16. Вязкость неоднородных систем. Ее изменение при изменении температуры, давления и состава смеси.

Вязкость неоднородных систем при изменении рабочих параметров системы (давления и температуры) меняется также как и вязкость сплошной фазы, на основе которой образована система. Однако при расчете вязкости системы учитывается не только состав системы, но и ее вид.

Так для парожидкостной системы её вязкость рассчитанная по формуле

(2.7)

хорошо согласуется с опытными данными при объемной доле параφ_п <0,1. В уравнении (2.7) - вязкость сплошной среды, определенная при заданных рабочих условиях.

Вязкость систем с участием твердой фазы зависит от концентрации твердой фазы, но не зависит от размера частиц. Их вязкость определяется следующим образом:

при объемной концентрации твердой фазы не более 10% используется формула Эйнштейна:

, (2.8)

При концентрации твердой фазы от 10% до 20% применяется уравнение

(2.9)

Если 0.2 , то

(2.10)

Вязкость смеси нормальных жидкостей (водные растворы холодильных жидкостей, водные растворы солей,) в соответствии с аддитивностью текучести компонентов определяется из уравнения:

(2.11)

где - динамические коэффициенты вязкости отдельных компонентов смеси.

Вязкость эмульсий находится в зависимости от содержания в ней распределенной фазы с вязкостью Если объемная концентрация распределенной фазы менее 50%, вязкость эмульсии определится из уравнения:

(2.12)

При объемной концентрации более 50%

(2.13)

Динамический коэффициент вязкости газовых смесей может быть вычислен по приближённой формуле

где М_см, М₁, М₂ - мольные массы смеси и компонентов, соответственно.

17. Парожидкостной поток. Структура горизонтального потока и его показатели (плотность, паросодержание и коэффициент скольжения).

Работа многих промышленных установок, и, в частности, холодильных, осуществляется по циклу, основанному на процессах испарения и конденсации. Так в холодильных машинах жидкий холодильный агент поглощает в испарителе тепло из окружающей среды и обращается в парообразное состояние. Сжатые пары хладагента охлаждаются и тем самым обращаются в жидкость, т.е. конденсируется. Очевидно, что работа этих установок основана на перемещении и преобразовании двухфазных потоков состоящих, в большинстве случаев, из жидкости и ее пара.

В зависимости от количественного соотношения фаз в парожидкостной системе различают несколько видов систем (см. рисунок 5).

Рисунок 2.1- Различные парожидкостные потоки, встречающиеся в быту.

Главной характерной особенностью двухфазных потоков и, в частности, парожидкостных, является то, что между двумя фазами существует граница раздела, которая отличается большим разнообразием форм. Имеется практически не ограниченный диапазон их возможных вариантов, но в общем под действием поверхностного натяжения создается искривление границы раздела, стремящейся к образованию сферических форм (т.е. капель и пузырьков).

Чем больше протяженность дисперсной фазы в сплошной среде, тем больше отклонение от сферической формы. Так меньшие капли стараются остаться сферическими, в то время как большие деформируются в газовом потоке, то же происходит и с пузырьками.

Описание двухфазных потоков можно упростить, классифицируя типы распределения фаз и называя их структурами потока или режимами течения. Следует подчеркнуть, что эта классификация двухфазных потоков, будучи весьма полезной, является всегда в значительной мере качественной и часто­-весьма субъективной. Существование той или иной структуры парожидкостного потока зависит от многих факторов, к числу которых относят: расход фаз, размер и ориентация канала в пространстве, физические характеристики фаз (коэффициент поверхностного натяжения, плотность и вязкость пара и жидкости).

В современной холодильной технике двухфазные потоки составляют неотъемлемую часть всех протекающих процессов. Для этого достаточно представить основные процессы: процесс конденсации паров холодильного агента в конденсаторе и процесс кипения жидкого холодильного агента в испарителе или воздухоохладительных приборах. По конструктивному исполнению эти устройства представляют собою горизонтальные каналы круглого сечения. При этом, как в первом, так и во втором устройстве, потоки перемещаются в неизотермичных условиях.

Рисунок 2.2- ­Структура горизонтального парожидкостного потока

При малых расходах двухфазной системы потоки жидкости и пара разделяются. Вначале пузырьки пара движутся у верхней образующей трубы. Такой случай движения двухфазного потока называется пузырьковым движением (течением).

Когда концентрация пузырьков в потоке становится высокой, происходит слияние пузырьков и постепенно их размер увеличивается. Они приобретают характерную форму ­ в виде снарядов и концентрируются в верней части канала. Такое движение называют снарядное или пробковое.

Дальнейшее увеличение доли пара или газа в потоке приводит к объединению пузырьков и в следствие этого происходит гравитационное расслоение фаз­ жидкость движется по дну, а газ ­ вблизи верхней образующей трубы. Такое течение двухфазной среды называют расслоенным.

Волновое течение системы наступает при очередном увеличении скорости движения газа (пара) и характеризуется тем, что на поверхности раздела газ ­ жидкость образуются волны. Амплитуда и длина волн зависит от скорости фаз и их физических свойств. При больших скоростях амплитуды волн достигают величины порядка диаметра трубы и поток приобретает пробковый режим движения, т.е. в потоке жидкости возникают большие включения пара (пробки), следующие друг за другом и разделенные жидкими перегородками. Паровые пробки концентрируются вдоль верхней образующей трубы.

При больших расходах газа или пара в горизонтальных трубах соблюдается кольцевое течение. При этом основная часть жидкости движется в виде пленки вдоль стенок канала или трубы, а газ занимает осевую часть трубы. Остальная часть жидкости движется в виде капель в ядре газового потока. Дополнительная сложность такого движения состоит в том, что в горизонтальных потоках пленка на дне часто на много толще, чем у ее верхней образующей, благодаря действию сил тяжести, вызывающие стекание жидкости по стенке.

При адиабатном течении жидкости с плотностью и пара с плотностью и массовыми расходами , соответственно движется по трубе длиной L, диаметром d и площадью поперечного сечения S(смотри рисунок 2.3).

Предположив, что равновесие достигнуто , и что средняя скорость жидкости постоянны по всей длине , площади поперечных сечений занятых жидкостью и газом так же становятся постоянными , то можно констатировать , что остаются постоянными и истинное объемное паросодержание , определяемое как:

(2.15)

Отношение называется фактором скольжения и подобно является зависимой переменной, на которую влияют массовые расходы, свойства фаз и геометрия канала.

При течении в канале с внешним теплопритоком Q, жидкость поступает на вход трубы с массовым расходом и затем, помере движения, постепенно испаряется под действием теплового потока Q подводимого к поверхности трубы.

В этом случае скорость пара увеличивается с ростом расстояния Z по длине трубы. Соответствующие массовые расходы жидкости и пара в сеченииI­I.в условиях термического равновесия в соответствии с тепловым балансом через относительную энтальпию :

, (2.16)

Где М= G/S­ массовая скорость.

Подстановка этих уравнений в уравнение (2.15) дает следующее соотношение для истинного объемного паросодержания: (2.17)

где x- массовое расходное паросодержание (массовая доля пара).

Если скорость движения жидкости и ее паров одинаковы, то фактор скольжения и данное уравнение обращается в уравнение (2.4). В условиях термического равновесия массовое расходное паросодержание x можно рассчитать по тепловому балансу. (2.18)

где - теплота испарения;

­энтальпия начального недогрева:

.