ISSN 1814-1196 http://journals. nstu. ru/vestnik
НаучныйвестникНГТУ science bulletin of theNSTU
автоматизация и управления Automation and Control
УДК 681.58
Фотофиксация и регулирование переходных параметров газожидкостного потока.*
1, И. А. сажин2, В. А. ШУМЕЙКО3
1 630073, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, доктор технических наук, профессор. Е-mail: v. *****@***nstu. ru
2 630005, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент. Е-mail: *****@***nstu. ru
3 630005, РФ, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет. Е-mail: *****@***nstu. ru
Рассматривается работа экспериментальной установки для установления параметров потока при переходе от одного режима течения к другому. Реализован вертикально восходящий двухфазный газожидкостный поток. Проведена фоторегистрация дисперсного режима течения (жидкая фаза практически отсутствует), формирования пенообразного режима течения, пробкового режима (моменты разрушения пробки), процесса формирования кольцевого режима течения. Выполнен численный анализ изменения параметров двухфазного потока при изменении режима течения. Для перехода от снарядного режима к кольцевому требуется изменение истинной скорости газовой фазы на 18% , для перехода от снарядного к пенообразному на 7%, для перехода от пенообразного к дисперсному – 67%. Полученные данные соответствуют картам режимов течения Кутателадзе-Сорокина и Бейкера. Показана возможность синтеза системы управления для реализации определенного режима течения двухфазного потока.
Ключевые слова: двухфазная среда, режимы течения, экспериментальная установка, фотофиксация, граничные параметры потока, система управления.
Введение
Задача оптимизации затрат при транспортировке газосодержащих жидкостей достаточно актуальна. В настоящее время проводятся исследования, в которых рассматриваются эмпирических методы регулирования режимов течения двухфазных сред [9-11]. Задачи оптимизации тепломассообмена и снижения потерь на трения целесообразно решать с помощью управления режимами течения двухфазных потоков. Наиболее достоверные результаты получены с помощью методик Кутателадзе-Сорокина, Бейкера [1,2,6,8,10,11].
В задачах динамики двухфазных сред, как правило, рассматриваются следующие режимы течения: дисперсный, пенообразный, снарядный (пробковый), кольцевой, раздельный. Каждый из режимов характеризуется соответствующим газосодержанием, потерей давления, скоростью потока и другими параметрами. На практике важно реализовать такие теплофизические параметры двухфазного потока, которые позволяют получить необходимый в данном конкретном случае режим течения (дисперсный, пенообразный, снарядный, пробковый, кольцевой, раздельный). Однако, переход от одного к другому режиму течения происходит при незначительных изменениях параметров потока [1-8,11]. Поэтому практически важными являются задачи обеспечения строго определенного режима течения в процессе эксплуатации систем, содержащих многофазные среды, например, недопустимо наличие снарядного, пенообразного, пробкового режимов течения в магистральных трубопроводах в силу возникающих вибрационных нагрузок и скачков давлений. Таким образом, представляется целесообразным изучение теплофизических параметров газожидкостных сред в процессах перехода от одного режима течения к другому.
В данной статье рассмотрена работа экспериментальной установки для наблюдения и измерения параметров двухфазной смеси при переходе от одного режима течения к другому. В процессе работы варьировались газосодержание и давление потока. Представлены результаты исследований зависимости варьируемых параметров и режимов течения двухфазного потока жидкость-газ, проведен анализ изменения теплофизических параметров смеси в процессах перехода от одного режима течения к другому.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследование возможности регулирования переходных процессов в восходящем газожидкостном потоке с применением фоторегистрации проведено на экспериментальной установке с замкнутым циклом движения жидкости (рис.1).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
На рис. 1:
- вертикальная стеклянная трубка диаметром 10мм (поз.4),
- дозаторы жидкой фазы (поз.1,2), установленные в нижней части стеклянной трубки,
- накопительный резервуар, из которого жидкость попадает в дозатор (поз.5),
- компрессор (поз.6) обеспечивает необходимый объемный расход газовой фазы,
- амперметр (поз.7), регулирует ток в электродвигателе компрессора,
- трубки подачи жидкости к форсункам (поз.3),
- аппаратура фото-фиксации (поз.8) для регистрации процессов перехода от одного режима течения к другому.
На первом этапе исследования выбраны рабочие интервалы величин расходов газовой фазы реализуемых компрессором, при которых можно получить основные режимы течения двухфазной среды (дисперсный, пенообразный, снарядный, пробковый, кольцевой). Проведена калибровка форсунок (поз.1,2, рис.1) в соответствии с величиной расхода газовой фазы. Выполнена настройка аппаратуры видеофиксации.
На втором этапе - проведена видеорегистрация переходных процессов течения двухфазного потока. Наиболее характерные из них, по мнению авторов, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Режимы течения.
На рис 2: A - дисперсный режим течения (жидкая фаза практически отсутствует), B – Формирование пенообразного режима течения, C - Пузырьковый режим течения, D - Пробковый режим(сняты моменты разрушения пробки), E - Снарядный режим течения, F - Кольцевой режим течения и процесс его формирования.
Зафиксированы соответствующие значения величин расходов газовой фазы.
2. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты измерений скорости потока для разных режимов течения смеси сведены в таблицу 1. В правом столбце таблицы величины давления двухфазного потока выражены относительно величины, полученной при реализации дисперсного течения. Например, для перехода от снарядного режима течения к кольцевому требуется изменение истинной скорости газовой фазы на 18% , для перехода от снарядного к пенообразному на 7%, для перехода от пенообразного к дисперсному – 67%. Зафиксированные режимы течения двухфазной среды соответствуют картам режимов течения Кутателадзе-Сорокина и Бейкера [1,2,7].
Таблица 1.
Тип течения | Изменение скорости газовой фазы в % |
Пробковый режим | 23,81 |
Пенообразный режим | 33,52 |
Снарядный режим | 40,36 |
Кольцевой режим | 58,78 |
Дисперсный режим | 100 |
Следуя работе [12], возможна реализация системы автоматического регулирования режимов течения. Существующие контроллеры способны обработать входные сигналы, соответствующие расходам жидкой и газовой фаз, выработать сигнал управления дозаторами, что позволяет обеспечить необходимый режим течения двухфазной смеси в трубопроводе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненной работы разработана экспериментальная установка для регистрации моментов переходов от одного режима течения к другому в газожидкостном потоке, определены относительные величины истинных скоростей газовой фазы, соответствующие этим переходам.
Проведено сравнение полученных данных с известными картами режимов течения двухфазных сред.
Показана принципиальная возможность реализации системы управления переходами от одного режима течения к другому для газожидкостных смесей разной природы, а также полученные результаты позволяют уточнить параметры системы автоматического регулирования [13], предназначенной для увеличения холодопроизводительности парокомпрессионной холодильной установки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , Метод регулирования процессом теплоотдачи в конденсаторе холодильной установки // Автоматика и программная инженерия, Новосибирск. – 2014.-№1(7) – С. 13 – 19.
2. Основы теории теплообмена. – 5 – е изд., доп. М. Атомиздат, 1979.- 416 с.
3. В. Маке, Г.–Ю. Эккерт, Ж–Л. Кошпен. Учебник по холодильной технике. (пер. с франц.).М. Изд. МГУ, 1998. – 1529 с
4. . Холодильная техника и кондиционирование воздуха. – М. Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 479 с.
5. , , и др.5. Теплофизические свойства фреонов. Том 1. Фреоны метанового ряда. Справочные данные. – Под ред. ; Госстандарт; ГСССД. – М.: Изд-во стандартов, 1980 – 232с., ил. .
6. , , Теплопередача. – М. Энергия, 1975. – 486с.
7. Хьюитт Дж. и Холл – ольцевые двухфазные течения. М. Энергия, 1974. – 408с.
8. , Определение режима течения потоков газожидкостной смеси в трубопроводах на установках путевого сброса воды Арланской группы месторождений Башнефть» // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» - 2012. - №2, http://www. ogbus. ru
9. , Сопряженный конвективный теплообмен в вертикальном слое жидкости // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2012, Том: 7, № 1 С. 70-79.
10. , , Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках // Новосибирск, 1987. – 272 с.
11. , , Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Часть 1. Теплопроводность наножидкостей // Теплофизика и аэромеханика. 2010. – Т. 17, N 1. – С. 1–18.
12. , , . Определение значений фазовых сдвигов по интерференционным картинам в фазосдвигающей интерферометрии. // Автоматика и программная инженерия. Новосибирск. - 2012. - № 2 (2). С. 54–70.
13. , , . Система автоматического регулирования процессом теплоотдачи холодильной установки. // Патент № 000 от 01.01.2001.
, доктор технических наук, профессор кафедры систем сбора и обработки данных Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований – оптические методы исследований материалов. Имеет более 50 публикаций. E-mail: v. *****@***nstu. ru
, кандидат технических наук, доцент каф. Технической теплофизики Новосибирского государственного технического университета. Основное направление исследований – теплофизические свойства жидкостей. Имеет более 50 публикаций. E-mail: *****@***nstu. ru
, старший преподаватель каф. Автономных информационных и управляющих систем Новосибирского государственного технического университета. Основное направление исследований – автоматизация и управление. Имеет более 20 публикаций. E-mail: *****@***nstu. ru
Registration and control of transient parameters of the gas-liquid flow *
V. I. GUZHOV1, I. a. SAZHIN2,V. a. shumeyko3
1 630073, Russia, Novosibirsk, Karl Marx Ave., 20, Novosibirsk State Technical University, Doctor of Technical Sciences, Professor. E-mail: v. *****@***nstu. ru
2 630005, the Russian Federation, Novosibirsk, Karl Marx Ave., 20, Novosibirsk State Technical University, candidate of technical sciences, associate professor. E-mail: *****@***nstu. ru
3 630005, the Russian Federation, Novosibirsk, Karl Marx Ave., 20, Novosibirsk State Technical University. E-mail: *****@***nstu. ru
The work of the experimental setup for determining flow parameters during the transition from one flow regime to another is considered. A vertically rising two-phase gas-liquid flow was realized. Photofixation of the dispersed flow regime is carried out (there is practically no liquid phase), foam-like flow regime, cork regime (moments of cork failure), formation of the ring flow regime. A numerical analysis of the change in the parameters of a two-phase flow with a change in the flow regime is performed. For the transition from the projectile mode to the annular one, the true velocity of the gas phase must be changed by 18%, for the transition from the projectile to the foam-like one by 7%, for the transition from foamed to dispersed - 67%. The obtained data correspond to the maps of the Kutateladze-Sorokin and Baker flow regimes. The possibility of synthesizing a control system for realizing a definite flow regime of a two-phase flow is shown.
Keywords: Two-phase environment, flow modes, experimental setup, photo fixation, flow boundary parameters, control system.
DOI: 10.17212/1814-1196-2016-2-70-89
REFERENCES
1. Guzhov V. I., Sazhin I. A., Sazhin A. I., Shumeyko V. A. Metod regulirovaniya protsessom teplootdachi v kondensatore kholodil'noy ustanovki // Avtomatika i programmnaya inzheneriya, Novosibirsk. – 2014.-№1(7) – S. 13 – 19.
2. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena. – 5 – ye izd., dop. M. Atomizdat, 1979.- 416 s.
3. V. Make, G.–YU. Ekkert, ZH–L. Koshpen. Uchebnik po kholodil'noy tekhnike. (per. s frants.).M. Izd. MGU, 1998. – 1529 s
4. B. K. Lengli. Kholodil'naya tekhnika i konditsionirovaniye vozdukha. – M. Legkaya i pishchevaya promyshlennost', 1981. – 479 s.
5. Altunin V. V., Geller V. Z., Petrov Ye. K. i dr. 5. Teplofizicheskiye svoystva freonov. Tom 1. Freony metanovogo ryada. Spravochnyye dannyye. – Pod red. S. A. Rivkina; Gosstandart; GSSSD. – M.: Izd-vo standartov, 1980 – 232s., il. .
6. Isachenko V. P., Osipova V. A., Sukomel A. S. Teploperedacha. – M. Energiya, 1975. – 486s.
7. KH'yuitt Dzh. i Kholl – Teylor N. Kol'tsevyye dvukhfaznyye techeniya. M. Energiya, 1974. – 408s.
8. Boris A. A., Lyagov A. V. Opredeleniye rezhima techeniya potokov gazozhidkostnoy smesi v truboprovodakh na ustanovkakh putevogo sbrosa vody Arlanskoy gruppy mestorozhdeniy OAO «ANK Bashneft'» // Elektronnyy nauchnyy zhurnal «Neftegazovoye delo» - 2012. - №2, http://www. ogbus. ru
9. Berdnikov V. S., Mitin K. A. Sopryazhennyy konvektivnyy teploobmen v vertikal'nom sloye zhidkosti // Vestnik NGU. Seriya: Fizika, 2012, Tom: 7, № 1 S. 70-79.
10. Kutateladze S. S., Volchkov E. P., Terekhov V. I. Aerodinamika i teplomassoobmen v ogranichennykh vikhrevykh potokakh // Novosibirsk, 1987. – 272 s.
11. Terekhov V. I., Kalinia S. V., Lemanov V. V Mekhanizm teploperenosa v nanozhidkostyakh: sovremennoye sostoyaniye problemy (obzor). Chast' 1. Teploprovodnost' nanozhidkostey // Teplofizika i aeromekhanika. 2010. – T. 17, N 1. – S. 1–18.
12. V. I. Guzhov, S. P. Il'inykh, R. A. Kuznetsov, D. S. Khaydukov. Opredeleniye znacheniy fazovykh sdvigov po interferentsionnym kartinam v fazosdvigayushchey interferometrii. // Avtomatika i programmnaya inzheneriya. Novosibirsk. - 2012. - № 2 (2). S. 54–70.
13. V. I.Guzhov, A. I.Sazhin, I. A.Sazhin, V. A.Shumeyko. Sistema avtomaticheskogo regulirovaniya protsessom teplootdachi kholodil'noy ustanovki. // Patent № 000 ot 07.10.2015.
ISSN 1814-1196, http://journals. nstu. ru/vestnik
science bulletin of the NSTU
Vol. 63, No 2, 2016, pp. 70–89
*
* Received 04 February 2016.
