nghiên cứu về trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong các quá trình truyền sóng trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊNTRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC PHA TRONG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC PHA TRONG CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG MỘT SỐ HỖN

HỢP CHẤT LỎNG CHỨA BỌT

NGUYỄN THỊ THU HẰNG

THÁI NGUYÊN 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC PHA TRONG CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG MỘT SỐ HỖN

NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN THỰC HIỆN

PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Nguyễn Thị Thu Hằng

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn Ngoài tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và các kết quả có được trong luận văn

là trung thực và chưa có ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010 Người thực hiện

Nguyễn Thị Thu Hằng

2.1 Hệ phương trình thuỷ- nhiệt động lực học cho môi trường hai pha

CHƯƠNG III: MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ ẢNH

HƯỞNG CỦA ĐỘNG LỰC HỌC SÓNG LÊN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI

NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC PHA

36

3.1 Quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong một số hỗn

hợp chất lỏng chứa bọt hơi khi sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp

 Sự phụ thuộc vào thể tích pha hơi 40 3.1.1.2 Quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha trong hỗn hợp Freon-21

3.1.2 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi có sóng xung kích

lan truyền trong hỗn hợp

49

3.1.2.1 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp dầu

thô chứa bọt hơi

49

 Sự phụ thuộc vào cường độ ban đầu của sóng xung kích 49

3.1.2.2 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp

Freon-21 chứa bọt hơi

3.2 Quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong một số hỗn

hợp chất lỏng chứa bọt hơi khi có tương tác giữa các sóng xung kích trong

một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi

59

3.2.1 Quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha khi có tương tác giữa các sóng

xung kích trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi

 Sự phụ thuộc vào bán kính bọt 62

3.2.1.2 Quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha trong hỗn hợp nitơ lỏng

3.2.2 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi có tương tác giữa

các sóng xung kích trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi

69

3.2.2.1 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp dầu

thô chứa bọt hơi

70

 Sự phụ thuộc vào cường độ ban đầu của sóng xung kích 70

3.2.2.2 Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp nitơ

4.1.1 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC

PHA KHI CÓ SÓNG XUNG KÍCH LAN TRUYỀN TRONG HỖN HỢP

78

4.1.2 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC

PHA KHI CÓ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC SÓNG TRONG MỘT SỐ HỖN

HỢP LỎNG- HƠI

78

4.2 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 79

X i - Phần khối lƣợng của pha i

 - Phần thể tích của pha trong hỗn hợp

 - Hệ số sức căng bề mặt

 - Toạ độ Lagrange

1 , 2 - Hệ số điều chỉnh của hỗn hợp

1 - Hệ số nhớt động lực của chất lỏng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 3 1: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khipmax = 2

Hình 3.2: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi pmax = 2.5

Hình 3.3: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi R0 = 0.001m

Hình 3.4: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi R0=0.0012m

Hình 3.5: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi 20= 5%

Hình 3.6: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi 20= 7%

Hình 3 7: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của freon21 khi pmax = 2

Hình 3.8: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của Freon 21khi pmax = 2 5

Hình 3.9: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của Freon21 khi R0 = 0.001m

Hình 3.10: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của Freon21 khi R0 = 0.0012m

Hình 3.11: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của freon21 khi 20= 5%

Hình 3.12: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi xung

áp suất lan truyền trong hỗn hợp của Freon 21khi 20= 7%

Hình 3.13: Sự giảm nhiệt độ dọc theo ống xung kích khi xung áp suất lan truyền

trong các hỗn hợp lỏng- hơi của nước, dầu thô, Freon 21 và Nitơ lỏng ứng với các đường cong 1-4

Hình 3.14: Sự giảm nhiệt độ xung quanh bọt khi xung áp suất lan truyền trong các

hỗn hợp lỏng- hơi của nước, dầu thô, Freon 21 và Nitơ lỏng ứng với các đường

Hình 3 21: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha khi 20= 5%

Hình 3 22: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha khi 20= 7%

Hình 3 23: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha trong hỗn hợp Freon 21 khi

xung có pmax = 2

Hình 3 24: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha khi xung có pmax = 2.5

Hình 3 25: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha trong hỗn hợp freon 21 khi

R0 = 0.0012m

Hình 3 26: Sự co nén của bọt trong hỗn hợp freon 21 khi R0 = 0.0012 m

Hình 3 27: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha trong hỗn hợp freon 21 khi

R0 = 0.0015 m

Hình 3 28: Sự co nén của bọt trong hỗn hợp freon 21 khi R0 = 0.0015 m

Hình 3 29: Quá trình trao đổi khối luợng giữa các pha trong hỗn hợp freon 21 khi

Hình 3.31: Quá tương tác của hai xung áp suất trong hỗn hợp lỏng hơi của dầu thô

chứa bọt hơi vớipmax = 1.5, R0 = 0.001m, 20= 5%, L = 1m, t0 = 1ms

Hình 3.32 : Quá tương tác của hai xung áp suất trong hỗn hợp lỏng hơi của Freon

21 chứa bọt hơi vớipmax = 1.5, R0 = 0.001m, 20= 5%, L = 1m, t0 = 1ms

Hình 3.33: So sánh các profil áp suất tại thời điểm xảy ra tương tác sóng của các

hỗn hợp lỏng- hơi của các hỗn hợp nitơ lỏng, Freon 21, dầu thô và nước ứng với các đường cong từ 1-4

Hình 3.34: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng khi

Hình 3.42: Quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha từ khi sóng bắt đầu lan truyền cho

đến khi có tương tác giữa các sóng trong các hỗn hợp lỏng- hơi của nước, dầu thô, freon 21 và nitơ lỏng ứng với các đường cong 1-4

Hình 3.43: Sự giảm nhiệt độ xung quanh bọt tại vị trí tương tác giữa các sóng xung

kích trong các hỗn hợp lỏng- hơi của nước, dầu thô, Freon 21 và Nitơ lỏng ứng với các đường cong 1-4

Hình 3.44: Quá trình trao đổi khối giữa các pha khi khi có tương giác giữa sóng

ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp dầu thôpmax = 1.5, R0 = 0.001m, 20= 0.5%

Hình 3.45: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp dầu thôpmax = 2, R0 = 0.001m, 20= 0.5%

Hình 3.46: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp dầu thô khi pmax = 1.5, R0 = 0.0012m

Hình 3.47: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp dầu thô khi pmax = 1.5, R0 = 0.001m, 20= 0.7%

Hình 3.48: Quá trình trao đổi khối giữa các pha khi khi có tương giác giữa sóng

ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp Freon 21 khi pmax = 1.5, R0 = 0.001m,

20

 = 0.5%,

Hình 3.49: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp Freon 21 khi pmax = 2, R0 = 0.001m,

20

 = 0.5%

Hình 3.50: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp Freon 21 khi R0 = 0.0012 m, 20= 0.5%,

pmax = 1.5

Hình 3.51: Quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha khi khi có tương giác giữa

sóng ngắn và sóng ngắn trong hỗn hợp dầu thô khi R0 = 0.001m, 20= 0.7%,

pmax = 1.5

MỞ ĐẦU

Hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí là một môi trường hai pha rất phức tạp Môi trường này thường gặp nhiều trong các quá trình tự nhiên, trong công nghệ hoá học, vật lý và cũng được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp năng lượng như :khai thác, vận chuyển và chế biến dầu khí Tuy nhiên, chỉ từ 1950 trở lại đây, việc nghiên cứu về dòng hai pha lỏng- khí mới được tiến hành một cách có hệ thống

cả về lý thuyết và thực nghiệm Trong các hỗn hợp này thì quá trình trao đổi nhiệt- khối lượng là một trong những hiện tượng quan trọng không thể tách rời nhất là trong trường hợp tồn tại sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp và xảy ra hiện tượng tương tác pha trong hỗn hợp

Môi trường hỗn hợp hai pha có tính chất đặc biệt ở chỗ trong hỗn hợp do có

sự kết hợp các tính chất phi tuyến vật lý mạnh, sự tán sắc và hao tán năng lượng nên biểu đồ mô tả các sóng có nhiều dạng Chính vì vậy, khi thay đổi các điều kiện thuỷ động lực sẽ dẫn đến sự thay đổi cấu trúc về sóng, các tính chất vật lý nhiệt, và các quá trình tương tác giữa các pha Tính chất đặc trưng của hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí trong các quá trình động lực học là sự xuất hiện biến dạng cục bộ của hỗn hợp khi thay đổi thể tích môi trường do sự thay đổi thể tích của bọt Khả năng mức

độ co nén của bọt phụ thuộc mạnh vào sự trao đổi nhiệt và khối lượng giữa pha lỏng

và pha khí Sự xuất hiện đồng thời những năng lượng do biến dạng này sẽ dẫn tới sóng có cấu trúc khác nhau Ngoài ra sự truyền sóng áp suất trong những môi trường như vậy cũng dẫn đến khả năng hoá hơi và ngưng tụ của pha khí, từ đó dẫn đến sự thay đổi chủ yếu cấu trúc của môi trường

Do hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí có tính chất đặc biệt như trên hơn nữa đây là hỗn hợp xuất hiện rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp năng lượng, công nghệ hoá học và các quá trình tự nhiên cho nên, sự hiểu biết về các hiện tượng có thể xuất hiện khi sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt và nhất là khi xảy

ra quá trình tương tác giữa các sóng là rất cần thiết

Căn cứ vào tình hình phát triển của các nghiên cứu ở trong và ngoài nước về

các quá trình lan truyền của sóng xung kích trong hỗn hợp các chất lỏng- bọt dẫn tới quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp, mục đích của đề tài bao gồm các vấn đề sau

- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về các quá trình lan truyền của sóng trong hỗn hợp hai pha Trình bày hệ phương trình vi phân và đạo hàm riêng thuỷ nhiệt động lực học mô tả các quá trình này

- Trên cơ sở nghiên cứu, ứng dụng thuật toán và chương trình tính giải hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học của hỗn hợp hai pha, sử dụng phương pháp số sau khi kết hợp các điều kiện biên phù hợp với mô hình khảo sát, để nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha

- Sử dụng các kết quả số để nghiên cứu và phân tích quá trình trao đổi nhiệt

và khối lượng giữa các pha khi có sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các điều kiện đầu, điều kiện biên, cường độ của sóng xung kích ban đầu, thể tích của pha hơi và các tính chất vật lý nhiệt của hỗn hợp lên quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong một số quá trình lan truyền và tương tác của các sóng xung kích trong các hỗn hợp

Nội dung của luận văn được chia làm ba chương:

Chương I: Tổng quan

Trình bày tổng quan về sự phát triển và xu hướng phát triển trong lĩnh vực truyền sóng xung kích trong hỗn hợp bọt khí hoà tan, ngưng tụ Về quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp, các hiện tượng xảy ra khi sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Dựa trên cơ sở hệ phương trình nhiệt- động lực học của hỗn hợp lỏng hơi xây dựng thuật toán và chương trình tính phù hợp để nghiên cứu phân tích và đánh giá quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng gữa các pha trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi khi có sóng xung kích lan truyền và tương tác trong hỗn hợp

Chương III: Trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của động lực học sóng lên quá trình trao đổi nhiệt và quá trình trao đổi khối lượng giữa các pha

trong hỗn hợp

Từ kết quả của chương trình tính có được nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc hỗn hợp như nồng độ thể tích pha hơi, bán kính của bọt, cường độ sóng xung kích ban đầu lên các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp

So sánh các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi nhằm chỉ ra được sự ảnh hưởng của các tính chất vật lý của nó lên các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp

Bản luận văn này được thực hiện tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và hoàn thành từ ý tưởng nghiên cứu, sự tận tình hướng dẫn

và giúp đỡ về mặt khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Cao đẳng Cơ khí- Luyện kim đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

và hao tán năng lượng, nên biểu đồ mô tả các sóng có thể có nhiều dạng Chính vì vậy khi thay đổi các điều kiện thuỷ động lực, sẽ dẫn đến sự thay đổi các cấu trúc về sóng và các quá trình tuơng tác giữa các pha Do hỗn hợp có tính chất đặc biệt như trên, đồng thời hỗn hợp lại xuất hiện nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp, năng lượng, công nghệ hoá học và các quá trình tự nhiên cho nên sự hiểu biết về các hiện tượng và những hiệu ứng bất thường có thể xuất hiện khi sóng áp suất lan truyền qua chất lỏng chứa bọt hơi như quá trình tương tác pha, quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha là rất cần thiết để giải quyết một loạt các bài toán thực tế như để phân tích chế độ làm việc quá độ của các thiết bị năng lượng, phân tích tình huống hư hỏng và đảm bảo an toàn khi khai thác của các nhà máy điện nguyên tử, phân tích các hiện tượng xâm thực trong các máy tuốc bin, trong các hệ thống truyền dẫn thuỷ lực, để ứng dụng trong công nghiệp khai thác, vận chuyển và chế biến dầu khí Dẫn đến sự cấp thiết của việc nghiên cứu thuỷ động lực học về các quá trính sóng trong môi trường có bọt, các tài liệu chuyên khảo nổi tiếng được biết đến như [1], [2], [3]

Môi trường hỗn hợp của chất lỏng với bọt của khí hoà tan và ngưng tụ (hay khí không hoà tan và không ngưng tụ) thú vị ở chỗ trong chúng được cấu thành từ

ba yếu tố chính : tính phi tuyến, sự tán sắc và quá trình hao tán năng lượng Bức tranh sóng có thể có nhiều dạng và nó dễ dàng thay đổi bằng cách thay đổi các điều kiện thuỷ động lực, cấu trúc và tính chất vật lý nhiệt của hỗn hợp với các quá trình tương tác của các pha Điều đặc biệt của hỗn hợp chất lỏng chứa bọt trong các quá

trình thuỷ động lực là sự xuất hiện của năng lượng biến dạng cục bộ của hỗn hợp khi thay đổi thể tích môi trường, sự thay đổi này chủ yếu do sự thay đổi thể tích của bọt trong hỗn hợp do tính chất dễ co lại hay giãn nở của khí (hoặc hơi) trong bọt Sóng xung kích trong hỗn hợp chứa bọt khí hoà tan hay ngưng tụ, về lý thuyết

đã được nghiên cứu trong các công trình [12, 13, 15], còn bằng thực nghiệm đã được nghiên cứu bởi các công trình [10, 17, 19] Môi trường chất lỏng chứa bọt khí hoà tan, ngưng tụ (gọi tắt là môi trường lỏng - hơi) là một môi trường mà xuất hiện hiện tượng trao đổi nhiệt – khối lượng mạnh hơn nhiều so với hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí Chính vì thế nên các hiệu ứng do tính chất phi tuyến của hỗn hợp trong một số trường hợp sẽ xảy ra mạnh hơn môi trường lỏng chứa bọt khí khi có sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp Như đã phân tích, sự tăng áp suất đã thể hiện được tính chất phi tuyến mạnh của hỗn hợp, một nguyên nhân quan trọng gây

ra hiện tượng đó chính là quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp, đề cập nghiên cứu vấn đề này được thể hiện ở các công trình [5, 15] Nghiên cứu lý thuyết về sự di chuyển của bọt và về sự co lại hay giãn nở của bọt trong dòng chảy hai pha có thể xem trong [20] Một hiện tượng không thể tách rời trong môi trường lỏng - bọt khi có sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp Đó chính là hiện tượng ngưng tụ hoặc hoá hơi trong hỗn hợp Từ hiện tượng này đã dẫn tới quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp Nhận biết được tính chất đặc biệt quan trọng này, hàng loạt các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá trình truyền nhiệt và chuyển khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp đã được thực hiện Lý thuyết trình bày về sự ngưng tụ của quá trình truyền nhiệt và chuyển khối lượng trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi có thể xem trong [5, 14] Một số lượng lớn các công nghiên cứu thực nghiệm về quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng đã được thực hiện trong các hỗn hợp lỏng - hơi khác nhau Quá trình truyền nhiệt và chuyển khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp lỏng khí được hình thành do phản ứng hóa học đã được trình bày trong [21] Sự ngưng tụ dẫn tới quá trình truyền nhiệt của một số chất làm lạnh như R22, R410 khi hỗn hợp này chuyển động trong ống nhỏ, đã được nghiên cứu bằng thực nghiệm, qua đó đã xác

định được hệ số ngưng tụ - truyền nhiệt, được nghiên cứu bởi công trình [22], từ các kết quả của công trình đã chỉ ra rằng khi muốn tăng quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng cần dẫn tới tăng khối lượng của pha khí trong hỗn hợp Tính chất này cũng phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm đề cập trong các công trình [16] Môi trường lỏng - bọt còn được sử dụng trong công nghiệp năng lượng nguyên tử Phân tích các chế độ làm việc quá độ của của các thiết bị năng lượng, phân tích các tình huống hư hỏng và đảm bảo an toàn khi khai thác các nhà máy điện nguyên tử đã được đề cập đến trong công trình [6]

Nhận biết được những tính chất phi tuyến mạnh của môi trường hai pha lỏng

- bọt, mà trong đó có thể xuất hiện nhiều hiện tượng bất thường khi có sóng xung kích lan truyền qua như hiện tượng tăng áp suất hoặc giảm đột ngột của áp suất trong hỗn hợp Hơn nữa, môi trường này lại được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau Chính vì vậy, đây là một môi trường đã tập trung được rất nhiều nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm Với tổng quan tóm tắt trình bày thực trạng của vấn đề đối với mô hình thủy - nhiệt mô tả dòng chảy hai pha lỏng – bọt, có sóng xung kích lan truyền trong đó, tác giả đã cố gắng tìm hiểu và trình bày một số nghiên cứu về lý thuyết cũng như về thực nghiệm của quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp lỏng - bọt, phân tích các hiện tượng, các hiệu ứng bất thường có thể xảy ra trong hỗn hợp và một số nguyên nhân cơ bản gây ra các hiệu ứng đó Qua kết quả nghiên cứu của các công trình đã cho sự hiểu biết đúng đắn về các hiện tượng có thể xuất hiện, để giải quyết hàng loạt các bài toán thực tế như phân tích các chế độ làm việc của các trạm năng lượng, phân tích các điều kiện hư hỏng và đảm bảo an toàn khi khai thác các nhà máy điện nguyên tử, trong khai thác vận chuyển và chế biến dầu khí, trong công nghệ hoá học và các quá trình tự nhiên…

Các kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm của các công trình được trình bày trên đây đã quan tâm đến hầu hết các vấn đề, các hiện tượng có thể xuất hiện trong hỗn hợp lỏng - bọt khi tồn tại sóng xung kích truyền qua như sự tăng áp suất hay giảm áp suất trong hỗn hợp Đã tìm hiểu về hiện tượng ngưng tụ hay hoá

hơi của pha khí từ đó dẫn đến quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp, đây là một quá trình không thể tách rời trong chuyển động của hỗn hợp Đã tìm hiểu quá trình chuyển động của bọt trong hỗn hợp, đến sự tách rời hay sự kết hợp lại của bọt trong hỗn hợp vì chính bọt là nguyên nhân gây ra tính phi tuyến mạnh của môi trường Trong trường hợp phân tích và tính toán sự tăng áp suất của sóng xung kích trong các hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi khi sóng này lan truyền tới tác động vào tường cứng và bị phản xạ ngược lại (trong trường hợp có tính đến quá trình thay đổi nhiệt độ và khối lượng các pha trong hỗn hợp) Cũng như trong trường hợp tính toán đến quá trình tăng áp trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi khi dòng chảy bị đóng van đột ngột, hoặc trong trường hợp nghiên cứu quá trình tăng áp suất do sự tương tác giữa các sóng trong hỗn hợp Những vấn đề đặt ra trên đây có thể còn chưa được quan tâm hoặc quan tâm chưa đúng mức.

Chính vì vậy, khi nhận biết được vấn đề này và hiểu được tầm quan trọng của môi trường lỏng - bọt bởi nó được ứng dụng rất nhiều trong thực tế, nên bản thân tôi

đã cố gắng nghiên cứu, tìm hiểu và đã đưa ra được một số kết quả nghiên cứu về quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp Đã nghiên cứu, phân tích và tìm hiểu về sự ảnh hưởng của các tham số đặc trưng như: các điều kiện ban đầu, các điều kiện biên, các tính chất vật lý nhiệt của hỗn hợp, cường độ xung kích, phần thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, bán kính của bọt trong hỗn hợp lên

sự trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp Các vấn đề đặt ra trên đây cũng là nội dung chính sẽ được trình bày trong luận văn này

Những nghiên cứu về hiện tượng tăng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hai thành phần là khí hoà tan và không hoà tan khi sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp và bị phản xạ bởi một tường cứng, những nghiên cứu về sự tăng áp suất trong quá trình phản xạ bởi tường cứng khi sóng xung kích lan truyền trong các hỗn hợp lỏng - hơi tác động vào tường Những nghiên cứu về quá trình tăng áp suất trong hỗn hợp lỏng - hơi khi dòng chảy bị đóng van đột ngột hay là sự tăng áp suất trong hỗn hợp lỏng - hơi của quá trình tương tác giứa các sóng Các hiện tượng xảy

ra như đã trình bày, đã thể hiện được tính chất phi tuyến vật lý mạnh của hỗn hợp

lỏng – bọt, mà nguyên nhân chủ yếu là do ảnh hưởng của quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi khối lượng lên động lực học sóng của môi trường lỏng - bọt Tất cả những nghiên cứu về vấn đề này được thực hiện ở Việt Nam chưa nhiều

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC

Trong một số công trình ở trong nước ([4], [5]), tác giả đã trình bày hệ phương trình nhiệt thuỷ động lực học, giải hệ phương trình bằng phương pháp số và đưa ra một số kết quả về sự ảnh hưởng của quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng lên động lực học sóng của môi trường hai pha lỏng - khí hoặc hơi có xét đến khả năng ngưng tụ của hơi hay khí hoà tan của pha khí Trong trường hợp không đi sâu nghiên cứu về cấu trúc của sóng xung kích, tác giả đã trình bày một số kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của sóng xung kích trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt khí hoặc hơi khi sóng này tác động và bị phản xạ bởi một tường cứng

Công trình ( [9] ) trình bày quá trình lan truyền và tương tác của các sóng ngắn trong một số hỗn hợp lỏng- hơi Trong trường hợp nghiên cứu này chưa đi sâu

về nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp mà chỉ mới quan tâm đến sự lan truyền và tương tác của các sóng ngắn Còn công trình ( [11] ), đã trình bày các kết quả nghiên cứu về sự tăng áp suất của sóng xung kích khi bị phản xạ bởi tường cứng trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hai thành phần là khí hoà tan và không hoà tan Trong trường hợp nghiên cứu này đều không quan tâm tới cấu trúc của sóng xung kích mà chỉ xem sự truyền sóng xung kích như sự truyền của mặt gián đoạn trong hỗn hợp Tiếp theo những nghiên cứu trên, khi quan tâm tới các điều kiện đầu, các điều kiện biên, cấu trúc của hỗn hợp và các tham số vật lý nhiệt (quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp), Công trình ( [8] ) đã trình bày quá trình phản xạ của sóng xung kích trong hỗn hợp lỏng hơi chứa bọt hơi, khi tồn tại sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp tới tác động vào tường cứng và bị phản xạ ngược lại, đã trình bày quá trình tương tác giữa các sóng trong các hỗn hợp lỏng - hơi Sau đó, trong công trình [7], các tác giả đã trình bày quá trình tăng áp suất trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi, khi dòng chảy này bị van đóng đột ngột Đã chỉ ra quá trình tăng áp suất phụ thuộc vào nồng độ

thể tích của pha hơi trong hỗn hợp, vào vận tốc của dòng chảy và vào thời gian đóng van hoàn toàn Đặc biệt trong công trình [18], các tác giả đã quan tâm , nghiên cứu tới quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha khi có sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp và trường hợp phản xạ của sóng bởi tường cứng Đã chỉ ra được sụ ảnh hưởng của nó lên các quá trình lan truyền của sóng trong hỗn hợp hai pha

Trên đây là một số công trình của các tác giả trong nước có liên quan tới những vấn đề mà luận văn quan tâm

 Mô hình sónh xung kích lan truyền trong hỗn hợp chứa trong ống không

2.1.2 Hệ phương trình cơ sở

Hệ phương trình cơ học của hỗn hợp chất lỏng hai pha được xây dựng trên cơ

p

sở các định luật vật lý về bảo toàn khối lượng, xung lượng và năng lượng bằng lý thuyết cơ học môi trường liên tục

Khảo sát hỗn hợp 2 pha (N=2) trong đó pha phân tán gồm có các phần tử dạng bọt với pha chính là chất lỏng Newton

Ta quy ước chỉ số dưới i=1 sẽ liên quan tới thông số pha chính còn i=2 liên quan tới pha phân tán Để cho các phương trình nhận được bớt phức tạp trong việc

sử dụng phương pháp số ta giả thiết như sau:

- Pha phân tán (hay gọi là pha hơi) trong từng thể tích V tồn tại dạng bọt hình cầu, có cùng bán kính R được phân bố đều và nồng độ thể tích của pha phân tán không quá lớn 22  1

- Có thể bỏ qua năng lượng và các ảnh hưởng khác của chuyển động hỗn loạn, chuyển động quay, biến dạng của phần tử phân tán

- Có thể bỏ qua tác dụng trực tiếp và sự va đập giữa các bọt

- Độ nhớt và tính dẫn nhiệt chỉ quan trọng trong quá trình tương tác giữa các pha, không quan trọng trong sự truyền xung và năng lượng

- Vận tốc của các pha trong hỗn hợp là như nhau v1v2v

- Mật độ thực của chất lỏng là không thay đổi 0 const

hợp trong trường hợp chuyển động liên tục một chiều có dạng sau

0

1 1

nj R v

nj R v

j R R

,1

0

n R

i i

i p  

 là phần thể tích, áp suất, mật độ trung bình và mật

độ thực của pha thứ i ; , p, v là mật độ, áp suất và vận tốc trung bình của hỗn hợp

; n là số lượng bọt trong một đơn vị thể tích hỗn hợp ; j là cường độ của sự chuyển pha trong một đơn vị diện tích bề mặt giữa các pha (j > 0 tương ứng với trường hợp hoá hơi, còn j < 0 tương ứng với trường hợp ngưng tụ); g là cường độ của lực khối

ngoài ;  là hệ số sức căng bề mặt Từ đây về sau lấy đạo hàm riêng

t





khi cố định

toạ độ Lagrange có nghĩa là lấy đạo hàm toàn phần theo thời gian

Liên hệ giữa toạ độ Lagrange  và tọa độ Euler x có dạng:

,

Với giả thiết chất lỏng là không nén được, hơi nước tuân theo phương trình trạng thái pha của khí hoàn hảo và luôn tồn tại ở trạng thái bão hoà, do đó nó tuân theo phương trình Clapeyron-Clausius được biểu diễn dưới dạng:

1

0 2 0

2 2 2

2 2 0 2 2 0

dT T

B p

trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hằng số khí, l là nhiệt dung riêng của hơi nước

bão hoà

Trong hệ toạ độ Lagrange ( ,r, t), phương trình truyền nhiệt của chất lỏng

xung quanh bọt đối xứng cầu có dạng:

1 2

1 1 1 1 0

T w t

T

trong đó c1 là nhiệt dung riêng của chất lỏng, w1 là vận tốc hướng kính của chuyển

động vi mô của chất lỏng xung quanh bọt, nó được xác định từ phương trình chuyển

động vi mô của chất lỏng xung quanh bọt cùng với tính không nén được của nó:

chỉ số  là tham số trên biên giữa các pha (bề mặt bọt)

Điều kiện biên đối với phương trình (2.8) và (2.9) trong khuôn khổ mô hình

có thể được viết như sau:

R r

r

T q

q q jl T T

2 1 2

Trong trường hợp bọt khí đồng đều như nhau thì:

T1 T2(,t) , 20 20(,t) , p2  p2,t, (2.11)

Dòng nhiệt q2trong hơi nước từ biên giữa các pha có thể được biểu diễn bởi

đường cong tích phân của phương trình dòng nhiệt trong pha hơi từ 0 đến R với

tính toán tương ứng (3.2.5):

t

p l

T c R

0 2 2

trong đó cp2 là nhiệt dung riêng của hơi khi áp suất không thay đổi

áp suất pha và kích cỡ của bọt liên quan tới điều kiện tương thích biến dạng,

nên phương trình tổng quát Rayleigh-Lamb (phương trình bảo toàn xung của

chuyển động đối xứng cầu của chất lỏng xung quanh bọt) được sử dụng với điều

kiện ban đầu:

1

1 1

2 0 1 1 1 2

1 2 1

R

w t

w

0 , (0) 0, (0) 1 (0),

2 2 0 1

j w

j w

3 2

; 1

2

3

2

2 2

3 1 2 2 2 2 3 1 2

trong đó 1,2 là hệ số điều chỉnh của hỗn hợp

Hệ phương trình (2.1) – (2.13) là hệ phương trình kín, khi điều kiện biên và điều kiện đầu thích hợp, nó có thể được sử dụng để khảo sát quá trình sóng không dừng trong hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi Để thuận lợi cho việc giải hệ phương trình trên bằng phương pháp số, có thể biến đổi hệ phương trình này về dạng sau:

Từ phương trình thay đổi khối lượng của pha lỏng (2.1) khi kết hợp với

)2,1(

2 2

0 2 2 2 0 2

3

(2.15)

mà từ phương trình (2.3) có thể viết

j R t

R R

kết hợp với (2.13) tức là 0

1

1  

j w

0 2 1

0 2

j R t

j t

0 2 2 0

2 2

0 2

0 2 2

0

2 2

0 2

R

v R

0 2 1

0 2 2

0

2 2

0 2 0

1 2 0

1

3 3

1 3

j R

j v

,

0 1

2 0

1

0 2 0

2 1 0

2

2 0

2

2 0

2 0 2 0

w j R R

  và rút gọn biểu thức trên sẽ thu đƣợc:

R

w v

w t

v t

2 0 2

p p

0 0

2 0 2

2

0

11

p

0 0

0 2

w t R

w t

w R t R

w p

2 1 1 2 2 1 2 0 0

0 2

Để tiếp tục biến đổi phương trình này, có thể sử dụng các phương trình

(2.17), (2.18), (2.13) Trong đó phương trình (2.13) được kết hợp với phương trình bảo toàn xung của chuyển động đối xứng cầu của chất lỏng xung quanh bọt

Rayleigh-Lamb nên có thể viết được như sau:

1 2 0

1

1 1 1

1 2

1 2 1

1

2 2

1

4 1

2

3 1

Biểu thức đạo hàm (2.16) sau khi sử dụng biểu thức (2.17) có thể viết lại là:

1 2

2 0

1 1 1 2 1 2 0 0

0

2

2

1 2

3 1

1 3

R R

w p

2 2

2 1 0

1

1 2 1 0

1

1 1

1 2

w R

w R

w R p

p jw

j w

w R

1 1 1 1 1

1 2

2 2

0

4 1

2

3 1

3 1

1 2 0

1

1 2 1 1

0

1

1 1

3 / 2 1

w w

R p

p w

2

0

2

11

31

2

31

31

0 1 1 0

1

1 1

0 1 1

/21

124

p j

j R

j w

đơn giản biểu thức này sẽ nhận được:

1 2 1

1 2

1 2

1 1 2

2 0 2 0

0

2

2

2 4

2

3 2 2

1 1

3 1

R

p p

hay phương trình này còn có thể biểu diễn dưới dạng:

1 2

1 2

1 1 2

2 0 2

2 4

2

3 2 2

1 1

R

Phương trình (2.21) dạng elliptic mô tả sự truyền nhiễu áp suất trong hỗn

hợp với vận tốc tương ứng với vận tốc âm thanh trong hỗn hợp hai pha lỏng khí khi chất lỏng là không nén được Phương trình này cho phép xác định được trường áp suất trong khoảng thời gian nhất định theo sự thay đổi của các tham số cơ sở

Để xác định áp suất pha hơi p2 có thể sử dụng phương trình biểu diễn sự thay đổi khối lượng của từng bọt (2.3) cùng với các điều kiện (2.7), (2.10) và (2.12) Từ phương trình (2.3) có thể viết được như sau:

j R t

p p

R t

R

2

0 2 0

2 2

43

2

T B

0 2 0

2

2 2 2 2 2

2

2 2 2 2 2

p BT

p

T T B

p BT

0 2 2

2

0 2

111







l BT

thay vào biểu thức (3.2.22) thì sẽ nhận đƣợc:

t

R l

q q t

R j

t

p R l

2 2

0 1

0 2

q t

p l

T c l

R t

p R l

0 2 2

2 2

0 1

0 2 2

1 1

3 3

1 1

R l

T c l l

BT t

p

0 2

1 0

2 0

1

0 2 2

2 0

1

0 2 2

2

1

1 1

1 1

0 2 2

2 0

1

0 2 2

0 2

1 0

2 2

1

1 1

1 1

BT R

l

q t R

2 0

1

0 2 2

0 2

1

1 1

1 1 1

2 2 2 2

0 1

0 2 2

2

1 1

BT l

BT p

p

,

2 2 2 2

2 2 0

1

0 2 2

2 2

1 1

1 1

1 1

l

T c l

T c p

p v

v v

2 2 2

2 0

1

0 2 2

2 2

11

11

T c l

T c p

p p

2 2 2

2 0

1

0 2 2

2 2

11

111

T c l

T c p

p p

2 2

2 2

1 1

1 1 1

T c p

p p

2 2

T R

p t

p

R

1 0 2 1

được lấy với toạ độ vĩ mô Lagrange cố định (tức là

đối với chuyển động vĩ mô của môi trường là đạo hàm toàn phần theo thời gian t) và khi cố định tọa độ vi mô r (tức là đối với chuyển động vi mô của môi trường, đạo hàm này là đạo hàm riêng theo thời gian t) Nếu đặt

R r

r*  thì có:

r r t

*

R r

T r

R w t

2 1 0 1

1 1

2

2 1

* 2 1 0 1 1

*

1 2

2 1

*

1 2

r

T r r R r c r

T R r

R w r

T R

R r t

* 2 1 0 1 1

*

1 2

1 2

r

T r r R r c r

T r

R w R

R r t

* 2 1 0 1 1

*

1 3

3 2 1

1

r

T r r R r c r

T R

r r

R w t

2.1.3 Điều kiện đầu và điều kiện biên

Nội dung của luận văn là nghiên cứu, phân tích và đánh giá quá trình trao đổi

nhiệt và khối lượng giữa các pha trong các quá trình lan truyền và quá trình tương tác sóng trong hai mô hình trên

Mô hình 1:

Xét trường hợp lan truyền của sóng xung kích:

R p

p p p

0 2

0 p  p b t





0 : p  p

R p

p p p

0 2

);

(:

0

t p p

t p p

; 1

2 0

2 1

2 2 1 1 0

1 1

0

t t p

t t t t

t b t b p

t t t

b p

; 1

4 0

4 3

4 4 3 3 0

3 3

0

t t p

t t t t

t b t b p

t t t

b p

t

trong đó t1, t2, t3, t4 được xác định bằng độ dài của xung áp suất ban đầu; các hệ số không âm b1, b2, b3, b4 là cường độ của các xung áp suất

2.2 Phương pháp giải số

Với mục đích thuận lợi cho việc giải số hệ phương trình (2.7), (2.13), (2.17), (2.18), (2.20), (2.21), (2.24) và (2.25), để xác định quá trình phản xạ của sóng xung kích từ tường cứng, xác định quá trình tăng áp của giai đoạn tăng áp trong hỗn hợp

do van đóng bất ngờ và xác định quá trình tương tác sóng trong hỗn hợp, có thể sử dụng trong phạm vi các giá trị có thứ nguyên như sau:

0 1

0 2

* 20 0 20 0 1 20 10 0 10

0 0

0

0 0

1

a t a

w W T

T p

p

i i i

1

0 1 0 1

* 0

0

* 0 1

S a

j J

1

*

a R R

1

1

0 1 2

2 1

2 1

W W

R S P P R

1  ; 1

3

2 1

* 1 2

0

2 0

l R S

T c R

2 2 0

1

2 2 0 0

0

2

2

3412

111

31

1

2 0

*

* 2 2

*

*

1 3

* 2

r R

0 2 2

0 2

T

11

2 0 0 1

2 0 2







T B

3

2 2 3 1 2

3 2

2 2 3

1 2 2

Các tổ hợp không thứ nguyên trên đã thể hiện được ảnh hưởng của hiệu ứng

mao dẫn (S ), độ nhớt (), tính không đồng nhất của hỗn hợp (20), quan hệ mật độ (0), tính chất vật lý nhiệt của hơi ( , C 2* ), tính chất vật lý nhiệt của chất lỏng (C 1*,

e) và cường độ tải (a*, ) lên động lực học sóng của môi trường Thông thường, các đại lượng 0, , e là các hằng số, còn C 1* , C 2* ,  là các hàm số tăng chậm theo

áp suất, các đại lượng trên và các hàm số này có ảnh hưởng quan trọng tới quá trình trao đổi nhiệt - chất khi sóng xung kích lan truyền trong hỗn hợp, hay nó là những nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng lên động lực học sóng của môi trường (Các tham số vật lý nhiệt của các hỗn hợp khác nhau được trình bày trong bảng của phần phụ lục 3)

Các điều kiện đầu và điều kiện biên trong các trường hợp khảo sát sẽ được

biểu diễn như sau:

; 1

; 1

2

2 1

2 2

1 1

1 1

; 1

; 1

4

4 3

4 4

3 3

3 3

Hệ phương trình vi phân (2.31) - (2.38) với các điều kiện biên tương ứng tuỳ thuộc vào từng trường hợp khảo sát (2.39), ( 2.40) được giải số trên máy tính bằng

tổ hợp phương pháp Euler với sự tính toán đối với các phương trình vi phân bậc

nhất (2.32)- (2.36) cùng với thuật toán Thomas để xác định trường áp suất P , Tuy nhiên, đối với thuật toán Thomas thì đại lượng này có tồn tại hay không tồn tại cũng không làm thay đổi về bản chất Khi đó, trường áp suất tính toán theo toạ độ được phân chia trên cơ sở các điểm lưới Lagrange của các phần tử của môi trường

CHƯƠNG III:

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG LỰC HỌC SÓNG LÊN QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI

LƯỢNG GIỮA CÁC PHA TRONG HỖN HỢP

Trong phần này, luận văn sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về quá

trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha khi có sóng xung kích lan truyền và tương tác trong một số hỗn hợp chất lỏng chứa bọt hơi như nước, dầu thô, nitơ lỏng

và freon 21 Sự ảnh hưởng của các tham số đặc trưng như: các điều kiện đầu, các điều kiện biên, các tính chất vật lý nhiệt của hỗn hợp, cường độ xung kích ban đầu, bán kính của bọt và thể tích của pha hơi trong hỗn hợp lên các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong các hỗn hợp lỏng - hơi sẽ được đề cập tới trong luận văn này

3.1 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ KHỐI LƯỢNG GIỮA CÁC PHA KHI

CÓ SÓNG XUNG KÍCH LAN TRUYỀN TRONG HỖN HỢP

Ở phần này, luận văn đã đi sâu vào nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tham

số đặc trưng như: các điều kiện đầu, các điều kiện biên, các tính chất vật lý nhiệt của hỗn hợp, cường độ xung kích ban đầu, bán kính của bọt và thể tích của pha hơi trong hỗn hợp lên các quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong các hỗn hợp lỏng - hơi như nước, dầu thô, nitơ lỏng và Freon 21 Do khuôn khổ luận văn có hạn, mặc dù chúng tôi đã sử dụng 4 hỗn hợp trên để nghiên cứu, nhưng trong luận văn chúng tôi chỉ trình bày sự ảnh hưởng của cường độ sóng xung kích, của bán kính bọt và nồng độ thể tích pha hơi đến quá trình trao đổi nhiệt và khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp lỏng- hơi của dầu thô và Freon 21

3.1.1 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT GIỮA CÁC PHA TRONG MỘT SỐ HỖN HỢP LỎNG- HƠI

3.1.1.1 Quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha trong hỗn hợp dầu thô chứa bọt hơi

Môi trường dầu thô chứa bọt hơi được sử dụng ở nhiệt độ T= 2930K, dưới áp suất p0= 0.1Mpa Hỗn hợp được chứa trong ống khảo sát nằm ngang Trong các hình 3.1-3.8 các giá trị biểu diễn bởi các đường cong từ 1-4 thuộc các nhóm đường cong (a), (b), (c), (d) là các kết quả của nhiệt độ thu được trong pha lỏng cách tâm bọt một khoảng r*

= 1, 3, 6, 9 tương ứng ( trong đó r*= r/Ro; r là khoảng cách từ tâm bọt tới vị trí xác định nhịêt) và các nhóm đường cong này được xác định tại các vị trí cách đầu ống xung kích một khoảng tương ứng là L = 0.1; 0.2; 0.3; 0.4m

Các kết quả nghiên cứu dưới đây trình bày quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha Trên các biểu đồ minh hoạ thì trục thẳng đứng là các giá trị của nhiệt độ trong hỗn hợp còn trục nằm ngang được lấy theo thời gian t

 Sự phụ thuộc vào cường độ ban đầu của sóng xung kích

Trong các hình 3.1- 3.2 là các đường cong biểu diễn quá trình trao đổi nhiệt giữa các pha phụ thuộc vào cường độ ban đầu của sóng

Hình 3.1, 3.2 biểu diễn quá trình truyền nhiệt giữa các pha khi ta lấy cường

độ áp suất ban đầu pmax (Trong đó pmax = (pmax - p0)/p0) khác nhau nhưng có cùng đường kính R0 = 0.001m, cùng thể tích pha hơi 20= 5%, các đường cong từ 1-4 là các prôfil biểu diễn quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng Kết quả trên hình 3.1 tương ứng với pmax = 2 còn kết quả trên hình 3.2 tương ứng với pmax = 2.5 Qua các kết quả biểu diễn trên hình ta nhận thấy cường độ của xung bị giảm do quá trình trao đổi nhiệt – khối lượng giữa các pha trong hỗn hợp Như vậy khi cường độ áp suất ban đầu pmax nhận giá trị tăng dần pmax = 2; 2.5 thì có thể thấy nhiệt độ thu nhận ngay trên màng bọt cũng được tăng lên Cụ thể xét tại vị trí cách đầu ống xung kích một đoạn 0.1m ở ngay trên màng bọt T/T0 = 1.057 còn trường hợp pmax = 2.5 thì T/T0 = 1.081 Từ các kết quả nhận được có thể thấy: với điều kiện như nhau về thể tích pha khí và bán kính bọt chỉ thay đổi cường độ sóng xung kích tác động tại đầu ống thì cường độ sóng xung kích càng tăng thì bọt

co nén càng nhiều kéo theo sự trao đổi nhiệt độ tăng

2 3

4

Hình 3 1: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng

khi xung áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khipmax = 2

Hình 3.2: Quá trình truyền nhiệt xung quanh bọt từ pha hơi sang pha lỏng

khi xung áp suất lan truyền trong hỗn hợp của dầu thô khi pmax = 2.5