Seyreltik sıvı katı karışımlarının akış özellikleri

Download
1999
Özbelge, A. Tülay
Beyaz, Ayşe
Sıvı-katı akışların değişik mühendislik alanlarında ve farklı teknolojilerde çok önemli uygulamaları vardır. Hidrolik transport, çamur taşınım reaktörleri, çevrimli akışkan yataklar bazı örneklerdir. Bu çalışmanın amacı düşey eş-merkezli iki bora arasında (=annulus'da) yukarı doğru akan sıvı-katı karışımlarının akış yönündeki eksenel basınç farkları ile deney bölgesi içinde bir kesit alanında katıların radyal konsantrasyon dağılımları arasındaki ilişkiyi incelemektir. Sonuçlar, benzeri bir sistemde daha önce Özbelge ve Köker (1996) tarafından yapılmış olan ısı transfer çalışmasındaki ısı transfer mekanizmasını açıklamakta ve bu tip sistemlerin modelleme çalışmalarında kullanılabilecektir. Eş-merkezli iki boru arasındaki geometride sıvı-katı karışımlarının akış özellikleriyle ilgili deneysel veriler yeterli olmadığından çalışılan sistem, iç boru çapının ($D_i$= 0.025 m) dış boru çapma ($D_\circ$= 0.125 m) oranı k = 0.2 ve hidrolik çapı, $D_h$ = 0.1 m olan düşey iki boru arasında yukarı doğru akan feldspat-su karışımları olarak seçilmiştir. Test bölgesinde tam olarak gelişmiş bir akışı sağlamakta önemli bir parametre olan ($L_e/D_h$) değeri, test bölgesine giriş uzunluğunun hidrolik çapa oranı, basınç farkı ölçümlerinde 22.5 ve lokal katı-faz konsantrasyonu ölçümlerinde 35.5 dir. Bağımsız değişkenler parçacık boyutu, katı besleme konsantrasyonu ve iki boru arasındaki karışım hızı olmak üzere, elektronik basınç-ölçerlerle durgun basıncı da içeren toplam basınç farkını, U-tüp manometreyle akıştan dolayı oluşan sürtünmeli basınç farkım, konsantrasyon probu ile radyal yönde katı fazın konsantrasyon dağılımını ve test bölgesinden çıkışta karışımın boru duvarındaki yoğunluğunu belirleyen deneyler yapılmıştır. Bu çalışmada seçilen sistemin akış özellikleri farklı katı parçacık boyutlarında (0.064, 0.115, 0.138, 0.165 ve 0.230 mm), tankta hazırlanan seyreltik karışımların farklı giriş katı-faz konsantrasyonlarında (0.3 - 2.3 % hacim aralığında) ve 800-20000 arasında Reynolds sayılarına karşılık gelen değişik karışım hızlarında incelenmiştir. Çalışmanın sonuçlarına göre, deneylerde test bölgesindeki akıştan dolayı eksenel basınç farkları, herbir parçacık boyutu için karışım hızı sabit tutulduğunda, artan katı besleme konsantrasyonu ile artmaktadır. Sabit katı besleme konsantrasyonu ve karışım hızında, bu basınç farkları artan parçacık büyüklüğü ile artmaktadır. Test bölgesindeki karışımın ortalama yoğunluğu aynı kalmak şartıyla, bu bölgedeki akışın neden olduğu eksenel basınç farkları karışımın artan hızıyla artmaktadır. Sistemin karakteristiğine bağlı olarak, test bölgesinde çok düşük hızlarda daha küçük olan karışımın ortalama yoğunluğu belli bir hıza kadar artmakta ve daha yüksek hızlarda düşme göstermektedir. Genel olarak, test bölgesinde akıştan dolayı oluşan basınç farkları artan ortalama karışım yoğunluğu ile, parçacık boyutuna bağımlı olmaksızın, artmaktadır. Parçacık boyutunun (0.064-0.115 mm gibi) ve giriş katı konsantrasyonunun (0.3-0.6 % hacim gibi) çok küçük olduğu durumlarda, lokal katı konsantrasyonları radyal yönde fazla bir değişim göstermemektedir. Parçacık boyutunun ve giriş katı konsantrasyonunun artmasıyla, katı-faz etkisini değişik şekillerdeki konsantrasyon profilleri ile göstermektedir. Lokal katı-faz konsantrasyonları yaklaşık (r / $R_\circ$) = X = 0.5 veya 0.55 boyutsuz radyal uzaklığında minimum verdikten sonra dış duvara doğru artma trendi göstermektedir. İç duvardaki lokal katı konsantrasyonları dış duvar civarındaki değerlerden küçük olmaktadır. İç boru çapının dış boru çapma oranı k = 0.2 olan bir annulus'ta laminar akış için bu boyutsuz radyal uzaklık değeri $\lambda$=0,546 olup, kayma geriliminin sıfır olduğu ve akışkanın nokta hızının maksimum olduğu radyal uzaklığa karşılık gelmektedir (Bird ve arkadaşları, 1960). Bu değerden sapmaların deneysel hatalar ve değişik akış şartlan nedenleriyle olabileceği beklenmektedir.Deneysel verilerden iki fazlı deneylerde, akıştan dolayı iki-faz basınç farkını içeren boyutsuz Euler sayısı için karışımın Reynolds sayısı, parçacık Froude sayısı, parçacık çapının hidrolik çapa oranı ve ortalama katı taşınım yoğunluğunun giriş çamurundaki katı besleme yoğunluğuna oranı (ps/pf) cinsinden regresyon sabiti 0.903 olan aşağıdaki korelasyon elde edilmiştir. Eu =6.74*$10^8(Rem)^{-1.91} (\rho_s/\rho_f)^{1.35} (d_p/D_h)^{0.03} (Fr)^{0.19}$ Lokal katı konsantrasyonları ($C_lk$, % hacim) için de regresyon sabiti R=0.956 olan bir korelasyon elde edilmiştir: $C_lk$ = 1147.7 $(r /R_\circ)^{0.06} (Re_m)^{0.03} (dp/Dh)^{0.33} (\rho_m/\rho_f)^{-1.10}$ Burada, $\rho_m$ boru duvarından alınan numunede ölçülen karışımın duvardaki yoğunluğunu, Ut parçacıkların terminal hızını, $\mu_m$ karışımın viskozitesini, $d_p$ parçacık boyutunu, $D_h$ hidrolik çapı, $U_{ann}$ karışımın hızını, 'r' eş-merkezli iki borunun merkezinden itibaren radyal uzaklığı ve $R_\circ$ dış borunun yarıçapını ifade etmektedir. Boyutsuz değişkenlerin kapsadıkları aralıklar şöyledir: $Re_m$= $(D_hU_{ann} \rho_m / \mu_m)$, 2000-18000; Eu= $\Lambda P_{akis}/ (\rho_m U_{ann^2}), 15-15000; (\rho_s/\rho_f ), 1.5-3.3; Fr =U_t^2/(g d_p), 0.01-0.3; (d_p/D_h), 6.4* 10^{-4} - 2.3*10^{-3}$.
Citation Formats
A. T. Özbelge and A. Beyaz, “Seyreltik sıvı katı karışımlarının akış özellikleri,” 1999. Accessed: 00, 2020. [Online]. Available: https://app.trdizin.gov.tr/publication/project/detail/T0RFeE1RPT0.