Flusso a due fasi nei tubi: cosa, tipi, tubi diversi

Questo articolo discute del flusso a due fasi nei tubi. Le fasi rappresentano lo stato della materia. In un flusso a due fasi il flusso contiene due stati della materia principalmente gas e liquido.

In questo articolo studieremo come avviene un flusso bifase nelle tubazioni. Trasferimento di calore relativo a un flusso a due fasi. Discuteremo anche la progettazione di tubi che subiscono un flusso bifase. Iniziamo la nostra discussione con la definizione di flusso a due fasi.

Che cos'è un flusso a due fasi?

Come suggerisce il nome, un flusso a due fasi è un tipo di flusso in cui il contenuto che scorre include due stati della materia principalmente gas e liquido.

Il flusso a due fasi può verificarsi in molte forme come flussi di transizione da stati liquidi puri a stati gassosi puri, flussi separati e flussi bifase dispersi. In flussi bifase dispersi sulla fase è presente sotto forma di bolle, particelle o goccioline in forma di supporto.

Immagine crediti: Rodolfo Hellmuth, Flusso bifase, CC BY-SA 4.0

Esempi di flusso a due fasi

Nei sistemi di alimentazione su larga scala, i flussi bifase sono stati studiati rigorosamente. Di seguito sono riportati gli esempi o le applicazioni in cui il flusso bifase svolge un ruolo molto importante nel processo di progettazione.

• caldaie – L'acqua pressurizzata viene fatta passare attraverso tubi riscaldati e questa acqua si trasforma in vapore mentre passa attraverso la caldaia. La caldaia cambia la fase dell'acqua liquida. Durante la trasformazione di fase, il tubo avrà un flusso a due fasi, il che significa che le fasi gassose e liquide coesisteranno.
• reattori nucleari – Nei reattori nucleari, il flusso a due fasi viene utilizzato per rimuovere il calore dal nocciolo del reattore. Nel nocciolo del reattore, il combustibile viene bruciato. Il carburante utilizzato è generalmente U-235.
• cavitazione – Nelle pompe, quando la pressione di esercizio è quasi uguale alla pressione di vapore del liquido, qualsiasi aumento della pressione si tradurrà in ebollizione locale. Questo fenomeno di ebollizione locale è chiamato cavitazione.
• Elettrolisi– L'elettrolisi è una tecnica che utilizza la Corrente Continua (DC) per effettuare una reazione non spontanea.
• Le nuvole – Tutti abbiamo visto le nuvole nel cielo. Sono aerosol costituiti da una massa visibile di liquido, goccioline e altre particelle congelate sospese nell'atmosfera.
• Flusso delle acque sotterranee – Le acque sotterranee sono l’acqua che scorre sotto la superficie della Terra. Il flusso bifase viene utilizzato per studiare il movimento dell'aria e dell'acqua nel terreno.

Caratteristiche di un flusso bifase

L'elenco seguente ci parla delle caratteristiche di un flusso a due fasi:

• Tutti i problemi dinamici sono resi non lineari a causa della tensione superficiale.
• A temperatura e pressione standard, la differenza tra le densità differisce di 1000 per aria e acqua.
• La velocità del suono cambia durante il passaggio attraverso un cambio di fase. Entrano in gioco gli effetti comprimibili.
• I cambi di fase non sono in equilibrio e non accadono necessariamente.
• Le perdite di carico indotte dal flusso possono causare ulteriori cambiamenti di fase nel sistema.
• Flussi bifase possono dar luogo a controinstabilità intuitive del tipo a resistenza negativa.

Tipi di flusso a due fasi

I tipi di flussi a due fasi dipendono dallo stato della materia dei contenuti che partecipano al flusso. I tipi di flusso a due fasi sono riportati nell'elenco seguente-

• Flusso liquido-liquido – Nel flusso di liquido liquido, il contenuto del flusso include due diversi tipi di liquido che sono immiscibili. La soluzione è tale che un liquido galleggia su un altro liquido a causa della differenza di densità e dell'incapacità di creare o rompere legami.
• Flusso gas-liquido – Nei flussi di liquido gassoso, le goccioline di gas sono presenti sulla superficie del liquido. Queste goccioline si muovono più velocemente del liquido determinando un flusso di lumache.
• Flusso gas-solido– Il flusso di gas solido come suggerisce il nome ha particelle solide sospese in un gas. Queste particelle solide creano un'azione abrasiva. Ad esempio le impurità di grandi dimensioni presenti nell'aria sono un esempio di flusso di gas solido.
• Flusso liquido solido– Il flusso di liquido solido ha particelle solide sospese nel flusso di liquido. Le particelle solide non si mescolano con il liquido. Sono immiscibili.

Flusso bifase in tubi verticali

I flussi a due fasi nei tubi verticali si riferiscono al flusso interattivo di due fasi distinte in interfacce comuni. Ognuno di loro ha la propria massa e volume individuali.

Per calcolare la portata in tubo verticale si utilizza la formula sotto riportata:

Dove,

H è l'altezza di scarico

Q è la portata

K è il coefficiente compreso tra 0.87 e 0.97

D è il diametro del tubo

Regimi di flusso bifase in tubazioni orizzontali

I regimi di flusso nei tubi orizzontali possono variare a seconda della temperatura e calo di pressione all'interno del tubo. Nella prossima sezione discuteremo dei regimi e dei modelli di flusso trovati nel tubo orizzontale per un flusso bifase.

In due fasi scorre all'interno di un tubo orizzontale, i modelli osservati sono: flusso frizzante, flusso ondulato stratificato, flusso slug, flusso intermittente, flusso stratificato, flusso a tampone, flusso anulare e flusso di nebbia. Altri tipi di modelli possono essere osservati a seconda di intervalli di temperatura e intervalli di pressione speciali.

Flusso bifase e trasferimento di calore

Il trasferimento di calore non avviene necessariamente tra due sostanze della stessa fase. Ma il calore può essere trasferito anche tra due diversi stati della materia.

Generalmente negli scambiatori di calore, il flusso liquido-liquido viene utilizzato per trasferire il calore. Nei flussi a due fasi, la temperatura di entrambi i costituenti è diversa e si considerano la temperatura e la pressione media del flusso.

Trasferimento di calore negli scambiatori di calore

Negli scambiatori di calore, il calore viene trasferito tra due fluidi in modo tale che il fluido di lavoro si riscaldi o assorba calore dal fluido che scorre nel sistema.

Gli scambiatori di calore sono utilizzati in molte applicazioni come motori a razzo, Torri di raffreddamento, camicie d'acqua, geyser ecc. Lo scopo principale degli scambiatori di calore è riscaldare o assorbire calore dal fluido che scorre nel sistema. A volte potrebbe essere necessario riscaldare il fluido e talvolta potrebbe essere necessario raffreddare il fluido. A volte viene assorbito solo il calore latente, il che significa che la temperatura del fluido nel sistema rimane la stessa ma avviene solo la trasformazione di fase.