Mohamad
03-25-2011, 04:27 AM
جریانهای دو فازی
مقدمه
مهمترین علامت مشخصه جریانهای دوفازیوجود مشترک بودن بین فازهای گاز و مایع می باشد. این فصل مشترک دارای اشکال مختلفیمی باشد. تقریبا امکان پیدایش یک دامنه نامحدود از فصل مشترک مختلف بین دو فاز وجوددارد اما عموما تاثیر کشش سطحی بین دو فاز منجر به پیدایش فصل های مشترک مختلفمنحنی شکل شده که نهایتا تمامی آن ها تبدیل به اشکال کروی (نظیر قطره ها و حباب ها(می شوند.
در حالت کلی با طبقه بندی انواع حالات توزیع فصل مشترک بین دو فازگاز و مایع که اصطلاحا رژیم های جریان یا الگوی جریان نامیده می شوند می توان بهتوضیح و تفسیر این نوع جریان ها پرداخت. باید توجه داشت که این رژیم های جریانمعمولا بوسیله موقعیت و شکل هندسی خط لوله و جهت جریان و خواص فیزیکی و شدت جریانهر یک از فازها و شار حرارتی وارد بر دیواره لوله تحت تاثیر قرار می گیرند.
لازمبه ذکر است که علیرغم کوشش های بسیار زیادی که برای طبقه بندی اونع رژیم های جریاندو فازی به عمل آمده است با وجود تمامی این روش های بشدت کیفی و اغلب مطابق نقطهنظرات شخصی محققین می باشند بطوریکه تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعریف گردیده ودامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند. تعاریفی کهبرای انواع رژیم های جریان در اینجا ارائه خواهند شد بصورت خیلی خلاصه بیان شدهاند.
الگوهای جریان در خطوط لوله قائم
درخطوط لوله قائم نیز الگوهایی ظاهر می شوند که تفاوت چندانی با الگوهای جریان درخطوط لوله افقی ندارند.
http://www.hamedmonsef.com/images/86-12/Flow-patern.jpg
جریان حبابی:Bubbly flow
در این نوع رژیم جریان فازمایع بصورت پیوسته و فاز گاز بصورت پراکنده(حباب های ریز) درون مایع بطرف بالاحرکت می کند. سرعت فازها در این نوع جریان بدلیل اختلاف جرم ویژه فازها متفاوت میباشد. معمولا حباب های ریز گاز با سرعت ظاهری کمتر از 2 فوت بر ثانیه از درون فازمایع عبور می کنند.
جریان لخته ای :Slug flow
در جریان حبابی با افزایشسرعت فاز گاز تعداد حباب ها افزایش یافته و از برخورد و بهم پیوستن آنها با یکدیگرچند گنبد چتری شکل گازی بوجود می آید که در قسمت هایی از لوله تمام سطح مقطع لولهرا اشغال می کنند. در عمل این نوع جریان بصورت منقطع از فازهای مایع و گاز دارایافت فشار زیاد و همچنین از نظر فرآیندی با ایجاد سروصدا های ناهنجار و آسیب دیدگیتجهیزات همراه است. در طراحی خطوط لوله جریان دو فازی سعی می شود حتی الامکان ازایجاد چنین رژیم جریانی اجتناب شود. در این حالت سرعت ظاهری فاز گاز از 2 الی30فوت بر ثانیه تغییر می کند.
جریان کف آلود:Churn flow
در جریان لخته ایبا افزایش سرعت جریان توده های گاز شکسته شده و جریان ناپایدار و انتقالی بین دوجریان لخته ای و حلقوی شکل خواهد گرفت. در خطوط لوله جریان با قطر زیاد حرکتنوسانی مایع بسمت بالا و پایین رخ می دهد در حالیکه در لوله های باریک این حرکتنوسانی بوقوع نخواهد پیوست و حرکت انتقالی بین دو نوع جریان لخته ای و حلقویبسیار گذرا خواهد بود.
جریان قطره ای:Annular flow
در این نوع الگوی جریانفاز گاز بصورت پیوسته و فاز مایع بصورت ذرات ریز به همراه آن در حرکت است. بطوریکهفاز گاز فاز مایع را بصورت قطرات ریز انتقال می دهد. در این حالت تغییرات فشار سیالتوسط فاز گاز کنترل می شود. اطلاعات تجربی نشان می دهد که به ازای سرعت ظاهری فازگاز بیش از 70 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 2 فوت بر ثانیه باشد ایننوع رژیم به جریان حلقوی تبدیل خواهد شد.
الگوی جریان در خطوط لوله افقی:
هفت نوع الگویتوزیع برای جریان های دوفازی در خطوط لوله افقی وجود دارد. بطوریکه برای هر رژیم جریان مقادیرتجربی سرعت هر فاز برای مخلوطی از گازهایی با جرم ویژه نزدیک به جرم ویژه هوا ومایعاتی با گرانروی کمتر از صد سانتی پوز داده شده است.
جریان حبابی:Bubbly flow
در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتا کم و نرخ حجمی مایع نسبتازیاد باشد جریان حبابی بصورت حباب های کوچک گاز تحت تاثیر اختلاف چگالی در قسمتفوقانی لوله ظاهر می شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب ها بتدریج افزایشمی یابد. سرعت ظاهری مایع در این نوع رژیم جریان بین 5 الی 15 فوت بر ثانیه و سرعتظاهری گاز بین 1 الی 10 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان توپی یاقالبی:
با افزایش سرعت فاز گاز در جریان حبابی تعداد حباب های فاز گازافزایش می یابد. بطوریکه از برخورد و بهم پیوستن آن ها حباب های بزرگ و توپی شکلنزدیک به جداره بالایی لوله تشکیل خواهند شد. این نوع جریان جریان توپی یا قالبینامیده می شود.
جریان لایه ای:
در این نوع الگوی توزیع فازهایمایع و گاز کاملا از هم جدا هستند و فاز گاز که عموما دارای سرعت بیشتری نسبت به فازمایع می باشد و در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون لوله حرکت می کنند. همچنین تداخل بین دو فاز بندرت صورت می گیرد و فصل مشترک بین آنها نسبتا منظم و صافمی باشد. در این حالت سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 5/0 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهریفاز گاز بین 2 الی 10 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان موجی:
در جریانلایه ای اگر سرعت پیدایش گاز مجدادا افزایش یابد. بین فاز گاز و مایع تنشی ایجادمیشود که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می شود که این امواج در امتداد جریانحرکت می کنند. سرعت ظاهری مایع در این حالت کمتر از 1 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهریگاز حدود 15 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان لخـــــته ای: slug flow
در خطوط لوله افقی و مواردی که نرخ جریان مایع زیاد باشد افزایش سرعتگاز منجر به افزایش دامنه موج های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می شود که ضمنآن موج ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته های مایع تشکیل می شود. لخته های مایع در چنین حالتی می توانند باعث لرزش های شدید و در برخی موارد ایجادخطر درون تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع آوری شوند. از ویژگی های ایننوع رژیم جریان می توان از نوسانات منظم در تغییرات فشار و مقدار مایع تجمع یافتهنام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این نوع رژیم جریان می باشد.
جریانحلقوی:Annular flow
در این نوع جریان دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل درونلوله جاری خواهند شد. این نوع جریان وقتی شکل خواهد گرفت که سرعت ظاهری گاز بیشتراز 20 فوت بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزانخوردگی سایشی و افزایش بازدهی خط انتقال پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته و تعیینضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله و حاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقالو تجهیزات انتهایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
جریان قطرهای:
با افزایش نرخ جریان فاز گاز در جریان حلقوی فاز گاز و فاز مایع رابصورت قطرات ریزی انتقال خواهد داد. احتمالا چنین جریانی وقتی شکل می گیرد که سرعتظاهری فاز گاز بیش از 20 فوت بر ثانیه باشد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتا زیادو نرخ جریان مایع نسبتا کم باشد. فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز وپراکنده تبدیل شده و اصطلاحا فضایی شبیه مه بوجود می آید. در این حالت رژیم جریانرا مه آلود می نامند. بعضی از خطوط انتقال سیستم گاز میعانی در مواقع خاصی در اینالگوی جریان قرار دارند.
مقدمه
مهمترین علامت مشخصه جریانهای دوفازیوجود مشترک بودن بین فازهای گاز و مایع می باشد. این فصل مشترک دارای اشکال مختلفیمی باشد. تقریبا امکان پیدایش یک دامنه نامحدود از فصل مشترک مختلف بین دو فاز وجوددارد اما عموما تاثیر کشش سطحی بین دو فاز منجر به پیدایش فصل های مشترک مختلفمنحنی شکل شده که نهایتا تمامی آن ها تبدیل به اشکال کروی (نظیر قطره ها و حباب ها(می شوند.
در حالت کلی با طبقه بندی انواع حالات توزیع فصل مشترک بین دو فازگاز و مایع که اصطلاحا رژیم های جریان یا الگوی جریان نامیده می شوند می توان بهتوضیح و تفسیر این نوع جریان ها پرداخت. باید توجه داشت که این رژیم های جریانمعمولا بوسیله موقعیت و شکل هندسی خط لوله و جهت جریان و خواص فیزیکی و شدت جریانهر یک از فازها و شار حرارتی وارد بر دیواره لوله تحت تاثیر قرار می گیرند.
لازمبه ذکر است که علیرغم کوشش های بسیار زیادی که برای طبقه بندی اونع رژیم های جریاندو فازی به عمل آمده است با وجود تمامی این روش های بشدت کیفی و اغلب مطابق نقطهنظرات شخصی محققین می باشند بطوریکه تاکنون رژیم های جریان مختلفی تعریف گردیده ودامنه گسترده ای از اسامی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند. تعاریفی کهبرای انواع رژیم های جریان در اینجا ارائه خواهند شد بصورت خیلی خلاصه بیان شدهاند.
الگوهای جریان در خطوط لوله قائم
درخطوط لوله قائم نیز الگوهایی ظاهر می شوند که تفاوت چندانی با الگوهای جریان درخطوط لوله افقی ندارند.
http://www.hamedmonsef.com/images/86-12/Flow-patern.jpg
جریان حبابی:Bubbly flow
در این نوع رژیم جریان فازمایع بصورت پیوسته و فاز گاز بصورت پراکنده(حباب های ریز) درون مایع بطرف بالاحرکت می کند. سرعت فازها در این نوع جریان بدلیل اختلاف جرم ویژه فازها متفاوت میباشد. معمولا حباب های ریز گاز با سرعت ظاهری کمتر از 2 فوت بر ثانیه از درون فازمایع عبور می کنند.
جریان لخته ای :Slug flow
در جریان حبابی با افزایشسرعت فاز گاز تعداد حباب ها افزایش یافته و از برخورد و بهم پیوستن آنها با یکدیگرچند گنبد چتری شکل گازی بوجود می آید که در قسمت هایی از لوله تمام سطح مقطع لولهرا اشغال می کنند. در عمل این نوع جریان بصورت منقطع از فازهای مایع و گاز دارایافت فشار زیاد و همچنین از نظر فرآیندی با ایجاد سروصدا های ناهنجار و آسیب دیدگیتجهیزات همراه است. در طراحی خطوط لوله جریان دو فازی سعی می شود حتی الامکان ازایجاد چنین رژیم جریانی اجتناب شود. در این حالت سرعت ظاهری فاز گاز از 2 الی30فوت بر ثانیه تغییر می کند.
جریان کف آلود:Churn flow
در جریان لخته ایبا افزایش سرعت جریان توده های گاز شکسته شده و جریان ناپایدار و انتقالی بین دوجریان لخته ای و حلقوی شکل خواهد گرفت. در خطوط لوله جریان با قطر زیاد حرکتنوسانی مایع بسمت بالا و پایین رخ می دهد در حالیکه در لوله های باریک این حرکتنوسانی بوقوع نخواهد پیوست و حرکت انتقالی بین دو نوع جریان لخته ای و حلقویبسیار گذرا خواهد بود.
جریان قطره ای:Annular flow
در این نوع الگوی جریانفاز گاز بصورت پیوسته و فاز مایع بصورت ذرات ریز به همراه آن در حرکت است. بطوریکهفاز گاز فاز مایع را بصورت قطرات ریز انتقال می دهد. در این حالت تغییرات فشار سیالتوسط فاز گاز کنترل می شود. اطلاعات تجربی نشان می دهد که به ازای سرعت ظاهری فازگاز بیش از 70 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 2 فوت بر ثانیه باشد ایننوع رژیم به جریان حلقوی تبدیل خواهد شد.
الگوی جریان در خطوط لوله افقی:
هفت نوع الگویتوزیع برای جریان های دوفازی در خطوط لوله افقی وجود دارد. بطوریکه برای هر رژیم جریان مقادیرتجربی سرعت هر فاز برای مخلوطی از گازهایی با جرم ویژه نزدیک به جرم ویژه هوا ومایعاتی با گرانروی کمتر از صد سانتی پوز داده شده است.
جریان حبابی:Bubbly flow
در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتا کم و نرخ حجمی مایع نسبتازیاد باشد جریان حبابی بصورت حباب های کوچک گاز تحت تاثیر اختلاف چگالی در قسمتفوقانی لوله ظاهر می شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب ها بتدریج افزایشمی یابد. سرعت ظاهری مایع در این نوع رژیم جریان بین 5 الی 15 فوت بر ثانیه و سرعتظاهری گاز بین 1 الی 10 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان توپی یاقالبی:
با افزایش سرعت فاز گاز در جریان حبابی تعداد حباب های فاز گازافزایش می یابد. بطوریکه از برخورد و بهم پیوستن آن ها حباب های بزرگ و توپی شکلنزدیک به جداره بالایی لوله تشکیل خواهند شد. این نوع جریان جریان توپی یا قالبینامیده می شود.
جریان لایه ای:
در این نوع الگوی توزیع فازهایمایع و گاز کاملا از هم جدا هستند و فاز گاز که عموما دارای سرعت بیشتری نسبت به فازمایع می باشد و در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون لوله حرکت می کنند. همچنین تداخل بین دو فاز بندرت صورت می گیرد و فصل مشترک بین آنها نسبتا منظم و صافمی باشد. در این حالت سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از 5/0 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهریفاز گاز بین 2 الی 10 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان موجی:
در جریانلایه ای اگر سرعت پیدایش گاز مجدادا افزایش یابد. بین فاز گاز و مایع تنشی ایجادمیشود که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می شود که این امواج در امتداد جریانحرکت می کنند. سرعت ظاهری مایع در این حالت کمتر از 1 فوت بر ثانیه و سرعت ظاهریگاز حدود 15 فوت بر ثانیه می باشد.
جریان لخـــــته ای: slug flow
در خطوط لوله افقی و مواردی که نرخ جریان مایع زیاد باشد افزایش سرعتگاز منجر به افزایش دامنه موج های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می شود که ضمنآن موج ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته های مایع تشکیل می شود. لخته های مایع در چنین حالتی می توانند باعث لرزش های شدید و در برخی موارد ایجادخطر درون تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع آوری شوند. از ویژگی های ایننوع رژیم جریان می توان از نوسانات منظم در تغییرات فشار و مقدار مایع تجمع یافتهنام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این نوع رژیم جریان می باشد.
جریانحلقوی:Annular flow
در این نوع جریان دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل درونلوله جاری خواهند شد. این نوع جریان وقتی شکل خواهد گرفت که سرعت ظاهری گاز بیشتراز 20 فوت بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزانخوردگی سایشی و افزایش بازدهی خط انتقال پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته و تعیینضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله و حاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقالو تجهیزات انتهایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
جریان قطرهای:
با افزایش نرخ جریان فاز گاز در جریان حلقوی فاز گاز و فاز مایع رابصورت قطرات ریزی انتقال خواهد داد. احتمالا چنین جریانی وقتی شکل می گیرد که سرعتظاهری فاز گاز بیش از 20 فوت بر ثانیه باشد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتا زیادو نرخ جریان مایع نسبتا کم باشد. فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز وپراکنده تبدیل شده و اصطلاحا فضایی شبیه مه بوجود می آید. در این حالت رژیم جریانرا مه آلود می نامند. بعضی از خطوط انتقال سیستم گاز میعانی در مواقع خاصی در اینالگوی جریان قرار دارند.