Επίδραση των Φυσικών Ιδιοτήτων των Ρευστών στη Διφασική Ροή Υγρού-Αερίου σε Οριζόντιους και Σχεδόν Οριζόντιους Αγωγούς

Abstract

Gas-liquid flow in horizontal or near horizontal pipelines is of considerable importance to many industrial applications. When gas and liquid flow cocurrently in a horizontal or near horizontal pipe various flow patterns form depending upon many parameters, such as flow conditions, physical properties, pipe size and pipe inclination. The prediction of flow patterns is a major problem in two-phase flow, since several design parameters, such as pressure drop and liquid holdup, are strongly dependent on the flow pattern. Generally, there is a gradual change from one flow pattern to another with changing flow rates, although the transition from stratified to slug flow is an abrupt one. Within the transitional zones, the flow behaviour exhibits characteristics of the flow patterns on both sides of the transition. Although extensive research on flow patterns has been conducted, most of this research has been concentrated on horizontal pipes with airwater or air-water+glycerol as working fluids and limited work has been reported for inclined pipes. This study aims at investigating the effect of several fluid properties on flow pattern transitions in horizontal and near-horizontal pipes. The fluids chosen for the experiments were selected in such a way to allow changes in one property without affecting considerably other properties. Experiments have been conducted in a 12.75 m long test loop with inside diameter of 24 mm and pipe inclinations of 0.25o 0.5o and 1o upward and downward. The effect of gas density was examined using CO2 (density at room conditions 1.81 kg/m3) and He gases (ρ=0.166 kg/m3) and the effect of surface tension using an aqueous solution of normal butanol (σ=35 mN/m) as liquid phase. The various transitions were identified visually and by statistical analysis of film height and pressure drop measurements. Moreover, in the present study improved semi-theoretical expressions were developed for the transitions in the stratified region. Also, during this study improved relations for the interfacial friction factor were proposed. The transition correlations and the correlations for the interfacial friction factor agree reasonably well with existing and the new data. It was found that the gas density strongly affects the transition to 2-D (twodimensional) and K-H (Kelvin-Helmholtz) waves. An increase in gas density (CO2-water system) results in the decrease of gas velocities required for the transitions to 2-D and K-H wave regions. Both transitions can be described quite well using semi-theoretical correlations proposed in this work. It is of interest to note that the only unchanged transition in the flow map is that from stratified to slug flow, although the slug-to-pseudo Σελίδα -ixslug transition is affected by the gas density. The former behaviour is rather consistent with predictions by the Taitel-Dukler model (Taitel and Dukler, 1976) and by a modified Lin-Hanratty model (Andritsos et al, 1989). eng

Η γνώση του καθεστώτος ροής (flow regime) που επικρατεί μέσα σε έναν αγωγό κατά την ταυτόχρονη ροή υγρού και αερίου αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική πληροφορία, καθώς τα χαρακτηριστικά της ροής (πτώση πίεσης, συγκράτηση-holdup, μεταφορά μάζας ή θερμότητας κτλ.) εξαρτώνται από το καθεστώς ροής. Η δημιουργία ενός συγκεκριμένου καθεστώτος ροής εξαρτάται όχι μόνο από τις παροχές των δυο φάσεων και τις φυσικές ιδιότητές τους, αλλά και από την κλίση και τη διάμετρο του αγωγού. Κατά την πειραματική μελέτη της διφασικής ροής χρησιμοποιείται συνήθως το σύστημα νερού-αέρα, ενώ σε γενικές γραμμές είναι περιορισμένες οι εργασίες που αναφέρονται στην επίδραση των φυσικών ιδιοτήτων των ρευστών στα καθεστώτα ροής, με εξαίρεση ίσως την επίδραση του ιξώδους του υγρού. Επίσης, οι περισσότεροι χάρτες καθεστώτων ροής που συναντώνται στη βιβλιογραφία αναφέρονται σε οριζόντιους ή σε κατακόρυφους αγωγούς. Περιορισμένες είναι σχετικά οι προσπάθειες που έχουν γίνει για την περιγραφή των περιοχών ροής σε κεκλιμένους αγωγούς, παρά την τεράστια σημασία τους, αφού σε όλες σχεδόν τις βιομηχανικές εφαρμογές οι αγωγοί αποκλίνουν, έστω και ελάχιστα, από το οριζόντιο επίπεδο. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η συστηματική μελέτη της επίδρασης ορισμένων φυσικών ιδιοτήτων των ρευστών στις διάφορες μεταπτώσεις από ένα καθεστώς ροής σε άλλο σε αγωγό διαμέτρου 2.4 cm και μήκους 12 m. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση της πυκνότητας της αέριας φάσης (με τη χρήση CO2 με ρ=1.81 kg/m3 και He με ρ=0.167 kg/m3) και της επιφανειακής τάσης (χρήση υδατικού διαλύματος κανονικής βουτανόλης, σ=35 mN/m). Πραγματοποιήθηκαν επίσης ορισμένα πειράματα με χρήση υδατικών διαλυμάτων κανονικής βουτανόλης και ισοπροπανόλης με σ~50 mN/m. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεταπτώσεις στα διάφορα υποκαθεστώτα της διαστρωματωμένης ροής, δηλ. της λείας διαστρωματωμένης ροής, της ροής με διδιάστατα κύματα (2-D) και της ροής με Σελίδα -vi- κύματα Kelvin-Helmholtz (K-H). Η ταυτοποίηση των υποκαθεστώτων της διαστρωμα- τωμένης ροής γίνεται κυρίως οπτικά και, σε ορισμένες περιπτώσεις, με στατιστική ανάλυση της χρονοσειράς του πάχους της υγρής στιβάδας. Παράλληλα, στην παρούσα εργασία έγινε προσπάθεια μοντελοποίησης της διαστρωματωμένης ροής. Σε παλαιότερη εργασία (Τζώτζη, 2007), είχαν προταθεί ημι-θεωρητικές εξισώσεις για την περιγραφή των μεταπτώσεων σε ροή με 2-D και Κ-Η κύματα, αλλά και συσχετισμοί για τον υπολογισμό του συντελεστή τριβής στη διεπιφάνεια. Στην παρούσα εργασία, με τη βοήθεια των νέων πειραματικών δεδομένων που προέκυψαν, τόσο οι ημι-θεωρητικές εξισώσεις για την περιγραφή των μεταπτώσεων, όσο και οι συσχετισμοί για τον υπολογισμό του συντελεστή τριβής στη διεπιφάνεια βελτιώθηκαν.