
- •1. Образование пузырей в жидкости
- •1.1. Образование пузырей при продувке жидкости
- •1.2. Образование пузырей при кипении жидкости
- •1.3. Образование неметаллических включений
- •1.4. Образование дисперсной фазы при кристаллизации металла
- •1.5. Диспергирование струи жидкости
- •1.6. Дробление капель
- •2. Основные законы переносов тепло- и массообмена на границе раздела фаз
- •2.1.Основные законы переноса тепла и массы
- •2.2. Приближенные модели массопередачи
- •3. Процессы тепломассоообмена
- •3.1. Внешняя задача тепломассообмена
- •3.2. Внутренняя задача тепломассообмена
- •3.3. Теплообмен в неподвижном плотном слое. (Задача Шумана)
- •3.4. Теплообмен при перекрестном движении газа и материала
- •3.5. Теплообмен при противоточном движении газа и материала слоя
1. Образование пузырей в жидкости
1.1. Образование пузырей при продувке жидкости
Продувка жидкой ванны газом в металлургии играет очень важную роль, причем в зависимости от конкретных условий ее осуществляют сверху, снизу и сбоку ванны, через специальные фурмы, перфорированное днище и т.д. Представим себе, что через перфорированный лист в жидкость подается газ (рис. 1). При небольших расходах газа истечение происходит в виде отдельных пузырей, образованию которых препятствуют силы поверхностного натяжения.
(1.1)
и силы гидравлического сопротивления
(1.2)
или в случае вязкой среды (закон Стокса)
,
где
r1
и r
– радиусы отверстия и пузыря; о
– коэффициент сужения шейки
;
Сх
– коэффициент гидравлического
сопротивления; с
– динамический коэффициент вязкости
сплошной среды (жидкости); с
–плотность дисперсной среды (газа); w
– относительная скорость перемещения
границы раздела фаз, которую можно
представить в виде
.
(1.3)
Скорость роста пузыря w можно связать со скоростью истечения газа через отверстие w1, используя уравнение сплошности в виде
(1.4)
Откуда
.
(1.5)
Скорость роста пузыря не является величиной постоянной и изменяется во времени по закону
,
(1.6)
причем характер представленной зависимости определяется условиями истечения.
Время формирования пузыря t1 можно определить из закона сохранения массы
или
,
(1.7)
где
rо
– радиус пузыря в момент отрыва;
– средняя скорость газа за время t1.
Время между двумя последовательными отрывами пузырей t2 может быть больше t1, тогда средняя скорость газа в отверстиях перфорированного листа
.
Эта величина связана с перепадом давления, под действием которого происходит истечение газа в жидкость, т.е.
,
(1.8)
где – коэффициент скорости.
Если t=t1, то пузыри непрерывно следуют один за другим, под перфорированным листом образуется газовая подушка. Для случая m=0 и t2=0 величина минимальной скорости газа в отверстиях, при которой имеет место непрерывное истечение пузырей:
,
(1.9)
где с – плотность сплошной среды.
Момент отрыва пузыря характеризуется равновесием сил поверхностного натяжения F, сил гидравлического сопротивления FS и архимедовой силы
,
(1.10)
где rо – радиус пузыря в момент отрыва.
При приближенном
анализе обычно пренебрегают гидравлическим
сопротивлением среды из равенства
архимедовой силы и сил поверхностного
натяжения
.
(1.11)
При истечении в вязкую среду равенство сил действующих на пузырь в момент отрыва
(1.12)
Подставляя в формулу (1.12) соотношение (1.5), записанное в виде
,
(1.13)
получим
.
(1.14)
Сопоставляя формулы (1.11) и (1.14) видно, что при увеличении вязкости жидкости отрывной радиус пузыря возрастает.
Истечение при квадратичном законе сопротивления имеет место при истечении в жидкость газовых пузырей достаточно большого размера. Аналогично формуле (12) можно записать
.
(1.15)
Используя соотношения (1.8), (1.13) и (1.15), получим
.
(1.16)
Сопоставление формул (1.11) и (1.16) показало, что при прочих равных условиях, отрывной радиус пузыря возрастает с уменьшением плотности барботирующего газа и увеличением перепада давления, под действием которого происходит истечение.