Водоемы, реки, моря и океаны подвержены загрязнению от попадающих в них сточных вод образующихся в результате хозяйственно-бытовой деятельности человека. Очистка сточных вод является одной из самых важных экологических проблем нашего времени. В ряде методов очистки, таких как барботаж и флотация очистка воды происходит за счет массообменных процессов [2]. На интенсивность массообмена главным образом влияет площадь контакта фаз, в первую очередь определяемая характеристиками образовывающихся пузырей [3].

Формирование газового пузыря в жидкостях зависит от различных системных параметров. В литературе эти факторы обычно делятся на: конструктивные параметры (материал, диаметр и конструкция сопла), системные параметры (поверхностное натяжение, вязкость жидкости и газа, влияние которых рассмотрены в работах Акиты и Йошиды [5] и Шэфера и др. [6]. ) и режимные параметры (расход газа, гидростатическое давление, размер емкости с жидкостью).

Образование одиночных пузырьков газа из погруженного в воду капилляра может проходить в нескольких режимах [1]: квазистатическом, динамическом, и струйном. В квазистатическом режиме расход диспергируемой фазы очень мал и не влияет на отрывающийся объем пузырька, а частота образования пузырей увеличивается с увеличением расхода. При увеличении расхода газа значительную роль играют динамические эффекты, которые, в основном, связанны с ускорением масс жидкости, присоединенных к образующемуся пузырю. В этом режиме, который называется динамическим, увеличение расхода газа ведет к росту отрывного объема пузырька. В свою очередь частота образования так же увеличивается, но достигнув определенного уровня, остается примерно постоянной. Струйный режим существует при высоких скоростях истечения (30-40 м/с).

Исследования по данной тематике, как правило, имеют ограничения по диапазону варьируемых параметров и обнаруживают разногласия в результатах, что подтверждает актуальность дальнейших экспериментальных исследований.

Выполненная работа описывает влияние ряда факторов влияющих на образование пузырьков воздуха при вдуве воздуха в покоящуюся жидкость из одиночного капилляра. Эксперимент выполнялся на опытном стенде фотографическим методом [4], принципиальная схема которого изображена на рис. 1.

Рис. 1 Принципиальная схема экспериментальной установки (1– компрессор, 2 – резиновый ресивер, 3 – газовый редуктор низкого давления, 4 – регулировочный вентиль, 5 – наклонный микроманометр, 6 – выходное отверстие капилляра, 7 – стеклянная емкость прямоугольного сечения с водой, 8 – скоростная видеокамера и фотоаппарат) 

Воздух от компрессора (1) подается в резиновый ресивер (2), для сглаживания возможных пульсаций давления, создаваемых компрессором. Из магистрали высокого давления через газовый редуктор (3) и регулировочный вентиль (4) воздух поступает в вертикальный капилляр (6), расположенный в емкости (7) прямоугольного сечения 10x10 см и высотой 50 см.

 В качестве переменных факторов были приняты: внутренний диаметр капилляра (0,26 мм, 0,34 мм, 0,41 мм, 0,51 мм, 0,6 мм, 0.69 мм, 0,84 мм.), скорость истечения воздуха (от 150 см/с до 850 см/с) и гидростатическое давление над устьем капилляра (2 см. и 7 см.)

Результатами эксперимента служат полученные зависимости влияния варьируемых факторов на характеристики крупность образующихся  пузырей. Данные представленные на рис. 2 показывают, что размер пузырьков возрастает с увеличением диаметра капилляра и скорости истечения воздуха из него.

Наглядно рост крупности с увеличением скорости истечения воздуха из затопленного капилляра с внутренним диаметром dвн = 0,84 мм. продемонстрирован на рис. 2, где несколько снимков образующихся пузырьков, сделанные при различных скоростях истечения воздуха объединены в один. Определение объема пузырьков производилось с помощью графического комплекса AutoCad, после чего высчитывался диаметр эквивалентный шара dп.

Фотографирование пузырьков в процессе их роста, когда они связаны с капилляром, показало, что их форма близка к шарообразной. После отрыва форма пузырьков меняется и на некотором расстоянии от устья она становится доскообразной.

На рис. 4 показаны данные измерения диаметра пузырька воздуха для капилляра dвн = 0,26 мм. при гидростатическом давлении равном h=2 см и h=7 см. Видно, что изменение гидростатического давления в 3,5 раза не оказывает существенного влияния на крупность образующихся пузырей. При увеличении гидростатического давления, требуется более высокое давление подводящей магистрали для получения большей скорости истечения воздуха из капилляра.

На основе выполненных измерений можно сделать вывод о том, что изменение диаметра капилляра от 0,26 мм. до 0,84 мм. вызвало увеличение крупности образующихся пузырьков в два раза. В свою очередь увеличение скорости выдуваемого воздуха от 200 см/с до 800 см/с приводит к росту крупности пузырьков воздуха в 1.25 раза. Полученные зависимости могут быть использованы при дальнейшем анализе исследуемого процесса.

Список литературы

 

 

1.        Броунштейн Б.И., Щеголев В. В. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах. – Л.: Химия, 1988. – 336 с.

2.        Ксенофонтов Б. С. Флотационная обработка воды, отходов и почвы. – М.: Новые технологии, 2010. – 272 с.

 3.        Кутателадзе С.С. Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. – М.: Энергия, 1976. – 296 с.

4.        Сухарев И.С., Экспериментальное определение размеров пузырьков газа при истечении в системе воздух/вода / Вестник волжской государственной академии водного транспорта – 2016.

5.        Akita, K. Bubble size, interfacial area, and liquid-phase mass transfer coefficient in bubble columns / K. Akita, F. Yoshida // Industrial and Engineering Chemistry Process Design and Development. – 1974. – Vol. 13. – P. 84-91.

6.        Schafer, R. Bubble size distributions in a bubble column reactor under industrial conditions / R. Schafer, C.Marten, G. Eigenberger // Experimental Thermal and Fluid Science. – 2002. – Vol. 26. – P. 595-604.