Структура двухфазного потока

Дата добавления: 2014-06-18 | Просмотров: 1530

Начнем с хорошо известного эксперимента. Пусть в трубе с по­ристым днищем находится слой сыпучего материала (рис. 17, а). Будем продувать через слой газ и фиксировать гидравлическое сопротивление слоя Δр и изменение его структуры в зависимости от приведенной скорости газа v.

По мере возрастания v в неподвижном слое увеличивается Δр. Графически это выражается в виде прямой, наклоненной под не­которым углом к оси v (рис. 17, б). В точке А слой переходит в псевдоожиженное состояние. При этом резко падает величина Δр. Дальнейшее увеличение v сопровождается расширением слоя при Δр = const. Высота слоя увеличивается согласно уравнению:

h₀(1-ε₀) = h(1-ε)

где ε₀, ε - соответственно объемные доли газа в неподвижном и расширяющем­ся слоях; h₀ - высота неподвижного слоя.

При постепенном снижении v псевдоожиженный слой переходит в неподвижный. На рис. 17, б обратному процессу соответствует пунктирная линия, которая располагается в зоне неподвижного слоя ниже графика прямого процесса. При этом образуется рых­лый слой с неплотной упаковкой частиц.

Теперь рассмотрим этот же эксперимент, но для случая с силь­но уплотненным материалом. В этом случае происходящие изме­нения будут наблюдаться только в ходе прямого процесса. Линия Δр(v) (рис. 17, в) для неподвижного слоя расположится несколь­ко выше, чем в предыдущем опыте, поскольку упаковка частиц более плотная, а величины v и Δр, при которых слой перейдет в псевдоожиженное состояние, будут значительно превышать со­ответствующие значения, полученные в первом опыте.

Рис. 17. К механизму псевдоожижения:

а - схема опыта; б - псевдоожижение неуплотненного материала; в - псевдоожижение уплотненного материала.

Причина столь существенного отличия величин v и Δр в на­чальной фазе псевдоожижения заключается в наличии сил трения между неподвижным слоем и стенками трубы. В повторном опыте после уплотнения материала, значительно возросли силы давления материала на стенки трубы и, следовательно, силы трения.

Отсюда нетрудно представить следующую ситуацию: если для аппарата псевдоожиженного слоя по величине Δр_А подобрать воздуховодную машину, то в случае уплотнения материала этот ап­парат не сможет работать, так как для этого нужно создать пере­пад давлений больший, чем Δр_А.

При псевдоожижении слоев с большим отношением h₀/D из-за колебаний расхода газа возможны отдельные локальные уплот­нения материала, сопровождающиеся образованием поршней. Такой процесс неустойчив и при ограниченном запасе установки по давлению может закончиться образованием уплотненного слоя по всей высоте аппарата. Аналогичную ситуацию в пневмотранс­порте называют завалом.

Далее рассмотрим следующий опыт. Пусть в трубу с псевдоожиженным слоем при v = const непрерывно подается материал (рис. 18). Нетрудно представить, что высота псевдоожижениого слоя будет расти до верхнего среза трубы, а лишний материал выгружаться. В этом случае реализуется процесс пневматического транспорта, который отличается от псевдоожижения тем, что сред­няя скорость частиц материала отлична от 0.

В зависимости от соотношения массовых расходов материала Q_Д и газа Q (иначе - расходной концентрации)

μ = Qa/Q

этот процесс условно разделяют на пневматический транспорт с низкой и высокой концентрацией. Более строго это разделение осуществляется относительно величины ε. При ε > 0,99 движение частиц можно считать независимым друг от друга.

Рис. 18. Схема реализации пневмотранспортного процесса:

1 - транспортная труба; 2 - питатель.

При пневмотранспорте порошкообразных материалов, так же как и при их псевдоожижении, наблюдается явно выраженная не­однородность двухфазного потока. Основная масса газа движется в виде пузырей (рис. 19, а). При низких концентрациях материала поток снова становится однородным. Материал движется в виде отдельных частиц и агломератов. Более четких границ этого пере­хода не установлено.

При движении двухфазного потока по горизонтальной трубе его структура претерпевает существенные изменения. При высо­ких концентрациях наблюдается движение материала по дну трубы в виде волн, гребней (рис. 19, б). При низких концентрациях ос­новная масса частиц находится во взвешенном состоянии, однако величина (1 – ε) значительно увеличивается ко дну трубы (рис. 19, в).

В последнее время появились исследования пневматического транспорта в плотном слое с ε ≈ ε₀. Это пневмотранспорт с затор­моженным слоем и поршневой пневмотранспорт (рис. 19, г и д). Суть первого вида транспорта заключается в том, что на выхо­де из трубы устанавливают местное сопротивление, например, су­жение, которое тормозит движение материала. За счет градиент­ных сил фильтрующего газа материал поджимается к сужающему устройству, лишая, тем самым, газ возможности свободного про­скока.

Второй вид транспорта сводится к организации в пневмотранспортной трубе движения материала в виде поршней, полностью перекрывающих поперечное сечение трубы. Этот процесс обеспе­чивается определенной подачей газа и материала в трубу.

В отличие от рассмотренных выше структур движущегося двух­фазного потока, при движении материала в плотном слое в нем возникают напряжения, создающие значительные силы трения материала о стенки трубы, однако возможность существенно сни­зить скорость материала и расход газа определяет достоинства этих видов пневмотранспорта.

Рис. 19. Структуры двухфазного потока при пневматическом транспорте:

с - неоднородный поток в вертикальной трубе; б - однородный поток в горизонтальной трубе; в - неоднородный поток в горизонтальной трубе; г -транспорт заторможенного плот­ного слоя; д - транспорт материала в виде поршней.