Закон движения воздушных пузырьков

Форма газовых скоплений в воде в свободном состоянии различна. Лишь пузырьки с диаметром сечения не более 1 мм имеют форму шара. С увеличением объема пузырьки сплющиваются, принимая эллипсоидную и грибовидную форму.

В горизонтальных и наклонных трубах пузырьки газа занимают верхнее положение. Мельчайшие пузырьки задерживаются в нишах шероховатой поверхности труб. Более крупные пузырьки (объемом 0,1 см³ и более) в зависимости от уклона труб и скорости движения воды как бы катятся вдоль «потолочной» поверхности труб в виде прерывистой ленты. С увеличением скорости движения воды до 0,6 м/с начинается дробление газовых скоплений, пузырьки в верхней части труб, отрываясь от их поверхности, двигаются по криволинейным траекториям. При скорости движения воды более 1 м/с мелкие пузырьки постепенно распространяются по всему сечению труб – возникает газоводяная эмульсия.

В вертикальных трубах пузырьки газа могут всплывать, находиться во взвешенном состоянии и, наконец, увлекаться потоком воды вниз.

Направление движения пузырьков свободного воздуха в воде зави­сит от соотношения воздействующих на них сил – подъемной архимедовой силы и силы сопротивления движению.

Рассмотрим состояние идеального воздушного пузырька – шарика диаметром d в потоке воды, движущемся сверху вниз. Подъемная сила Р, действующая на пузырек, направлена вверх, Н:

,

где V – объем пузырька, м³;

g_вод и g_возд – удельный вес, Н/м³, соответственно, воды и воздуха.

При движении со скоростью u, м/с, в потоке воды, обладающем ско­ростью w, м/с, пузырек диаметром d, м, испытывает силу сопротивления всплыванию R, Н:

,

где с_х – коэффициент сопротивления, с²/м.

При P = R скорость u = 0 и пузырек находится в потоке во взвешен­ном состоянии. Скорость w свободного потока, не ограниченного стенками трубы, при которой пузырек газа "витает" в воде, носит название скорости витания или критической скорости движения воды.

При P > R пузырек "всплывает" против течения воды и перемещает­ся в верхние части системы.

При P < R, т. е. при скорости движения потока, превышающей кри­тическую, пузырек газа уносится потоком воды и по стоякам, в которых во­да движется сверху вниз, перемещается в нижнюю часть системы отопле­ния.

Критическая скорость потока воды, связанная с обычными геомет­рическими размерами воздушных скоплений в системах водяного отопле­ния, составляет в вертикальных трубах 0,20...0,25 м/с, в наклонных и гори­зонтальных трубах 0,10...0,15 м/с. Скорость всплывания пузырьков в воде не превышает скорости витания.

Образование газов и их скоплений в вертикальных системах водяного отопления происходит следующим образом.

Газы переходят из растворенного состояния в свободное по мере уменьшения гидростатического давления: в главном стояке с горячей водой при верхней разводке, в отдельных стояках – при нижней. Свободные пу­зырьки и скопления газов движутся по течению или против него в зависи­мости от скорости потока воды и уклона труб. Газы собираются в высших точках системы, а при высокой скорости движения захватываются потоком и по мере понижения температуры и повышения гидростатического давле­ния в нижних частях системы вновь абсорбируются водой.