Multiphase Flows in Small Scale Pipes

265 Pages·2005·12.139 MB·English

by  Wegmann A.

Diss. ETH No. 16189
Multiphase Flows in Small Scale Pipes
A dissertation submitted to the
Swiss Federal Institute of Technology Zurich
for the degree of
Doctor of Technical Sciences
presented by
Adrian Wegmann
Dipl. Verfahrens-Ing. ETH
born on the 2th Jan. 1974
citizen of Lindau (ZH), Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof.Dr.Ph.RudolfvonRohr, examiner
Prof.Dr.J.R.Thome, co-examiner
2005
' Adrian Wegmann, 2005
A theory is something nobody believes,
except the person who made it.
An experiment is something everybody believes,
except the person who made it.
Albert Einstein, 1879-1955

I
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand w¨ahrend meiner Zeit als wis-
senschaftlicher Mitarbeiter am Institut fu¨r Verfahrenstechnik der ETH
Zu¨rich zwischen Februar 2002 und Juli 2005.
Mein gr¨osster Dank gilt meiner Ehefrau Doris! Sie hatte jederzeit ein
offenes Ohr fu¨r meine Probleme und Anliegen, und sie hat immer viel
Verst¨andnis und Geduld fu¨r alle Belange meiner Dissertation gezeigt.
Speziell in der Endphase hat sie mich stets motiviert und angespornt.
I also have to thank my brother in law Andrew Melliger from Kansas
City (KS) who kindly agreed to check my English. His help definitely
improved the quality of this work!
Ich erhielt w¨ahrend meiner Zeit als Doktorand jegliche Unterstu¨tzung
seitens des Institutes und ich bedanke mich fu¨r die finanzielle Un-
terstu¨tzung bei der Emil Barell Stiftung, Basel.
Ich bedanke mich bei meinem Doktorvater Prof. Dr. Philipp Rudolf von
Rohr fu¨r die M¨oglichkeit, in seiner Gruppe meine Dissertation zu er-
arbeiten. Bei Prof. Dr. John Richard Thome bedanke ich mich fu¨r die
U¨bernahmedesKorreferatesunddiewertvollenHinweiseundTippszur
Struktur der vorliegenden Arbeit.
Herrn Dr. Beat Ineichen m¨ochte ich danken fu¨r seine Unterstu¨tzung in
Fragen betreffend optische Verzerrungen. Er hat wesentlich zum Gelin-
gen des experimentellen Teiles der Arbeit beigetragen.
Wichtige Hilfestellung erhielt ich auch vom Werkstatt-Team des Insti-
tutes, speziell von Peter Hoffmann und Bruno Kramer. Ich konnte mich
II Vorwort
immer auf eine zuverl¨assige und schnelle Umsetzung meiner Bedu¨rfnisse
verlassen.
Den damaligen Studenten Ibrahim Uslu und Julia Melke danke ich fu¨r
ihren Einsatz, die eingebrachten Ideen und die gute Zusammenarbeit.
Allen Mitgliedern der Gruppe und speziell Severin W¨alchli, Michael
Studer, Nils Kruse und Simon Kuhn danke ich fu¨r das angenehme Ar-
beitsumfeld und die vielen fruchtbaren Gespr¨ache.
III
Summary
Thisstudypresentsresultsofmulti-phaseflowsinsmallscalepipes.Ex-
periments are carried out for water-air, paraffin-air, water-paraffin and
water-paraffin-air flows in pipes with inner diameters of 5.6 mm and
7.0 mm, respectively. Deionized water, compressed dried air and a very
low viscosity paraffin oil with a density of ρ =820 kg/m3 and a viscos-
o
ity η =5·10−3Pa·s at 20◦C are used as working fluids. The flow test
o
facility was especially designed to provide steady volume flows without
any pulsation even for very small volume flow rates. This is achieved
throughtheuseofpressurizedstoragevesselsforthethreefluidsinstead
of rotational pumps. The flow rates of the two liquids are controlled
by state-of-the-art mass flow controllers, whose measuring principle is
based on the coriolis effect. The flow rate of the gas is controlled by
three thermal mass flow controllers corresponding to different flow rate
capacities.Theexperimentsareconductedwithrespecttothedeveloping
flow patterns and the pressure drops caused by the flow. High accuracy
glass pipes are used, concerning outer diameter and wall thickness. The
flow is illuminated on the one hand by a stroboscope, brightening the
whole pipe volume and on the other hand by a laser sheet, brightening
a vertical plane that cuts through the axis of the pipe. A comprehen-
sive simulation of the light distortion caused by the different refraction
indices of the fluids and the curved pipe surfaces shows that pictures
taken directly from the pipe exhibit tremendous distortions. These are
reduced by the use of compensation boxes containing water or paraffin,
corresponding to the continuous phase inside the pipe. This reduces the
distortion to a marginal area.
IV Summary
The resulting flow pattern data are presented analogous to presenta-
tions of corresponding data in literature. The comparison of the flow
pattern maps with literature data shows that a variation in pipe diam-
eters in the range of several centimeters to several millimeters causes
an essential change in the flow pattern transitions. Especially the Bond
number which represents the ratio of gravitational forces to surface ten-
sion forces, reaches the order of O(1) if gas is present in the flow. For
Bond numbers Bo < 1, surface tension forces are dominant. This is
proven by the fact that almost no stratified flow was observed in the
7.0 mm pipe. In the 5.6 mm pipe, absolutely no stratification was ob-
served. The dominance of surface tension results in intermittent flows
beingtheflowpatternmostfrequentlyobservedinliquid-gasandliquid-
liquid-gasflows.Inliquid-liquidflows,thesameeffectofthereductionin
pipe diameter is discovered. However, intermittent flow is no longer the
dominant flow pattern as annular flow patterns occur for wide ranges
of flow conditions. Flow pattern prediction methods are tested for their
ability to predict the experimental results. No precise agreement was
found, but some models show trends corresponding to the experiments.
The experimental pressure drop shows comparable behavior to results
from other authors published in literature. The ability of theoretical
pressure drop calculation methods to predict the experimental values
hasbeentested.Forliquid-gasandliquid-liquidflows,severalapplicable
models are found. By contrast, the only model explicitly developed for
the use with liquid-liquid-gas flows, predicts values that are far too low.
V
Zusammenfassung
DievorliegendeArbeitpr¨asentiertdieResultateexperimentellerMessun-
genanMehrphasenstr¨omungeninRohrenkleinenDurchmessers.Eswer-
denMessungenanflu¨ssig-gas,flu¨ssig-flu¨ssigundflu¨ssig-flu¨ssig-gasSyste-
meninRohrenmitDurchmessernvon5.6mmund7.0mmdurchgefu¨hrt.
Als Fluide werden entionisiertes Wasser, getrocknete, ¨olfreie Pressluft
und niederviskoses Paraffin mit einer Dichte von ρ = 820 kg/m3 und
o
einer Viskosit¨at von η = 5 · 10−3Pa · s bei 20◦C verwendet. Die
o
experimentelle Anlage ist speziell auf pulsationsfreie Str¨omungen aus-
gelegt, selbst bei sehrkleinen Volumenstr¨omen. Das wirddurchdie Ver-
wendung von Druckbeh¨altern als Vorratsbeh¨alter erreicht, es mu¨ssen
keine pulsierenden Pumpen eingesetzt werden. Die Durchflussraten der
beiden Flu¨ssigkeiten werden von kontrolliert, deren Funktionsprinzip
auf der Corioliskraft beruht. Der Volumenstrom der Pressluft wird
durchdreithermischenMassendurchflussreglermitverschiedenenDurch-
flusskapazit¨aten kontrolliert. W¨ahrend der Experimente werden die ak-
tuellen Str¨omungsformen und der entsprechende Druckverlust erfasst.
Die Glasrohre zeichnen sich durch speziell enge Toleranzen der Innen-
durchmesser und Wandst¨arke aus. Die Str¨omung wird einerseits durch
ein Stroboskop und andererseits durch einen Laser-Schnitt entlang der
L¨angsachsederStr¨omungbeleuchtet.Eineausfu¨hrlicheStudiebezu¨glich
der Verzerrung, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Brechungsin-
dizes der Fluide und die gew¨olbte Oberfl¨ache der Rohre zeigt, dass
Bilder, die ohne korrigierende Massnahmen aufgenommen werden eine
wesentlicheVerzerrungaufweisen.DieseVerzerrungenwerdendurchden
Einsatz von Kompensations-boxen, die mit Wasser, beziehungsweise
VI Zusammenfassung
Paraffin gefu¨llt sind, weitgehend kompensiert. Die Bilder werden jeweils
durchdieKompensationsboxgemacht,derenFu¨llungmitderkontinuier-
lichen Phase der Str¨omung u¨bereinstimmt.
Die gemessenen Str¨omungsformen werden analog zu Resultaten aus
der Literatur aufgetragen. Der Vegleich mit Str¨omungskarten aus
der Literatur zeigt, dass die Ver¨anderung der Rohrdurchmesser aus
dem cm-Bereich in den mm-Bereich einen grossen Einfluss auf die
U¨berg¨ange zwischen den Str¨omungsformen hat. Speziell die Bond-Zahl,
welche das Verh¨altnis von Schwerkraft zu Oberfl¨achenspannungskraft
repr¨asentiert, kommt in die Gr¨ossenordnung O(1) zu liegen. Fu¨r Bond
Zahlen Bo < 1 dominieren die Oberfl¨achenspannungskr¨afte. Dies wird
dadurch best¨atigt, dass im 7.0 mm Rohr kaum noch und im 5.6 mm
Rohr gar keine Schichtenstr¨omung mehr gemessen wird. Die Dominanz
der Oberfl¨achenspannungskraft hat zur Folge, dass in flu¨ssig-gas und
flu¨ssig-flu¨ssig-gas Str¨omungen die intermittierende Str¨omung am meis-
ten beobachtet wird. In flu¨ssig-flu¨ssig Str¨omungen werden die gleichen
AuswirkungenderReduktiondesRohrdurchmessersbeobachtet.Allerd-
ings ist hier nicht l¨anger die intermittierende Str¨omung vorherrschend.
Fu¨r weite Bereiche der Str¨omung wird Ringstr¨omung beobachtet. Die
experimentell ermittelten Str¨omungskarten werden mit in der Literatur
vorhandenen Vorhersagemodellen verglichen. Es wird zwar keine abso-
lute U¨bereinstimmung festgestellt, aber einige Modelle zeigen zu den
experimentellen Daten ¨ahnliche Entwicklungen. Durch die Anpassung
der empirischen Faktoren an die herrschenden Bedingungen du¨rfte eine
bessere U¨bereinstimmung erreicht werden.
Die gemessenen Druckverlustdaten zeigen ¨ahnliche Verl¨aufe wie in der
Literatur publizierte Daten aus ¨ahnlichen Anlagen. Die Vergleichbarkeit
voninderLiteraturvorhandenenVorhersagemodellenfu¨rDruckverlust-
werte wird u¨berpru¨ft. Fu¨r flu¨ssig-gas und flu¨ssig-flu¨ssig Str¨omungen an-
wendbare Modelle zeigen eine annehmbare u¨bereinstimmung, w¨ahrend
das einzige fu¨r flu¨ssig-flu¨ssig-gas Str¨omungen entwickelte Modell bei
weitem zu tiefe Druckverlustwerte voraussagt.