بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، جریان دوفازی غیر همسو در لوله عمودی از جنس پلکسی گلاس با قطر داخلی 60 mm و ارتفاع 2 m در شرایط آدیاباتیک بررسی شده است. تا کنون تعداد کمی از پژوهشهای صورت گرفته در حیطه جریانهای غیر همسو در لولههای با قطر بزرگ مقیاس انجام شده است. هوا از پایین به بالا و آب از بالا به پایین جریان دارد. محدوده سرعتهای ظاهری هوا و آب به ترتیب 2-7.1 m/s و 0.01-0.15 m/s است.
در کار حاضر علاوه بر جریان برگشتی، از رژیمهای لختهای، متلاطم و حلقوی میتوان بهعنوان رژیمهای اصلی مشاهده شده در لولهها نام برد. تلاش بر این بوده است که در ترسیم نقشه الگوهای جریان، عدم قطعیت تعیین مرزها به حداقل رسیده باشد. در بخش بعدی آزمایش بهمنظور مشاهده تاثیر حضور مغشوش کننده بر الگوهای جریان از فنری با گام و قطر 4 mm درون لوله استفاده شد. طول این فنر 1 m بوده و نیمه پایینی لوله را در بر گرفته است. طبق آزمایشهای صورت گرفته نتایج نشان می دهد که در اثر حضور فنر در لوله، در نقشه الگوهای جریان، رژیم لختهای محدوده بسیار کمتری را در بر میگیرد و مقداری افزایش در محدوده رژیم حلقوی مشاهده میشود.
-1 مقدمه
حضور فنر باعث آشفته شدن جریان دوفازی میشود و در نتیجه محدودهی رژیمها و شکل و سرعت حرکت حبابها نسبت به حالتی که فنر قرار ندارد، کاملا متفاوت خواهد بود. الگوی جریان و مشخصههای جریان از قبیل کسر حجمی و سرعت حرکت اسلاگ برای جریان دوفازی غیرهمسو در یک لولهی عمودی در چند دهه اخیر به-طور گسترده مورد بررسی واقع شده است. از موارد مشاهده جریانهای غیر همسو در صنعت میتوان به برجهای خنک کن، جاذبهای ذرات و سیستمهای سرمایشی برای حوادث مربوط به نیروگاههای هستهای اشاره نمود.
سیمپیچها یا فنرها نوعی از المانها هستند که در قیاس با سایر تکنیکهای پیشرفته، مانند ایجاد ناهمواریهای مصنوعی ایجاد شده توسط تغییر شکل مکانیکی، مزایای بیشتری دارند.[1] این سیمپیچها میتوانند درون یک لوله نصب شوند. نصب آنها آسان و هزینهی آنها پایین است. با وجود اینکه قرار دادن سیمپیچ در لوله باعث افزایش انتقال حرارت میشود اما موجب ایجاد تنش برشی و افت فشار در لوله نیز میشود. نصب وسیلهای مانند سیمپیچ درون یک لوله بهدلیل یک یا چند مورد از پدیدههای زیر میتواند باعث افزایش انتقال حرارت گردد:
· افزایش آشفتگی: سیمپیچهای نصب شده به دیوار لوله باعث ایجاد جدایش در جریان میشود که در نتیجه آن سطح آشفتگی افزایش مییابد. آنها همچنین بهعنوان المانهای ناهموار ترکیب شده با جریان در زیرلایه لزج عمل میکنند.
· افزایش جریان ثانویه: بسیاری از وسایل نصب شده درون لوله، جریانهای ثانویه را ایجاد میکنند که می-تواند انتقال حرارت را افزایش دهد. سیمهای مارپیچی یک جریان حلزونی را در پیرامون جریان محوری اصلی تولید میکنند. بهدلیل افزایش سرعت جریان و پدیدار شدن نیروهای گریز از مرکز، انتقال حرارت همرفت افزایش مییابد.
· کاهش قطر هیدرولیکی: هر المان نصب شده در یک لوله سطح مقطع را کاهش داده و باعث افزایش سرعت میانگین جریان میشود. الگوهای جریان نقش مهمی را در ارتقای انتقال حرارت دارند و دانش دربارهی آنها برای بهینهسازی هندسه تکنیکهای ارتقای انتقال حرارت بسیار مفید خواهد بود. به همین دلیل محدودیتهای مختلفی در جریانهای غیر همسو وجود دارد. این نوع جریانها در کانالهای افقی تنها در جریانهای لایهای1 یکنواخت یا لایهای متلاطم ایجاد خواهد شد. در لولههای عمودی نیز تنها در حالتی که فاز مایع رو به پایین و فاز گاز رو به بالا جریان داشته باشد، جریان غیر همسو تشکیل میشود.
با جریان یافتن فازهای مایع و گاز درون لوله، الگوهای جریان متنوعی به وجود میآید. اندرکنشهای بین فازها باعث به وجود آمدن این الگوهای جریان مختلف میشود. عوامل اصلی تاثیرگذار بر الگوی جریان درون لوله شامل پارامترهای سیالاتی از قبیل دبی و جهت جریان هر یک از فازها، مشخصه های سیال ها و پارامترهای هندسی از آنجمله قطر لوله، شیب لوله، هندسه لوله و سایر موارد است.
انتقال مومنتوم بین دو فاز، انتقال حرارت و انتقال جرم در جریان دوفازی بهشدت از الگوهای جریان تاثیر میپذیرند. بنابراین بررسی الگوهای جریان به منظور ایجاد عملکرد بالا و تامین ایمنی در طی فرآیند و انجام عملیات در صنایع مختلف از قبیل پالایشگاه، پتروشیمی و غیره، امری ضروری است. با توجه به موارد بیان شده طبیعی است که تاکنون بررسیهای بسیاری در زمینه الگوهای جریان دوفازی انجام شده باشد، با این حال اکثر بررسیهای انجام شده به جریانهای دو فازی همسو پرداخته شده است.
-2 پیشینه پژوهش
از یک نقطه نظر میتوان بررسیهای صورت گرفته در لولهها را به دو دستهی آزمایشهای انجام شده در لوله-های بزرگ مقیاس و کوچک مقیاس دسته بندی نمود. معیارهای مختلفی برای مقیاس بندی لولهها ارائه شده است. تایتل و همکاران [2] لولههایی را کوچک مقیاس میدانستند که شرط 1 را ارضا کنند:
در رابطه 1، d قطر داخلی لوله، ضریب کشش سطحی بین دو فاز، g شتاب گرانشی و و به ترتیب چگالی فازهای مایع و گاز هستند. برای فاز مایعِ آب و فاز گازِ هوا در شرایط محیط - دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار 1 اتمسفر - ضریب کشش سطحی برابر با 0.072 N/m، چگالی آب برابر 997 kg/m3 و چگالی هوا دارای مقدار 1.184 kg/m3 هستند، لذا شرط به صورت d 5.15 FP در میآید؛ به عبارتی لولههایی با قطر داخلی کمتر از 50 mm جزو لولههای کوچک و لولههای با قطر بیشتر از 50 mm جزء لولههای بزرگ به شمار میآیند.
کیم و همکاران [1] الگوهای جریان، کسر حجمی و سرعت شروع لختهها در جریان دوفازی غیر همسو درون لوله عمودی همراه با فنر را بهصورت تجربی بررسی کردند. آنها از چهار فنر با قطرها و گامهای متفاوت استفاده نمودند. وجود فنر باعث ایجاد آشفتگی در جریانهای مایع و گاز میشود به گونهای که سرعت و حرکت لختهها در لوله دارای سیم پیچ کاملا متفاوت با لوله فاقد فنر است. نتیجه بررسی آنها حاکی از این بود که سرعت شروع رژیم لخته ای در لوله دارای فنر بیشتر از لوله فنر است. کسر حجمی گاز نیز در لوله دارای فنر و در سرعت ظاهری زیاد گاز، کمتر از مقدار آن در لوله بدون فنر است.
انصاری و همکاران [3] رژیم جریان را در یک کانال افقی ریبدار مورد مطالعه قرار دادند. آنها تاثیر ضخامت و گام ریب بر رژیم جریان را بررسی نمودند. آزمایش در کانالی به طول 3.6 متر و سطح مقطع mm ×100 mm 50 انجام شد. بدین منظور ترکیبی از 9 ریب با ضخامتهای 8 mm، 4 mm و 2 mm و گامهای 80 mm، 60 mm و 50 mm مورد استفاده قرار گرفتند. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش ضخامت ریب در حالیکه گام آنها ثابت است، مرزهای رژیمهای جریان و شکل آنها دچار تغییرات چشمگیری میشود.
از سوی دیگر با ثابت بودن ضخامت ریب و افزایش گام آنها تغییر خاصی در رژیمهای جریان صورت نمیگیرد. شای ووئه چانگ و تیسون لیرنگ یانگ انتقال حرارت، افت فشار و ساختارهای جریان دو فازی همسو آب - هوا را در رژیم لختهای و در لولههای عمودی بررسی کردند. آنها یک میله مارپیچی را درون لوله قرار دادند و تاثیر آن را بر ساختارهای جریان بررسی نمودند.
طی پژوهش صورت گرفته، رابطه کسر حجمی میانگین و سرعت حباب تیلور نسبت به هم با استفاده از مدلهای شار رانشی اصلاح شده برای لوله در هر دو حالت وجود و عدم وجود میله مارپیچی به دست آمد. همچنین به منظور مشاهده تاثیر میله مارپیچ بر افت فشار و کارآیی انتقال حرارت، مجموعهای از آزمایشها را در هر دو حالت انجام داده و دادهها را بررسی نمودند. مطابق نتایج بهدست آمده، میله مارپیچ تاثیر قابل ملاحظهای بر ساختارهای جریان لختهای در لوله اعمال کرده است و با حرکت بیشتر اسلاگ درون لوله، حبابهای تیلور و اسلاگ مایع تمایل بیشتری به مارپیچی شدن پیدا میکنند.
این تغییر شکل حباب تیلور منجر به ایجاد امواج فشاری میشود. انصاری و ارزندی [5] الگوهای جریان دو فازی آب - هوا را در کانال افقی بدون ریب و ریبدار بررسی نمودند. آنها سه حالت مختلف را برای کانال ریبدار مورد بررسی قرار دادند؛ بطوریکه صفحه ریبدار در حالت اول در کف کانال - سمت آب - ، در حالت دوم در بالای کانال - سمت هوا - و در حالت سوم در هر دو سمت بالا و پایین قرار گرفت.
همچنین بهمنظور بررسی اثر ارتفاع ریب، از ریبهای با ارتفاع 1 mm، 2 mm و 4 mm استفاده شد. رژیمهای توپی، لایهای، لختهای و موجی در کانال مشاهده شدند. بر اساس نتایج بهدست آمده، در اثر قرار گرفتن ریب در کانال، خطوط گذار رژیمهای جریان به بخشهایی با سرعت پایینتر گاز منتقل شد؛ همچنین قرار دادن ریبها در بالا و پایین دیواره کانال نسبت به قرار دادن آنها به تنهایی در بالا یا پایین کانال اثر بیشتری را در الگوهای جریان به نمایش گذاشت. تاکشیما و همکاران [6] رژیم-های جریان، کسر حجمی میانگین و افت فشار را در جریان دو فازی آب - هوا همسو در لوله عمودی همراه با فنر بررسی نمودند.
قطر داخلی لوله 25 mm و ارتفاع آن 500 mm بود. با تغییر قطر، گام و تعداد سیم پیچها، شش حالت مختلف از این سیم پیچها درون لوله قرار گرفت. پنج الگوی مختلف حبابی، لختهای، متلاطم، شبه حلقوی و حلقوی مشاهده شد. بررسی آنها حاکی از این بود که حالت گذار رژیم حبابی به لختهای در لولههای دارای سیم پیچ، در سرعتهای پایینتر هوا اتفاق میافتد. آنها همچنین تاثیر سیم پیچ بر کسر حجمی را اندک ارزیابی نمودند؛ در حالیکه مشاهده شد که در لولههای دارای سیم پیچ، رژیم جریان تاثیر قابل ملاحظهای بر روی افت فشار دارد.
-3 سیستم آزمایشگاهی
سیستم آزمایشگاهی شامل یک لوله به طول 2 متر و قطر داخلی 60 mm است. با توجه به اینکه قطر لوله های غالب در صنعت در محدوده بزرگ مقیاس است، این لوله مورد استفاده قرار گرفت.
