Xαρακτηριστικά του πεδίου ροής σε πολυφασικά ανυψωτικά συστήματα με αέρα (airlift systems)

Abstract

The characteristics of the two-phase flow in the riser tube of airlift pumps of short length were investigated. Measurements of the water flow rate as a function of air flow rate for various operating conditions were performed. The air flow rate was varied between 1.8 and 57 m³/h, the submergence ratio between 0.2 and 0.7 and the riser tube lengths investigated were 1.2, 2.4 and 3.1 m. For the investigation of the two-phase flow structure, visual observations in conjunction with simultaneous pressure and conductivity measurements were performed. The visual observations were carried out using high speed video cameras. For the pressure and conductivity measurements high response pressure transducers and point conductivity probes were used. Both probes were placed at various positions along the riser tube. It was found that there are differences in the flow structure between the two-phase flow in the riser tube of the airlift pump and a typical upward two-phase flow in a vertical tube. There are also differences regarding the transitions between the various flow pattern regions for the two flows. These differences are mainly due to the different forces acting on the two flows. From the pressure and conductivity signals the void fraction and pressure distribution along the riser tube for various operating conditions of the airlift pump were computed, while in the slug flow region characteristic quantities like mean velocity and length of the liquid slugs were calculated. The pressure distribution and the water flow rate for various operating conditions were compared with existing models.

Ερευνήθηκαν τα χαρακτηριστικά της διφασικής ροής στον αγωγό ανύψωσης ανυψωτικών αεραντλιών (airlift pumps) μικρού μήκους. Έγιναν μετρήσεις παροχής νερού ως συνάρτηση της παροχής του αέρα για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Η παροχή του αέρα μεταβλήθηκε στην περιοχή μεταξύ 1.8 και 57 m³/h, ο λόγος βύθισης μεταξύ 0.2 και 0.7 και τα μήκη του αγωγού ανύψωσης που εξετάστηκαν ήταν 1.2, 2.4 και 3.1 m. Για τη διερεύνηση της δομής της διφασικής ροής έγιναν οπτικές παρατηρήσεις σε συνδυασμό με μετρήσεις πίεσης και αγωγιμότητας. Για τις οπτικές παρατηρήσεις χρησιμοποιήθηκαν βιντεοκάμερες υψηλής ταχύτητας. Για τις μετρήσεις πίεσης χρησιμοποιήθηκαν μεταλλάκτες πίεσης υψηλής απόκρισης, ενώ για τις μετρήσεις αγωγιμότητας χρησιμοποιήθηκαν αγωγιμομετρικοί αισθητήρες. Και τα δύο αισθητήρια τοποθετήθηκαν σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του αγωγού ανύψωσης. Από τις μετρήσεις διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν διαφορές στη δομή της ροής μεταξύ της διφασικής ροής στον αγωγό ανύψωσης της ανυψωτικής αεραντλίας και μιας τυπικής ανοδικής διφασικής ροής σε κατακόρυφο αγωγό. Επίσης υπάρχουν διαφορές μεταξύ των δύο ροών σε ότι αφορά τις μεταβάσεις μεταξύ των διαφόρων περιοχών όπου επικρατούν τα διάφορα πρότυπα διφασικής ροής. Αυτές οι διαφορές οφείλονται κύρια στις διαφορετικές δυνάμεις που ενεργούν στις δύο περιπτώσεις ροής. Από τα σήματα πίεσης και αγωγιμότητας υπολογίστηκε το κλάσμα κενού και η κατανομή της πίεσης κατά μήκος του αγωγού ανύψωσης, ενώ στην περιοχή της διαλείπουσας ροής υπολογίστηκαν χαρακτηριστικά μεγέθη όπως η μέση ταχύτητα και το μέσο μήκος των υγρών ώσεων. Η κατανομή της πίεσης κατά μήκος του αγωγού ανύψωσης καθώς και η παροχή του νερού για διάφορες συνθήκες λειτουργίας συγκρίθηκαν με υπάρχοντα μοντέλα πρόβλεψης.