Μελέτη δυναμικής φυσαλίδων κατά την απαερίωση υγρών

Abstract

The present PhD research aims to examine and characterize the two phase flow that is generated during the degassing of a decompressing liquid stream. A pressurized, gas saturated liquid volume, passes through the constriction of a nozzle and injects to the stagnant liquid bulk of a column that is open to atmosphere. The sudden pressure drop at the exit of the nozzle triggers liquid jet supersaturation with dissolved gas and therefore initiates degassing. The resulting two phase flow is considered much more complex than that of a custom bubble column, since degassing bubbles form, grow and disperse dynamically along the flowing liquid mass. Liquid degassing participates in several industrial but also space applications (experiencing both microgravity and hypergravity accelerations). The present study aims to elaborate on the effect of the initial liquid working pressure on the growth of degassing bubbles and explain the phenomena based on the developing flow field. Changing the initial working pressure, involves the simultaneous variation of the liquid flow rate and the corresponding level of liquid supersaturation with dissolved gas. Therefore, as a further step, the liquid flow rate is experimentally separated from liquid supersaturation and the two parameters are studied independently. Finally, the present research uses the Large Diameter Centrifuge facility of the European Space Agency to investigate liquid degassing under artificial hypergravity accelerations, up to 12 g. In view of the present experimental needs, two custom devices of different scale are built to perform liquid degassing runs at earth’s gravity and hypergravity conditions. The developing flow field is characterized based on the jet residence time distributions inside the column, as indicated by conductivity tracers. High resolution image analysis provides bubbles size distributions, while the optical tracking of bubbles 2-D trajectory allows calculations of the local vertical liquid velocity. The I-VED electrical impedance spectroscopy technique measures the evolution of local volumetric desorbed gas fraction during the whole injection period. Using I-VED with a multiplexer technology permits measuring simultaneously the gas fraction at four different flow regions. The concentration of dissolved oxygen in the flow reveals the kinetics of liquid degassing. At the bottom of the column, the high speed jet enters the stagnant liquid bulk, creating turbulent flow and intense mixing conditions. Bubbles get trapped in the flow recirculation, enhancing the local volumetric gas fraction. As the flow approaches the column exit, it turns from turbulent to shear. Increasing the initial working pressure, results in the formation of smaller degassing bubbles. At pressures above 400 kPa macrobubbles appear in the flow field. Desorbed gas fraction increases linearly with the initial working pressure, except for the case of 500kPa where the fast macrobubbles restrict the local instantaneous gas fraction in the flow. Supersaturation itself, either increases the size, or the population of degassing bubbles. Higher liquid flow rates generate larger populations of smaller bubbles. Increasing bubbles buoyancy velocity under hypergravity accelerations, decreases the size of degassing bubbles and lowers their instantaneous volumetric fraction in the flow, without affecting the total degree of liquid degassing. Application of inertial shear forces and Coriolis acceleration during centrifugation, shows interesting results on both the magnitude and the direction of liquid velocity.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη και ο χαρακτηρισμός της διφασικής ροής που δημιουργείται κατά την απαερίωση ρέοντος υγρού μέσω αποσυμπίεσης. Συμπιεσμένο υγρό εμπλουτισμένο με διαλυμένο αέρα εγχέεται μέσω ακροφυσίου σε στάσιμο υγρό στήλης, το άνω άκρο της οποίας είναι ανοιχτό στην ατμόσφαιρα. Ο υπερκορεσμός του υγρού έγχυσης σε διαλυμένη αέρια φάση αποτελεί την κινούσα δύναμη της απαερίωσης. Η δημιουργία, ανάπτυξη και διασπορά των φυσαλίδων στο πεδίο ροής που δημιουργεί το ακροφύσιο, διαφοροποιεί την απαερίωση από τη διφασική ροή σε μια συμβατική στήλη φυσαλίδων. Η απαερίωση των υγρών λαμβάνει χώρα σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές αλλά και κατά τη διάρκεια των διαστημικών αποστολών, όπου επικρατούν συνθήκες μικροβαρύτητας (κατά την παραμονή των διαστημικών οχημάτων στη γήινη τροχιά) και υπερβαρύτητας (κατά την εκτόξευση στο διάστημα ή την επιστροφή στη γη). Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της πίεσης λειτουργίας στην ανάπτυξη των φυσαλίδων απαερίωσης. Η παράμετρος της πίεσης λειτουργίας εμπεριέχει την ταυτόχρονη μεταβολή της παροχής και του υπερκορεσμού του ρεύματος έγχυσης σε διαλυμένη αέρια φάση. Έτσι, σε επόμενο στάδιο της μελέτης οι δυο αυτές μεταβλητές διαχωρίζονται πειραματικά και μελετώνται ξεχωριστά. Τέλος, μελετάται η ανάπτυξη των φυσαλίδων απαερίωσης υπό την τεχνητή επιβολή υπερβαρυτικών επιταχύνσεων έως 12 g, με την Φυγόκεντρο Μεγάλης Διαμέτρου του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Για τα πειράματα απαερίωσης σε συνθήκες γήινης βαρύτητας και υπερβαρύτητας κατασκευάστηκαν δυο συσκευές απαερίωσης μεγάλης και μικρής κλίμακας αντίστοιχα. Η μελέτη του πεδίου ροής προκύπτει από τις κατανομές χρόνου παραμονής του υγρού έγχυσης στη στήλη απαερίωσης με χρήση άλατος. Η φωτογράφιση και η κινηματογράφηση της διφασικής ροής παρέχει τις κατανομές μεγέθους των φυσαλίδων καθώς και την κατακόρυφη τοπική ταχύτητας της ροής, όπως προκύπτει από την τροχιά των φυσαλίδων στο επίπεδο. Η πρωτότυπη φασματοσκοπική τεχνική ηλεκτρικής εμπέδησης I-VED μετρά τοπικά την χρονική εξέλιξη του ογκομετρικού κλάσματος της εκροφούμενης αέριας φάσης στο διφασικό μέσο. Η τεχνική I-VED με χρήση πολύπλεξης καταγράφει το στιγμιαίο κλάσμα της αέριας φάσης σε τέσσερα διαφορετικά ύψη της στήλης ταυτόχρονα. Η κινητική της απαερίωσης μελετάται με την μέτρηση του διαλυμένου οξυγόνου στη ροή. Το πεδίο ροής χαρακτηρίζεται από έντονο τυρβώδες και συνθήκες ανάμιξης στο κάτω μέρος της στήλης απαερίωσης και εμβολική ροή απουσία ανάμιξης στο άνω μέρος αυτής. Οι φυσαλίδες παγιδεύονται στην ανακυκλοφορία του πυθμένα, αυξάνοντας τοπικά το ογκομετρικό κλάσμα της αέριας φάσης. H αύξηση της πίεσης λειτουργίας μειώνει το μέσο μέγεθος των φυσαλίδων, ενώ σε πιέσεις άνω των 400 kPa δημιουργούνται μακροφυσαλίδες στη ροή. Το ογκομετρικό κλάσμα εκροφούμενου αέρα αυξάνεται γραμμικά με την πίεση λειτουργίας. Ο μικρός χρόνος παραμονής των μακροφυσαλίδων στη στήλη μειώνει τοπικά τη συγκέντρωση της αέριας φάσης. Η αύξηση της παροχής του ρεύματος έγχυσης δημιουργεί περισσότερες φυσαλίδες μικρότερου μεγέθους, ενώ η αύξηση του υπερκορεσμού του αυξάνει είτε το μέγεθος είτε τον πληθυσμό των φυσαλίδων απαερίωσης. Η αύξηση της ταχύτητας άνωσης των φυσαλίδων στην υπερβαρύτητα μετατοπίζει τις κατανομές προς μικρότερα μεγέθη φυσαλίδων μειώνοντας το κλάσμα της αέριας φάσης, χωρίς ωστόσο να περιορίζει την απαερίωση. Κατά την περιστροφή της φυγόκεντρου, οι διατμητικές τάσεις και η δύναμη Coriolis μεταβάλλουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση της ροής.