нює

лувід = w" — w’. (6.82)

Швидкість суміші визначається за рівнянням

WCM = Wo’ + Wo" = w0"/p. (6.83)

Середня дійсна густина суміші визначається

рем = р’-0 — ф) + р"-ф = р’ — (р’ — Р"Уф — (6.84)

Відносна густина суміші

ф = рем/р’ = 1 — ф-(р’ — р"Ур’- (6.85)

Основні безрозмірні параметри потоку розроблені для аналізу руху двофазних потоків на основі теорії подібності. В цих парамет­рах враховуються основні величини, що визначають режим руху, це
зведені швидкості фаз, їх густини та в’язкості, коефіцієнт поверх­невого натягу та лінійний розмір системи.

Безрозмірний параметр	Фізичний зміст
< < о	Характеризує відносний об’ємний вміст фаз в
О £ О £	потоці
wl	Характеризує гідравлічний режим течії
V	(ламінарний, турбулентний)
р: р’	Характеризує відношення густин та інерційних сил
а	Характеризує співвідношення сил поверхневого
g-(p’-p"H2	натягу та сили тяжіння
w2	Характеризує співвідношення інерційних сил
g-1	і сил тяжіння в потоці

За допомогою даних безрозмірних параметрів можна будувати спеціалізовані критерії, наприклад, критерій Архімеда, який харак­теризує співвідношення між підйомною силою і силою опору, ви­кликаною молекулярною в’язкістю

(6.86)

Витікання газу в рідину. В процесі витікання газу через отвір в рідину розміри бульбашки збільшується до тих пір, поки не відбу­вається розрив шийки і відповідне зменшення поверхні розділу фаз. При малих швидкостях витікання і малій в’язкості рідини гідроди­намічним опором росту бульбашки можна знехтувати, тоді баланс сил має вигляд [296]

(4/3)-7r-R30-g-(p’ — р") = 2-7r-cpo-Rr а, (6.87)

де Ro — радіус краплини в мить відриву ;

Ri — радіус отвору ;

фо — коефіцієнт звуження радіусу шийки перед початком процесу

відриву.

Тоді відривний радіус бульбашки

Експериментальні дослідження показали, що дана формула не описує у повному обсязі складність процесу витікання. При малих густинах газу швидкість його витікання може бути настільки вели­кою, що виникають ефекти, пов’язані з стисненністю газової фази. Роботу проти сили поверхневого натягу можна виразити

dLa = 8-7r-a-RdR. (6.89)

Робота проти сили гідравлічного опору

У

де w — відносна швидкість переміщення границі поділу фаз. Після перетворень відношення робіт має вигляд

dLc _ 256-a-R3

Робота утворення бульбашки відбувається за рахунок кінетич­ної енергії газу, що в неї втікає

Використовуючи наведені вище залежності отримано вираз для визначення основних параметрів в процесі витікання газу в рі­дину

де w" — середня витратна швидкість газової фази ;

с* — коефіцієнт, що залежить від закону витікання [296].

Вільний рух бульбашок, вплив кінцевих розмірів посудини, виті­кання газу у в’язке середовище. Швидкість спливання бульбашки має складний характер і залежить від її діаметра. Із збільшенням діаметра бульбашки її швидкість різко зростає, далі відбувається падіння швидкості, пов’язане з різкою деформацією бульбашок і
зростанням гідравлічного опору. При цьому відбувається перехід до автомодельного до в’язкості рідини режиму.

Для такої області запропонована залежність [296]

Швидкість газової бульбашки в круглій трубі обмеженого пе­рерізу можна записати [111]

w" = w"„-[l — (R/Ro)2], (6.95)

де w" — швидкість спливання бульбашки у великому об’ємі рідини ;

R — радіус бульбашки ;

Ro — внутрішній радіус труби.

Авторами [296] на основі закону Стокса запропонована зале­жність для визначення середньої швидкості витікання через отвір у в’язке середовище

В’язкість рідини впливає не тільки на швидкість витікання га­зу через отвір, але і на величину відривного діаметра бульбашки.

Досліди підтверджують [296], що в’язкість підвищує відрив­ний діаметр бульбашки.

Основні уявлення про гідродинаміку та тепловіддачу в об’ємі ріди­ни за умов створення газорідинного середовища в області теплообмінної поверхні. Автором [296] запропонована залежність для швидкості підйому бульбашок в рідині

(6.97)

Дослідження процесів спливання поодиноких бульбашок чис­ловими методами розглянуто в [295]. Взаємодія струменів газу з рі­диною досліджувалась в [294-296]. Згідно даних [295] за умови, що критерій Рейнольдса, розрахований по швидкості бульбашки та її діаметру, більше 20, швидкість підйому ланцюжка бульбашок вище швидкості поодинокої. Причиною є певна швидкість рідини між
бульбашками. Якщо відстань між бульбашками більше діаметра каналу, то процес слід розглядати як спливання поодиноких бу­льбашок. Автори [294] вказують експериментально визначену межу переходу бульбашкового режиму відриву газової фази від зануре­ного в рідину отвору в струминний. Вона відповідає Re=200…400. В даному випадку критерій Рейнольдса розрахований по швидкості газу в отворі і діаметру отвору. Гідродинамічні особливості двофа­зного середовища в процесі барботування повітря в шар рідини біля вільно занурених поверхонь нагріву досліджувались в [296]. Ре­зультати переносились на пароводяні системи. Газова фаза підво­дилася через перфорований лист. Дійсний об’ємний газовміст за­лежав тільки від зведеної швидкості газової фази, що віднесена до прохідного перерізу трубного пучка. Значення складали ср=0,1.. .0,7.

В роботах [296] розглядається гідродинаміка барботажу газо­вої фази через шар нерухомої рідини по всьому перерізу барботера. При цьому в [294] експериментальні значення складають ср=0 на стінці і ср=0,34 на осі барботера. Емпіричну залежність для визна­чення дійсного об’ємного газовмісту запропоновано в [296], але ви­значальними величинами є лише теплофізичні властивості середо­вища. З гідродинамічними характеристиками тісно пов’язані про­цеси теплообміну. В літературних джерелах [296 та ін.] наведена інформація про теплообмін за умов створення газорідинного сере­довища барботуванням водяної пари в об’ємі води для устаткуван­ня енергетичних об’єктів. Коефіцієнти тепловіддачі в такому випа-

о

дку складають 10… 100 кВт/(м -К). Зазначимо, що під час барботу­вання пари через шар рідини процеси теплообміну пов’язані з ма — сообмінними процесами. Автороми [297-304] систематизовані ре­зультати значної кількості експериментальних досліджень тепло­віддачі від барботажного шару до твердих поверхонь за умов масо­вого барботажу по перерізу колонки. Загальний вигляд залежнос­тей для визначення інтенсивності тепловіддачі

St = f(Re, Fr, Pr), (6.98)

де St =—————— число Стантона;

р w — с — At

гр р р

Авторами [294] запропонована залежність

St = const^Re’Fr-Pr10,25.

Для хімічної промисловості досліджені характеристики тепло­обміну за умов встановлення теплообмінної поверхні в об’ємі ріди­ни в барботажному та пінному режимах в контактних апаратах [296]. В процесі проведення досліджень, в більшості, для визначен­ня коефіцієнтів тепловіддачі використовувались теплові баланси, основне рівняння теплопередачі та емпіричні залежності для тепло­обміну за умов вимушеного руху теплоносія. Така система визна­чення коефіцієнта тепловіддачі призводить до збільшення похибки визначення показника та ускладнень врахування, а тим більш, ви­тримування на необхідних рівнях всіх параметрів, що впливають на тепловіддачу.

Для пінного режиму підведення газової фази по всьому пере­різу апарату авторами [296] запропонована залежність для коефіці­єнта тепловіддачі, що включає відношення густин газу та рідини

рг/рр, а також модифікацію критерію Рейнольдса Re = Wf Lv, який

vp

дорівнює критерію барботажу Кб, запропонованому авторами [296].

Авторами [276] вперше виявлена значна інтенсифікація тепло­віддачі від вертикальної пластини до рідини за умов локального пі­дведення газової фази в область теплообміну. Відзначено збіль­шення коефіцієнта тепловіддачі в 5 разів.

А в статті [276] інтенсифікація теплообміну за рахунок підве­дення газових бульбашок складає до 12 разів. А. Берглс в роботі [296] вказує на можливість підвищення тепловіддачі в кілька разів за рахунок вдування газу. Але відмічено, що підведення та відве­дення газової фази викликає труднощі.

Дослідження тепловіддачі в процесі омивання трубки водопо­вітряним потоком, що рухається в каналі, наведені в [296]. Автора­
ми показано, що пікове значення ос відповідає переходу від пробко­вого до емульсійного режиму течії за умови дійсного об’ємного га — зовмісту 0,5…0,54.

В роботі [294] проведені попередні, обмежені дослідження впливу локального вдування повітря на тепловіддачу від горизон­тальної труби до води.

Під час досліджень витрата газової фази складала (0,56…2,8) л/с. Довжина теплообмінної трубки — 0,56 м, діаметр — 8 мм. Вздовж неї було встановлено 8 отворів для підведення газу.

Виявлена інтенсифікація тепловіддачі в 1,5.. .3 рази. Показано, що вплив вільної конвекції незначний і основну роль відіграє кіль­кість газової фази. Інтенсивність тепловіддачі описана критеріаль — ним рівнянням

Nu = 1,8-Ra°’056-Re0’3, (6.100)

де Re=w0TB’doTB/Vr — число Рейнольдса розраховане по діаметру отвору і швидкості газу, віднесеній до площі перерізу отвору.

В результаті аналізу даних літератури виявлено, що інтенсив­ність тепловіддачі визначається швидкістю газової фази wr, числом Прандтля Рг та питомим тепловим потоком. Емпіричні залежності розроблені для діапазонів wr=0,001…3 м/с, q=4…1200 кВт/м2, Рг=2…300.

Таким чином, в переважній більшості джерел увага приділя­лась процесам масового барботажу по всьому перерізу апарата. А особливості гідродинамічної ситуації та тепловіддачі за умов лока­льного підведення газу в достатній мірі не досліджені. Відсутні ем­піричні залежності для тепловіддачі за умов малих теплових пото­ків (q<4 кВт). А саме таких умов потребує анаеробна біоконверсія.

За різними даними наявність твердих частинок може як збіль­шувати, так і зменшувати інтенсивність тепловіддачі.

За даними [296] в колонних апаратах тепловіддача до трифаз­ного середовища з С=4…10 % і wr=0,02…0,l м/с більша, ніж до двофазного і визначається за залежністю

St = 0,15 • (Rer • Frr )"°’25 • (Prc )"°’666. (6.101)

Оскільки, в літературних джерелах інформація по теплофізич­них властивостях субстратів суперечна і неоднозначна, то викорис­тання залежності (6.101) для розрахунку теплообміну в реакторі БГУ вкрай складне.

В табл. 6.2 систематизовані авторами [375] залежності для роз­рахунку тепловіддачі від твердої стінки до середовища за умов під­ведення газу в область теплообмінної поверхні.

Аналіз розрахункових залежностей показує, що інтенсивність тепло­віддачі визначається швидкістю газової фази, що підводиться в об’єм середо­вища, та його теплофізичними властивостями. Розроблені емпіричні формули використовуються в таких діапазонах параметрів: wr=0,001…3 м/с;

q=4… 1200 кВт/м2 ; Рг=2…300.

Комментарии запрещены.