Методика расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе

Исследование процессов разделения газодисперсных потоков, а также совершенствование методов расчета и проектирования устройств очистки газов от жидких и твердых примесей является задачей весьма актуальной. Закрутка газового потока значительно интенсифицирует процесс отделения частиц тяжелой фазы благодаря центробежным силам. К устройствам, использующим свойства закрученного потока, относятся вихревые трубы, которые широко используются для очистки природных газов от жидких компонентов (влаги и тяжелых углеводородов).

На эксплуатационные характеристики устройств, работающих с закрученными газожидкостными потоками, влияет большое количество факторов, таких как организация закрутки потока, влияние режимных и конструктивных параметров аппарата. Экспериментальные исследования однофазных и тем более двухфазных закрученных потоков осложняется также тем, что турбулентное вихревое течение имеет сложный пространственный характер движения вследствие неравномерности распределения параметров в продольном и поперечном направлениях, а также наличия возвратно-циркуляционных зон. Течение двухфазного потока также осложняется процессами взаимодействия фаз между собой и с ограничивающими поверхностями.

Существующие методы расчета параметров работы вихревых устройств основаны на экспериментальных зависимостях, полученных для определенных конструкций аппаратов, и не позволяют описывать тенденции изменения технологических характеристик аппаратов при вариации режимных параметров. Для вихревых устройств, работающих с газожидкостными смесями, эта проблема особенно важна, поскольку наличие в потоке жидкой фазы приводит к непрерывному изменению структуры течения и значительному отклонению эксплуатационных характеристик аппаратов.

Экспериментальные подходы в изучении закрученных потоков не позволяют в полной мере выявить закономерности, управляющие процессами тепло и массообмена при вихревом турбулентном течении газожидкостного потока в связи со сложностью замера параметров потока, испытывающих высокочастотные пульсации значений. По этой причине для исследования такого рода течений применяются современные методы численного моделирования. Вычислительный эксперимент позволяет определить оптимальные соотношения конструктивных и режимных параметров устройства, а также значительно повысить интенсивность и эффективность процессов фазоразделения закрученных газожидкостных потоков в вихревых аппаратах. Использование численных исследований наряду с натурным экспериментом позволяет с достаточной точностью выявить необходимые закономерности, управляющие процессом фазоразделения, и сформировать инженерную методику расчета и проектирования вихревых устройств фазоразделения.

Диссертация посвящена разработке методики расчета и моделирования процесса фазоразделения компонентов газожидкостного потока в камере вихревой трубы с использованием методов численного и физического исследования. Методика позволяет проектировщику или исследователю, используя современные вычислительные средства, проводить анализ эффективности процесса фазоразделения в вихревой трубе в широком диапазоне варьируемых конструктивных параметров устройства и гидродинамических параметров течения газового потока.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе с использованием методов численного и физического исследования.

Для достижения поставленной цели в работе были определены следующие задачи исследования:

1. Обоснование эффективности применения вихревой технологии в процессах очистки газовых потоков от жидких примесей на основании анализа состояния и перспектив развития вихревых устройств фазоразделения.

2. Разработка алгоритма моделирования процесса низкотемпературной сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе, предназначенного для определения, возможности использования вихревого аппарата в процессах очистки газов от конденсирующихся компонентов.

3. Разработка рекомендаций по выбору параметров и режима работы вихревой трубы с сепарационным узлом, обеспечивающих максимальную эффективность процесса отделения жидких компонентов из газового потока.

4. Разработка на основании результатов численного и физического исследования методики расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе.

Методы исследований^ - классические методы изучения газодинамических течений, в том числе в устройствах, реализующих эффект 1 Ранка, теория измерений и планирования эксперимента, методы г г оптимизации, численное моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1! Получено решение математической модели двухфазного организованного высокопотенциального вихревого течения, позволяющее исследовать процесс фазоразделения газожидкостного потока в вихревых устройствах при различной концентрации частиц дисперсной фазы.

2. Разработан алгоритм моделирования процесса низкотемпературной сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе отличающийся тем, что позволяет посредством поэтапного использования одномерных и многомерных моделей течения определять потенциальные возможности вихревой технологии в процессах очистки газов от конденсирующихся примесей с учетом температурной неравномерности вихревого потока.

3. Разработана и экспериментально апробирована методика расчета и моделирования процесса массовой стратификации компонентов газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе, позволяющая на этапе расчетно-проектных работ исследовать влияние изменения технологических и эксплуатационных параметров устройства на эффективность процесса фазоразделения.

Обоснованность и достоверность результатов исследований.

Достоверность проведенных в работе теоретических исследований и расчетов подтверждена путем верификации результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях вихревой трубы с сепарационным узлом в лаборатории газодинамики, высоких давлений ФГБОУ ВПО «УГАТУ».

Практическая значимость исследований заключается в разработанной методике расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе, которая позволяет:

• на этапе проектирования — значительно снизить временные и финансовые затраты при разработке и испытаниях вихревых устройств фазоразделения путем использования численных исследований наряду с натурным экспериментомна этапе исследований — проводить анализ эффективности процесса массовой стратификации компонентов газожидкостного потока в вихревой трубе при различных конструктивных параметрах вихревого устройства и параметрах течения двухфазной смеси;

• в учебном процессе — проводить численное моделирование процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе с сепарационным узлом при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно технических конференциях, в том числе: четырех НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, УГАТУ, 2008;2011г.г.) — МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ, 2008) — МНТК «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2010) — МНТК «Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010) — ВНТК «Динамика машин и рабочих процессов» (Челябинск, ЮУрГУ, 2009) — III Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010) — ВНТК «Научно-технические проблемы современного двигателестроения» (Уфа, УГАТУ, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Содержит 156 страниц машинописного текста, 63 рисунка, библиографический список из 82 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработанная численная модель двухфазного вихревого течения позволяет исследовать пространственные особенности организованных высокопотенциальных вихревых газожидкостных потоков с размером частиц дисперсной фазы от 10 до 1000 мкм и массовой доле жидкой фазы в смеси до 10%. Модель позволяет учитывать влияние конструктивных параметров вихревого устройства и узла отбора жидкой фазы, а также параметров течения двухфазной смеси на эффективность процесса фазоразделения газожидкостного потока.

2. Поэтапное использование одномерных и многомерных моделей течения газа в разработанном алгоритме моделирования процесса низкотемпературной очистки газа позволяет проводить адекватную' оценку конденсационных возможностей вихревого устройства с 'учетом температурной неравномерности вихревого потока.

3. На основании проведенных экспериментальных исследований выявлено, что вихревая установка позволяет отделять не менее 90% жидких компонентов из газового1 потока, при массовом содержании жидкой* фазы в смеси до 10%. Натурные испытания-вихревой трубы с сепарационным узлом позволили провести верификацию • основных разделов разработанной методики и разработать рекомендации по выбору параметров и режима работы вихревой трубы, обеспечивающие максимальнуюэффективность процесса отделения жидких примесей из газового потока.

4. Разработанная методика расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока при вихревом течении позволяет проводить анализ процесса массовой стратификации компонентов газожидкостных потоков в вихревых устройствах с учетом неравномерности статических и полных значений температуры и давления. Методика обеспечивает частичную замену натурных испытаний вычислительным экспериментом в пакете вычислительной гидродинамики Ату б СРХ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основной причиной ограниченного распространения устройств, реализующих эффект Ранка-Хилша, является отсутствием надежных методов расчета и моделирования процессов, происходящих в вихревых аппаратах. Различными исследователями отмечается высокая эффективность вихревых устройств, однако их внедрение в технологические процессы происходит довольно медленно.

На эксплуатационные характеристики устройств, работающих с закрученными газодисперсными потоками, влияет большое количество факторов, таких как организация закрутки потока, влияние режимных и конструктивных параметров аппарата. Экспериментальные исследования однофазных и тем более двухфазных закрученных потоков осложняется тем, «что турбулентное вихревое течение имеет сложный пространственный характер движения вследствие неравномерности распределения параметров в.

I* продольном и поперечном направлениях, а также наличия возвратно-циркуляционных зон.

Течение двухфазного потока также осложняется процессами взаимодействия фаз между собой и с ограничивающими поверхностями. Экспериментальные подходы в изучении закрученных потоков не позволяют в полной мере выявить закономерности, управляющие процессами тепло>и массообмена при вихревом турбулентном течении газожидкостного потока в связи со сложностью замера параметров потока, испытывающих высокочастотные пульсации значений.

По этой причине для исследования такого рода течений применяются также современные методы численного исследования моделирования. Вычислительный эксперимент позволяет определить оптимальные соотношения конструктивных и режимных параметров устройства, а также значительно повысить интенсивность и эффективность процессов фазоразделения закрученных газодисперсных потоков в вихревых аппаратах.

Использование численных исследований наряду с натурным экспериментом позволяет с достаточной точностью выявить необходимые закономерности, управляющие процессом фазоразделения и сформировать инженерную методику расчета и проектирования вихревых устройств фазоразделения.

Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод о том, что подход к исследованию многофазных вихревых течений с использованием численного моделирования является обоснованным. Полученное посредством численного моделирования решение математической модели двухфазного течения в вихревой трубе позволило проводить исследования организованных высокопотенциальных газожидкостных течений в устройствах, реализующих эффект Ранка-Хилша в широком диапазоне варьируемых конструктивных параметрах аппарата и газодинамических параметрах потока.