вход Вход Регистрация



Двухфазные потоки есть неоднородные системы с поверхностью раздела фаз, званой для систем воздуха - жидкость, пара - жидкость и жидкость - жидкость свободной поверхностью.

Наличие двух фаз меняет не только формы движения систем, но и их природу, поскольку решающее влияние делает взаимодействие между фазами. Двухфазную систему необходимо рассматривать как физико-химическую систему, которая может быть определена как многофазная многокомпонентная сплошная среда, распределенная в пространстве и сменная во времени, в каждой точке гомогенности которой и на границе раздела фаз происходит перенесения вещества, энергии и импульса при наличии источников последних [57].

Рассматривая совокупность физико- химических эффектов и явлений, которые возникают в процессе ограниченного движения капель редкой или пузырьков газовой фазы в сплошной редкой среде, естественно выделить пять степеней иерархии этих эффектов: 1) совокупность явлений на атомарно-молекулярном уровне; 2) эффекты в масштабе надмолекулярных; 3) множество физико- химических явлений, связанных с движением единичного включения дисперсной фазы и явлений межфазного енерго- и масопереносу; 4) физико-химические процессы включений, которые перемещаются ограниченным чином в пласте сплошной фазы; 5) совокупность процессов, которые определяют макрогидродинамическую обстановку в масштабе аппарата.

1. Первый уровень иерархии эффектов физико-химической системы характеризуется физико-химическими взаимодействиями на уровне молекул. Система полагает однородной, то есть идеально перемешанной на уровне индивидуальных атомов и молекул, а характер развития и протекание физико- химических процессов определяется исключительно физическими свойствами перечисленных частичек, значениями молекулярной вязкости, теплопроводности и коэффициентами молекулярной диффузии.

По внешней причине, которые влияют на физико-химические взаимодействия между частичками первого уровня, существенный взнос вносят эффекты действия окружающего среды. Они оказываются в виде кинетических, диффузных и термодинамических эффектов изменения физико- химических свойств среды.

2. Второй уровень иерархии физико-химической системы составляет совокупность физико- химических эффектов на уровне молекулярных глобул.

Осложнение строения химически однородной системы (т.е. системы первого уровня) с гидродинамической точки зрения связанное с созданием в ней надмолекулярных структур или глобул, под которыми понимаются агрегаты близ расположенных молекул, которые владеют относительной термодинамической стойкостью (целостностью) при действия гидродинамических возмущений. Каждая глобула ведет себя как «элементарная» физико-химическая система, где представленный весь комплекс тепловых и диффузных явлений. Система, полностью разделенная на отдельные агрегаты молекул, равномерно распределенные за объемом аппарата, называется полностью сегрегованою. Явление сегрегации характерное как для сплошной, так и для дисперсной фазы.

Сегрегация и ее действие на процессы перенесения особенно оказываются в системах с повышенной вязкостью.

Рассмотренная совокупность явлений первого и второго уровней входит составной частью в эффекты высших степеней иерархической структуры физико-химической системы.

3. К третьему уровню иерархии физико-химической системы можно, отнести следующие явления. Элемент дисперсной фазы (пузырь, капля), в котором протекает массообмен как в объеме, так и на межфазной границы, движется в объеме сплошной фазы под действием сил Архимеда, инерционных сил и сил сопротивления, поддававшийся одновременно действия механизма перенесения массы, энергии и импульса через границу раздела фаз. Как начальная причина возникновения межфазных потоков субстанций, что обусловливает всю совокупность явлений, составляющих механизм межфазного перенесение, естественно принять неравновесность гетерогенной системы, которая делится на несколько видов; неравновесность по составу, неравновесность по температуре, скоростная неравновесность, то есть несоответствие скоростей фаз. Каждый вид неровностей обусловливает прежде всего перенесения соответствующей субстанции и одновременно делает перекрестный (косвенный) влияние на перенесение других субстанций.

Потоки массы и энергии обусловливают изменение ентальпии сплошной и дисперсной фаз, а также других физических и термодинамических характеристик фаз: вязкости, плотности, теплоемкости, состава, температуры и т.п. Изменения физико- химических характеристик фаз влияют на степень удаления гетерогенной системы от равновесия.

Перенесение массы и энергии через границу раздела фаз возбуждается равновесие сил на межфазной границы и обусловливает месту неравномерности ее поверхностного натяжения. Локальные изменения поверхностного натяжения является основной причиной возникновения межфазной спонтанной конвекции, которую можно подразделить на две категории: благоустроенную и неурегулированную. Последний эффект влияет на масоперенос между фазами, а также приводит к деформации границы раздела фаз, то есть к изменению ее формы и кривизны.

Поток импульса через границу раздела фаз в каждой точке поверхности является векторной суммой два составляющих: потока импульса сил, нормальных к поверхности раздела, и потока импульса сил, касательных (тангенциальных) к поверхности, которые ответственные за генерацию циркуляционных токов внутри включения. Циркуляционные тока интенсифицируют процессы массо- и теплоотдача в элементе дисперсной фазы. Нормальная и касательная напряжение на границе раздела фаз переориентирует включение в просторные, меняя траекторию его движения, а также деформируют поверхность раздела фаз.

Существенный взнос в деформацию границы раздела фаз вносят отличия в динамическом нажиме турбулентных вихрей в отдельных точках межфазной поверхности. Деформации могут быть настолько большие, что граница раздела разрывается и включение дробятся на более мелкие элементы. Дробление может происходить лишь под действием относительно малых по величине вихрей. При крупномасштабных вихрях, которые не меняются на расстояниях порядка диаметру включения, достоверность сильных деформаций и дробления уменьшается.

Деформация границы раздела фаз связана с целым возле эффектов, с которых к наиболее существенным можно отнести следующие: а) дробление капель или пузырей и связано с этим изменение площади межфазной поверхности; б) развитие межфазной турбулентности; у) изменение термодинамических характеристик в объеме включения: давки насыщения, температуры, состава, степени отклонения от химического равновесия и т.п. Перечисленные эффекты, связанные с деформацией границы раздела фаз, интенсифицируют процессы межфазное перенесение массы энергии и импульса.

4. К четвертому уровню иерархической структуры физико-химической системы относятся следующие эффекты. Каждый элемент дисперсной фазы при ограниченном движении включений в ограниченном объеме сплошного среды оставляет в ней турбулентный нужно. Под действием главным образом сил Жуковского вихри от отдельных следов взаимодействуют друг с другом, вызывая турбулизацию всей сплошной фазы. Поверхность включений, которые находятся в зоне взаимодействия турбулентных следов, охватывается вихрями сплошной фазы и привлекается к турбулентному движению. Это обозначается на всей совокупности физико- химических эффектов третьего уровня иерархии. В частности, изменение траектории движения включений обусловливает возможность их столкновенье и, как следствие, перераспределение полей концентраций, температур и давки внутри элементов дисперсной фазы [58].

Рассмотренные эффекты первого, второго, третьего и четвертого уровней иерархической структуры физико-химической системы находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и образовывают совокупность так называемых микрогидродинамических факторов, которые влияют на процессы перенесения субстанции в гетерофазный многокомпонентной системе.

5. Пятый уровень иерархической структуры физико-химической системы составляет совокупность явлений, которые определяют так называемую гидродинамическую обстановку на макроуровне в аппарате. Эта совокупность явлений характеризует гидродинамическую структуру потоков в аппарате в целом.

Начальным фактором, который определяет специфику эффектов пятого уровня иерархии, служат конструктивные особенности технологического аппарата. К последним можно отнести геометрические особенности аппарата, тип перемешивающих и теплообменных устройств, расположение входных и исходных патрубков, наличие и форму отбивных перегородок, диффузоров, тарелок, распределительных устройств и т.п. Непосредственно конструктивными особенностями аппарата определяются подведения внешней механической энергии, которая идет на создание механического перемешивания в системе; обмен (подведение или отвод) тепловой энергии, связанный с конструктивными особенностями теплообменных устройств и режимом подачи теплоносителей.

В процессе изменения гидродинамической структуры потоков в масштабе аппарата меняются и ее основные количественные характеристики: распределения частичек сплошной и дисперсной фаз по траекториям, по времени пребывания в установке, удерживающие способности аппарата по сплошной и дисперсной фазам, распределение включений дисперсной фазы за размерами и т.п. Особенности гидродинамической структуры потоков и геометрии установки обозначаются на формировании полей концентраций и температур в масштабе аппарата.

На второму уровне иерархии информация предыдущего уровня обогащается.

Основу описания эффектов третьего уровня составляют методы механики мелкомасштабных течений возле включения дисперсной фазы, термодинамика поверхностных явлений, методы описания равновесия многокомпонентных систем, разные теории межфазного перенесение.

Для описания явлений четвертого уровня иерархической структуры физико-химической системы могут быть использованы методы статистической теории сплошных сред, методы механики дисперсных систем, модели, построенные на основе математических методов кинетической теории газов и др.

Уравнение первого, второго, третьего и четвертого уровней иерархической структуры эффектов физико-химической системы входят составной частью в математическое описание явлений пятого уровня как математическое описание подсистем всей системы. Практика показала, что это описание прежде всего должен быть достаточный простым и удобным. Поэтому информацию, которая поступает из нижних уровней, необходимо максимально сжать и представить на верхний уровень в достаточно простой и компактной форме. Сжатие информации достигается оценкой по порядку немного величин, которые входят в описания нижних уровней, выявлением наиболее значащих факторов, которые влияют на технологический процесс, привлечением вместо точных соотношений более простых модельных конструкций с упрощенной формой математических описаний и т.п.

Основной задачам инженерного расчетов гидродинамики двухфазных систем есть определения линейной скорости сплошной фазы.

Существенное влияние на состояние двухфазного потока предоставляет конструктивная характеристика установки, по которому движется двухфазный поток. Поэтому гидродинамический анализ двухфазных систем должны быть неотделенным от конструкции установки [58].

Распределение жидкости и воздух в потоке характеризуется удерживающей способностью по дисперсной фазе, под которой понимается количество дисперсной фазы ( м 3), удержанной в данный момент в единице объема ( м 3) сплошной фазы. Таким образом, размерность j= м 3/ м 3; Величина j меняется в зависимости от гидродинамического режима, достигая максимума в так называемой точке инверсии. После точки инверсии фазы «обращаются» - дисперсная фаза становится сплошной.

Удерживающая способность имеет исключительно важное значение для проведения процессов массопередачи, поскольку она определяет величину поверхности фазового контакта и время контакта. Изменение величины j от скорости воздуха или пары в системах воздуха - жидкость и пара - жидкость аналогично изменению перепада давки в таких двухфазных системах. Перепад давки в системах воздуха - жидкость, пара - жидкость при данной скорости воздуха (пара) есть однозначной гидродинамической характеристикой двухфазной системы [59].

Используя принципы математического моделирования и анализируя математические модели структуры потоков, можно установить профиль распределения скоростей и давки в двухфазном потоке. Основные количественные характеристики системы при наличии потоков двух фаз: перепад давки, результирующая скорость сплошной фазы и удерживающая способность по дисперсной фазе.

Предельным по состоянию раздельного движения потоков есть достижения равенства между силой трения на границе раздела фаз и силой тяжести или соответственно между силой тяготения и силой давки противоточноых подвижных потоков. Достигши этого равенства резко возрастает удерживающая способность по дисперсной фазе и меняется гидродинамическая обстановка процесса. Сравнивая количественные характеристики двухфазного потока (перепад давки, скорость и удерживающую способность) в данном состоянии с них значением в точке инверсии, можно количественно описать это состояние.

В отличие от однофазных потоков на границе раздела двухфазных потоков оказываются принципиально новые силы, в частности силы межфазного поверхностного натягивания. Эти силы проводят работу образования поверхности жидкости на границе ее раздела. Работа, которая тратится на образование единицы поверхности, называется поверхностным натягиванием: поверхностное натяжение является физической константой для данной системы жидкость - воздух или жидкость - жидкость, если не происходит процесса массо- и теплообмена.

Поверхностное натягивание ( может быть вычисленное по уравнению

 

(2.1)

 

где rже, rп - плотность жидкости и пары данного вещества;

М - молекулярная масса данного вещества;

[р] - парахор данного вещества. Парахор [р] есть аддитивною функцией состава и строения молекул данного вещества, то есть

 

(2.2)

 

где ра - составные парахоры для разного вида атомов, связей или группировок;

n - число данного вида атомов, связей или группировок в молекуле.

Пренебрегая плотностью пары в сравнении с плотностью жидкости, формула (2.14) может быть упрощенная:

 

. (2.3)

 

Можно рекомендовать также приближенное уравнение

 

(2.4)

 

где Ткип - температура кипения данного вещества при нормальных условиях.

Изменение поверхностного натягивания с температурой может быть вычисленная по следующему эмпирическому уравнению, которое дает хорошее согласование с опытом при температуре, далекой от критической:

 

(2.5)

 

где Тк - критическая температура данного вещества, К.

Формула (2.5) распространяется к смесям жидкостей, если вместо Тк подставить псевдокритичну температуру смесей Тк.см, что рассчитывается по уравнению

 

(2.6)

 

где x1,x2 - содержимое компонентов в смеси, мл. судьбы.

Поверхностное натяжение для смеси жидкостей может быть вычислено также по эмпирическому соотношению

(2.7)

 

При гидродинамическом анализе двухфазных потоков поверхностное натяжение вводится в виде так называемого числа Вебера We, что является отношением силы инерции к силы поверхностного натяжения:

(2.8)

 

Вид числа Вебера может меняться в зависимости от конкретных условий проведения процессов. Так, при проведении процесса механического перемешивания двух жидкостей, которые не смешиваются, числу Вебера предоставляют виду:

(2.9)

 

где nоб - частота обращения рабочего колеса;

dр.к. - диаметр рабочего колеса;

rсм - плотность смеси жидкостей.

Межфазный натяжение может быть введено в анализ в виде относительной величины

 

(2.10)

 

где s1-2- межфазное натягивание;

s 1-В - поверхностное натягивание на границе первая жидкость - воздух;

s 2-В - поверхностное натягивание на границе вторая жидкость - воздух.

Для большинства органических жидкостей на границе с воздухом при комнатной температуре значения s лежат в пределах 25·10-3- 40·10-3 Н/м. Поверхностное натяжение для систем вода - воздух при 20°С s=0,07275Н/м [13].

Поверхностное натяжение уменьшается почти линейно с температурой, становясь равным нулю при критической температуре.

 

Случайная статья

Минимизация конъюнктивных нормальных форм

Минимизация КНФ проводится аналогично минимизации ДНФ булевых функций. Конституэнта "0" – функция = 0 на одном наборе. Определение: Имплицентой булевой функции называется функция,... Подробнее...
© 2017
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру