На правах рукописи
ЦЕЛИЩЕВ Антон Владимирович
МЕТОДИКА РАСЧЕТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ФАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
В ПРОТИВОТОЧНОЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБЕ
Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и
гидропневмоагрегаты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре сопротивления материалов.
заслуженный деятель науки РФ,
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор ЖЕРНАКОВ Владимир Сергеевич заведующий кафедрой сопротивления материалов ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор БАЖАЙКИН Станислав Георгиевич директор центра «Нефтегазопромысловых проблем и ресурсов сбережения» ГУП «ИПТЭР», г. Уфа доктор технических наук, профессор СПИРИДОНОВ Евгений Константинович декан аэрокосмического факультета, заведующий кафедрой гидравлики и гидропневмосистем ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск ОАО «Институт технологии и организации
Ведущая организация:
производства» (ОАО «НИИТ»), г. Уфа
Защита диссертации состоится «1» марта 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»
Автореферат разослан « 24 » января 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, проф. Ф. Г. Бакиров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Очистка газовых потоков от жидких и твердых примесей является широко распространенным процессом во многих отраслях промышленности. Устройства, реализующие закрутку многофазного потока, позволяют значительно интенсифицировать процессы отделения дисперсных включений из газов. К такому типу устройств относятся вихревые трубы (ВТ), которые широко используются для компонентного разделения газожидкостных потоков, в частности, при выделении воды и углеводородов из состава природного и попутного нефтяного газов. Наряду с центробежной сепарацией дисперсной жидкой фазы, вихревые трубы позволяют проводить низкотемпературную очистку газа посредством конденсации части жидких примесей непосредственно в камере вихревого устройства.
Одной из основных причин ограниченного использования устройств, реализующих вихревой эффект, является отсутствие у разработчиков методик исследования и расчета, позволяющих описывать гидродинамические эффекты, протекающие в организованных закрученных течениях. Существующие методы расчета параметров работы вихревых устройств основаны на экспериментальных зависимостях, полученных в основном 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.
моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока при вихревом течении, позволяющей проводить анализ процесса массовой стратификации компонентов многофазного потока в вихревой трубе в широком диапазоне варьируемых конструктивных параметров вихревого устройства и газодинамических параметров 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 газодинамических течений, в том числе в устройствах, реализующих эффект Ранка, теория измерений и планирования эксперимента, методы оптимизации, численное моделирование.
Научная новизна работы заключается в следующем:
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 экспериментом;
• на 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.
Основные результаты работы, выносимые на защиту:
1. Алгоритм моделирования процесса низкотемпературной очистки газового потока в вихревой трубе, основанный на расчетной оценке параметров течения, определяющих возможность конденсации жидких примесей в камере вихревого устройства.
2. Результаты численного моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе, полученные с помощью пакета вычислительной гидродинамики Ansys CFX.
3. Методика расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе, разработанная на основании результатов численного и экспериментального исследования.
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-наДону, 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 научнопрактическая конференция «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты» (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010); ВНТК «Научнотехнические 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, 56 рисунков, библиографический список из наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность работы, сформирована цель, приведены основные задачи исследования и методы их решения, выносимые на защиту результаты работы.В первой главе рассмотрены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований многофазных течений в вихревых трубах.
Отмечается значительный вклад в развитие теории таких течений Ю. Д.
Райского, Л. Е. Тункеля, А. В. Мартынова, В. М. Бродянского, И. Л. Лейтеса, А.
П. Меркулова. Анализ их трудов показал, что исследование работы вихревых труб на газожидкостных смесях началось с применением их в установках низкотемпературной сепарации природных газов в качестве генераторов холода. Было выявлено, что наряду с получением холода и тепла, вихревые трубы позволяют отделять жидкую фазу, имеющуюся в газе непосредственно из закрученного потока.
Для работы вихревых труб на газожидкостных потоках разрабатывались разнообразные конструкции узлов отбора жидкой фазы, посредством которых отделяемые жидкие компоненты выводились из вихревой трубы с частью газа в виде третьего потока. Исследование взаимосвязи сепарационных и термодинамических характеристик вихревых труб проводилось в работах И. Л.
Лейтеса, М. А. Жидкова, А. Н. Чернова, А. Д. Суслова, А. П. Гусева, Р. М.
Исхакова, В. Hajdik, М. Lorey. В работах отмечается, что сепарационный узел, установленный в камере энергетического разделения эффективен с точки зрения отделения жидких примесей из газового потока, но с другой стороны ухудшает функцию вихревой трубы как генератора холода.
Большое количество экспериментальных работ по исследованию вихревых труб, используемых для очистки транспортируемого природного газа от влаги и тяжелых углеводородов, было проведено в ФГБОУ ВПО «УГАТУ»
совместно с ОАО «НИИТ» (г. Уфа) А. М. Русаком, Ю. М. Ахметовым, С. В.
Гуриным, А. А. Соловьевым. Эффективность отделения жидких компонентов из газового потока достигала 90% по массе.
На основе анализа опубликованных работ выявлено, что существующие методы расчета рабочих параметров вихревых труб, используемых для очистки газов от жидких примесей, подобраны в основном для конкретных конфигураций конструкций и режимов их работы. В связи с этим в настоящее время важным является проведение широкого комплекса исследований по фазоразделения газожидкостного потока в устройствах, реализующих вихревой эффект, которая может быть использована для расчета и проектирования вихревых устройств сепарации многофазных газожидкостных потоков.
Во второй главе приводится описание механизма фазоразделения газожидкостного потока при организованном вихревом течении и алгоритма моделирования процесса низкотемпературной очистки газа от жидких примесей в противоточной вихревой трубе.
Для описания процесса течения газожидкостного потока в камере вихревого устройства принимается, что течение дисперсной фазы имеет капельный характер. Ввиду того, что в данной работе не ставилась задача исследования движения частиц дисперсной фазы в камере вихревой трубы, то в математической модели не учитываются дробление, коагуляция и испарение частиц жидкой фазы. Дисперсная фаза рассматривается как сплошная среда, а общее течение – как двухфазная смесь. Уравнения для движения и теплообмена частиц дисперсной фазы записываются аналогично уравнениям для сплошной фазы, а расчет ведется параллельно для двух фаз. Для замыкания системы уравнений используется двухпараметрическая модель турбулентности k –, как одна из наиболее хорошо зарекомендовавших себя моделей для расчета течений такого рода. В соответствии с вышесказанным, была составлена математическая модель двухфазного течения в вихревой трубе, состоящая из уравнений неразрывности, импульса, энергии и модели турбулентности.
Уравнение неразрывности:
где p – массовая концентрация фазы ( p c, d, где c – газовая фаза, d – жидкая фаза); p – плотность фазы; up – средняя скорость фазы.
Уравнение импульса:
где gp – вектор силы тяжести; p – давление; p и pt – молекулярное и турбулентное напряжения; Mp – передача межфазного импульса.
Уравнение энергии:
где hp – энтальпия; Tp – температура; p – коэффициент теплопроводности;
Prt – турбулентное число Прандтля; pt – турбулентная вихревая вязкость;
Qp – межфазный теплоперенос.
Модель турбулентности:
где kc – турбулентная кинетическая энергия газовой фазы; k – турбулентное число Прандтля для уравнения кинетической энергии; с и сt – молекулярная и турбулентная вязкость газовой фазы; c – скорость диссипации турбулентной кинетической энергии; – турбулентное число Прандтля для уравнения диссипации кинетической энергии; ij – декартовы компоненты тензора напряжений; k =1, =1,3, C1=1,44, C2=1,92, C=0,09.
Решение представленной математической модели выполняется в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX и позволяет исследовать процесс фазоразделения организованных закрученных газожидкостных потоков в вихревых устройствах с учетом неравномерности полей температуры и давления вихревого течения. Результаты численного моделирования представлены ниже.
В рамках данного исследования был разработан алгоритм моделирования процесса конденсации жидких компонентов в вихревой трубе, позволяющий использовании ее в качестве низкотемпературного сепаратора жидкой фазы. В вихревой трубе имеются две зоны охлаждения потока и, соответственно, две зоны возможного появления сконденсированной жидкой фазы. Первая зона находится в закручивающем устройстве вихревой трубы, в котором происходит высокоскоростного вихря. Вторая – в приосевых слоях вихревого потока, то есть во внутреннем низкоскоростном структура течения газового потока в вихревой трубе.
Существующие методы исследования процесса низкотемпературной сепарации газа в вихревых трубах основаны на расчете течения в одномерной постановке и не учитывают температурной неравномерности потока в камере вихревого устройства. Представленный в работе алгоритм расчета, предусматривает поэтапное использование одномерных и многомерных моделей течения газа и предназначен для определения конденсационных возможностей вихревой трубы с учетом температурной стратификации газового потока. Разработанный алгоритм предусматривает расчетную оценку параметров газового потока, определяющих возможность конденсации жидких примесей в низкотемпературных зонах вихревой трубы. В первой зоне оценка проводится посредством расчета температуры газового потока на выходе из соплового ввода, при достижении которой происходит конденсация жидкой фазы, на основании чего определяется режим истечения газа из сопла.
Верификация полученных расчетом данных, а также оценка параметров, определяющих возможность конденсации жидкой фазы во второй зоне охлаждения газа, проводится путем моделирования процесса течения газожидкостного потока в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX.
Предложенный алгоритм позволяет путем использования современных вычислительных средств определять конденсационные возможности вихревой трубы, то есть наряду с центробежной сепарацией дисперсной влаги, обеспечивать возможность низкотемпературной очистки газа вследствие снижения температуры газа в камере вихревого устройства.
фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе. С использованием пакета твердотельного моделирования Solid Works разработана трехмерная модель проточной части вихревой трубы с сепарационным узлом (рисунок 2).
вихревая труба, геометрические параметры которой соответствовали установке, на которой проводились экспериментальные исследования. Вихревое устройство имело следующие конструктивные параметры:
диаметр камеры энергетического разделения – 42 мм; диаметр диафрагмы – мм; угол раскрытия диффузора – 60°; длина камеры энергоразделения – 300 мм.
гидродинамики Ansys CFX. Задача решалась в стационарной постановке, течение рассматривалось как двухфазное, эффекты турбулентности вводились с помощью двухпараметрической модели турбулентности k-. Задавались следующие граничные и начальные условия: на твердых поверхностях задавалось условие гладкой адиабатической стенки, скорость и градиент температуры на стенке равнялись нулю; на входной поверхности задавались общий массовый расход и температура потока; двухфазный поток (сплошная и дисперсная фаза) задавался объемными долями от общего массового расхода;
равномерным; на выходных поверхностях ставилось условие по давлению.
Результаты численного моделирования подтверждают механизм массовой стратификации компонентов газожидкостного потока в вихревой трубе, при котором под действием центробежных сил жидкие компоненты перемещаются к стенке камеры и частично газокапельный слой. В результате осаждения частиц дисперсной фазы на стенку происходит образование пристеночного течения жидкой фазы на внутренней поверхности закручивающего устройства, которое продолжает движение в камере энергетического разделения вихревой трубы в направлении дроссельного вентиля.
На рисунке 3 представлена зависимость закручивающем устройстве вихревой трубы. В плотность потока составляет более 990 кг/м, жидкой фазы Hliquid от угла соответствует сплошному течению жидкой фазы. поворота закручивающего моделирования, была определена зависимость толщины пристеночного слоя жидкой фазы от угла поворота закручивающего устройства при различной доле жидкой фазы в газовом потоке md (рисунок 4). Исходя из приведенной зависимости, можно сделать вывод о том, что при превышении толщины слоя жидкой фазы высоты уступа, образованного улиткой и камерой энергетического разделения, происходит переход части пристеночного слоя в камеру энергетического разделения.
Выявлено, что исследуемая конструкция сепарационного узла позволяет полностью вихревой трубы слой жидкости при массовом содержании жидкой фазы в газовом потоке до 10%. Также подтверждено, что данный вариант отбора позволяет отделить максимальное количество жидких примесей из газового потока, не допуская их испарения вследствие нагрева от газа горячего потока. С другой стороны, расположение сепарационного узла в камере вихревой трубы на некотором удалении от среза соплового ввода минимизирует его влияние на эффект энергоразделения, что, в свою очередь, обеспечивает возможность конденсации части жидких примесей во внутреннем низкоскоростном вихре.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе.
Приводится описание методики расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе.
Экспериментальные исследования направлены на определение влияния конструктивных параметров вихревой установки и сепарационного узла, а также параметров течения двухфазной смеси на процесс фазоразделения газожидкостного потока. В результате исследований определено рациональное соотношение этих параметров для достижения максимальной эффективности отделения жидких компонентов из газового потока. Натурные испытания вихревой трубы проводились в лаборатории газодинамики кафедры «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «УГАТУ» на стенде «Вихревая газодинамическая труба» (рисунок 6). Исследуемый сепарационный узел был разработан и изготовлен инжиниринговым центром ОАО «НИИТ» совместно с сотрудниками УГАТУ и представляет собой приставку к вихревой трубе, выполненную в виде двух регулируемых кольцевых щелей (рисунок 7).
экспериментального стенда При исследовании эффективности экспериментальной установке наилучшие результаты были получены при ширине щели сепарационного узла, равной 1 мм.
Степень сепарации жидких компонентов из газового потока достигала 95%.
проведения низкотемпературной очистки газа необходимо, чтобы влияние сепарационного узла на эффект охлаждения газа в вихревой трубе было минимальным. От степени охлаждения газа в приосевом потоке вихревой трубы зависит возможность конденсации жидких компонентов, присутствующих в газовом потоке, которые не были отделены в периферийном потоке после выхода из закручивающего устройства.
«