Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эффект фазоразделения газожидкостного потока при вихревом течении 9
1.1 Использование вихревой технологии в процессах разделения и очистки газовых смесей 9
1.2 Обзор теоретических исследований процесса фазоразделения многофазных течений в вихревых трубах 19
1.3 Анализ экспериментальных исследований процесса сепарации газожидкостного потока в вихревых трубах 33
1.4 Обоснование направления исследований и постановка задач 45
Глава 2. Исследование процесса массовой стратификации компонентов газожидкостного потока в вихревой трубе 50
2.1 Механизм процесса фазоразделения компонентов газожидкостного потока в камере вихревой трубе 50
2.2 Математическая модель двухфазного вихревого течения...: 59
2.3 Алгоритм моделирования процесса низкотемпературной сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе противоточной конструкции ...63
Глава 3. Численное моделирование процесса течения двухфазного потока в вихревой трубе 73
3.1 Общие принципы методики моделирования многофазных вихревых течений 73
3.2 Численная модель процесса течения газожидкостного потока в вихревой трубе с сепарационным узлом 78
3.3 Формирование пристеночного течения жидкой фазы в закручивающем устройстве вихревой трубы 82
3.4 Результаты численного моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе 86
Глава 4. Экспериментальное исследование сепарационных характеристик вихревой трубы 93
4.1 Описание объекта исследования и методики эксперимента 93
4.2 Исследование влияния конструктивных и газодинамических параметров на сепарационные характеристики вихревой трубы 105
4.3 Рекомендации по выбору параметров и режима работы вихревой трубы с сепарационным узлом 115
4.4 Методика расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе 127
Заключение 145
Основные выводы и результаты работы 147
Библиографический список 148
- Обзор теоретических исследований процесса фазоразделения многофазных течений в вихревых трубах
- Алгоритм моделирования процесса низкотемпературной сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе противоточной конструкции
- Формирование пристеночного течения жидкой фазы в закручивающем устройстве вихревой трубы
- Исследование влияния конструктивных и газодинамических параметров на сепарационные характеристики вихревой трубы
Введение к работе
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.
Настоящая работа посвящена разработке методики расчета и 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:
Обоснование эффективности применения вихревой технологии в процессах очистки газовых потоков от жидких примесей на основании анализа состояния и перспектив развития вихревых устройств фазоразделения.
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.
Разработка рекомендаций по выбору параметров и режима работы вихревой трубы с сепарационным узлом, обеспечивающих максимальную эффективность процесса отделения жидких компонентов из газового потока.
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 Ранка, теория измерений и планирования эксперимента, методы 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 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:
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.
Результаты численного моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе, полученные с помощью пакета вычислительной гидродинамики Ansys CFX.
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, 2008-201 Іг.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, 56 рисунков, библиографический список из 95 наименований.
Обзор теоретических исследований процесса фазоразделения многофазных течений в вихревых трубах
Область применения вихревых технологий постоянно расширяется. Их использование позволяет повысить производительность и эффективность технологических процессов, уменьшить габариты установок и увеличить скорость, протекающих в них процессов. Эффективность вихревых устройств отмечается многими авторами, проводящими исследования их работы, однако существуют факторы, осложняющие процесс применения вихревых технологий [25].
Применению на практике устройств, реализующих эффект Ранка-Хилша, препятствует сложность изучения вихревых течений с температурной и массовой стратификацией. Закрученный поток в вихревой трубе относится к группе пространственных течений в поле массовых и центробежных сил, и благодаря5 значительным турбулентным пульсациям происходит непрерывное изменение структуры потока. Для устройств, работающих с газожидкостными потоками эта проблема особенно актуальна, поскольку наличие жидкой фазы в потоке приводит к значительным отклонениям эксплуатационных характеристик вихревых труб. Также одним из основных препятствий широкого распространения вихревых аппаратов, является неустойчивость их работы при незначительном изменении параметров потока на входе [26]. А.Н. Штым [27] отмечает, что в настоящее время широкое использование закрученных потоков обгоняет процесс их детального исследования. Это приводит к тому, что имеется много единичных высокоэффективных вихревых установок, но их широкое применение ограничивается отсутствием определенных рекомендаций для различных режимов работы.
Другой существенной проблемой изучения процессов, протекающих в вихревых устройствах, является обобщение существующих результатов исследований, что усложняется; тем, что исследовательские группы принадлежат к различным отраслям промышленности [25]. До сих пор в области устройств, реализующих эффект Ранка-Хилша, не существует единой- терминологии и отсутствует общий подход к использованию технологических характеристик аппаратов. Такая же проблема существует при производстве вихревых труб. Установки очистки газа от жидких примесей на базе вихревых труб изготавливаются в условиях единичного производства.
При изучении процессов разделения газодисперсных течений в; вихревых трубах необходимо исследовать ряд факторов; влияющих на эксплуатационные характеристики вихревого аппарата. К такими факторам относятся организация закрутки потока, влияние режимных и конструктивных параметров устройства, взаимодействие фаз между собой и с ограничивающими поверхностями. Течение в вихревой трубе отличается сложным; пространственным характером, наличием неравномерности распределения параметров в продольном и поперечном направлениях, а также возникновением зон обратных течений.
Экспериментальные подходы к изучению- закрученных потоков не позволяют в полной мере выявить закономерности, управляющие процессами фазоразделения газожидкостных потоков; в вихревых трубах в связи со сложностью замера параметров течения, испытывающих высокочастотные пульсации значений. В связи с этим, детальное исследование процесса фазоразделения газожидкостного потока в камере вихревой трубы невозможно без математического моделирования. Численное моделирование позволяет найти оптимальные соотношения конструктивных и режимных параметров аппарата, воспроизвести детальную картину исследуемых течений, определить основные характеристики потока, а также значительно повысить интенсивность и эффективность процессов разделения закрученных газодисперсных потоков в вихревых устройствах [28]. Использование численных исследований наряду с натурным экспериментом позволяет с достаточной точностью выявить необходимые закономерности процессов и сформировать инженерную методику расчета и проектирования вихревых устройств фазоразделения.
Исследование работы вихревых труб на газожидкостных потоках было начато с изучения использования вихревого аппарата для очистки природного газа от конденсирующихся компонентов. При расширении газа в сопловом вводе происходит его охлаждение и конденсация части составляющих его компонентов, то есть образуется двухфазный поток. Первые исследования; проведенные В. М. Бродянским и А. В". Мартыновым, показали эффективность использования вихревой трубы для- очистки природного газа и- способность аппарата к сепарации газожидкостной смеси. Дальнейшее развитие эти исследования получили в трудах Т. С. Алексеева, Ю. Д. Райского, И: Л. Лейтеса, которые установили закономерности работы вихревой трубы в качестве сепаратора газожидкостных смесей и определили условия эффективного использования аппарата в процессах очистки газоконденсатных смесей:
Эффект фазоразделения углеводородных газов в вихревой трубе является результатом сложной совокупности взаимосвязанных процессов и начинается он при расширении газа в сопловом вводе. Снижение температуры потока вызывает конденсацию части высококипящих компонентов, и образовавшаяся газожидкостная смесь поступает в камеру энергетического разделения, где образуется закрученный двухфазный поток, состоящий из слоя жидкой фазы на стенке камеры и газового ядра. Вследствие температурной стратификации газа происходит нагрев его периферийных слоев и охлаждение приосевых, что в свою очередь приводит к испарению жидкости со стенки камеры. Одновременно происходит конденсация высококипящих компонентов в приосевых слоях вихревого потока. Для компонентного разделения углеводородного газа необходимо обеспечить наряду с максимальной эффективностью температурного разделения также вывод из вихревой трубы жидкой фазы [5].
В работе [5] представлена математическая модель, разработанная А. Н. Черновым и предназначенная для описания процесса компонентного разделения углеводородных смесей в вихревой трубе. Математическая модель предназначена для расчета компонентного и фазового состава высококипящих компонентов в жидком и газообразном состоянии на выходе из аппарата.
Алгоритм моделирования процесса низкотемпературной сепарации газожидкостного потока в вихревой трубе противоточной конструкции
Первые исследования работы вихревых труб на природных газах, проведенные В. М. Бродянским и А. В. Мартыновым показали, что при охлаждении газа в камере вихревого устройства происходит конденсация некоторых его компонентов и образуется газожидкостный поток [8]. Дальнейшее исследование.данного процесса проводили Т. С. Алексеев, Ю. Д. Райский, И. Л. Лейтес, которые изучили характеристики работы вихревой трубы в качестве сепаратора газожидкостных смесей и определили условия наиболее эффективного ее использования в процессах очистки газовых потоков от жидких примесей. 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 образования; жидких примесей вследствие: конденсации в низкотемпературных зонах вихревой трубы.
Расчет процесса низкотемпературно» сепарации в одномерной постановке проводится; посредством: определения среднемассовых параметров течения по- зависимостям, представленным.; в литературе; Верификация полученных аналитическим расчетом данных проводится путем моделирования процесса течения: газожидкостного потока: в. пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX. Численная модель, вихревой-трубы позволяет проводить исследование процесса течения газожидкостного потока в вихревой трубе в. трехмерной постановке.: Описание численной модели будет, приведено в, третьей, главе. Bl данном; разделе приводятся некоторые результаты-вычислительного эксперимента.в виде цветовых полей распределенияшекоторых параметров потока.
Структура двухфазного потока, в камере- вихревой? трубьъ в случае, когда в сопловой ввод подается однофазная , газовая смесь, а конденсат образуется: непосредственно в самой камере, аналогичен работе вихревого устройства на влажном воздухе: Образование сконденсированной жидкой фазы, может происходить уже при истечении! смеси из соплового ввода, причем: фазовый переход имеет скачкообразный характер и сопровождается переохлаждением расширяющегося газа. Часть выделившегося конденсата центробежными силами переносится к стенке камеры, где образует пленку жидкости [5]. В вихревой трубе есть две зоны охлаждения газа и, соответственно, две зоны возможного появления сконденсированной капельной жидкости [32]. Первая зона находится в сопловом вводе вихревой трубы и обусловлена понижением температуры газа при расширении. На выходе из соплового ввода газ охлаждается до статической температуры, более низкой, чем температура торможения (см. рисунок 2.2).
Вторая низкотемпературная зона находится в охлажденном приосевом потоке вихревого течения, где определяющую роль играет не статическая температура, а температура торможения. Температура формирующегося холодного потока начинает снижаться в районе дроссельного вентиля и достигает минимального значения на срезе диафрагмы. По мере снижения температуры газа, в приосевом потоке может образовываться конденсат, который переносится под действием центробежных сил на периферию потока и образовывать пленку жидкости на внутренней стенке камеры энергетического разделения вихревой трубы. Таким образом, жидкая фаза жидкость может образовываться по всей длине камеры энергетического разделения, но в основном это должно происходить на участках, близких к сопловому вводу, где имеет место минимальная температура приосевых слоев вихревого потока.
Наряду с образование жидкой фазы вследствие конденсации, в камере вихревой трубы происходит также процесс испарения компонентов из слоя ев жидкости на стенке вследствие нагрева газа горячего потока. Испарение пленки жидкости приводит к обогащению горячего потока жидкими компонентами, а также снижает температуру приосевого течения и тем самым влияет на фазовое равновесие в холодном потоке. В связи с этим необходимо выводить перемещенную на стенку жидкую фазу до начала ее испарения под воздействием нагрева газа. Как указывалось в обзоре опубликованных работ, наиболее эффективным является отвод отделенной жидкой фазы в промежуточном сечении камеры энергетического разделения. Как отмечается в.работе [46], температурная-эффективность вихревой трубы, имеющей разрыв вихревого потока в- сепарационном- узле, ниже температурной эффективности двухпоточной вихревой установки. Причем, чем большее возмущение вносит в вихревой поток устройство отбора жидкой фазы, тем существеннее влияние этого фактора на эффект энергетического разделения. Неплохая эффективность температурного разделения газа отмечается в вихревых трубах с отводом, жидкости непосредственно в сопловом сечении за счет цилиндрического осевого отбора [42] или с кольцевым отбором жидкости на расстоянии (5-7) Др от соплового-сечения [4].
Исследование процесса образования конденсата при выходе газового потока из соплового ввода, проводилась авторами работ [52, 53] на вихревом сепараторе. В данном устройстве, в отличие от вихревой трубы, отсутствует зона возвратного течения закрученного потока газа, то есть разделение газа на холодный и горячий потоки не происходит. Конденсация компонентов потока происходит в закручивающем устройстве вследствие расширения исходной газовой смеси. Авторами указанных публикаций была разработана математическая модель процесса изоэнтропийного расширения углеводородной многокомпонентной смеси с использованием уравнения состояния Редлиха-Квонга. Авторами работы [54].была предпринята попытка разработки полной физико-математической модели процесса конденсации углеводородных компонентов в вихревой трубе. Модель была основана на газодинамических соотношениях и допущениях, описывающих совместно процессы энергетического разделения газа в вихревой трубе и фазовых превращений компонентов в обеих зонах понижения температуры потока. Наиболее оптимальным является подход авторов [20, 32, 41], где за основной параметр процесса конденсации принята статическая температура Гст на выходе из сопла при соответствующем статическом давлении Рст. Данный способ, может использоваться для инженерных расчетов при оценке возможности протекания процесса конденсации в камере вихревой трубы.
Рассматривая процессы образования конденсата в. камере вихревой трубы, параметры процесса температурного разделения газа (эффект Ранка-Хилша) рассматриваются как основа процесса низкотемпературной сепарации, которые могут быть определены из имеющихся экспериментальных- данных, либо рассчитаны по имеющимся эмпирическим методикам. Определив значения температуры и давления в низкотемпературных зонах вихревой трубы, можно произвести расчетную оценку процесса конденсации компонентов газового потока. Такой подход позволяет получить инженерную методику расчета конденсационных возможностей вихревой трубы и объяснять вновь получаемые экспериментальные данные [32].
Формирование пристеночного течения жидкой фазы в закручивающем устройстве вихревой трубы
Результаты численного моделирования подтверждают механизм массовой стратификации компонентов газожидкостного потока в вихревой трубе, при котором под действием центробежных жидкие компоненты, обладающие большей массой, отбрасываются на стенку камеры вихревой трубы. Мелкодисперсная жидкая фаза находится в области периферийного потока и образует газокапельный слой над пленкой жидкости, а также частично присутствует в приосевых слоях вихревого течения. При обработке результатов численного моделирования считалось, что область течения, где плотность потока составляет более 990 кг/м , соответствует пленочному течению жидкой фазы.
Пленка жидкости, образовавшаяся в закручивающем устройстве, продолжает движение в камере энергетического разделения вихревой трубы в направлении дроссельного вентиля. Если пленку жидкости не вывести из камеры вихревого устройства, то происходит срыв компонентов из сформированной пленки и обогащение потока, выходящего через дроссельный вентиль. Возможно также испарение жидкой фазы со стенки камеры вследствие нагрева газа горячего потока. На рисунках 3.11 и 3.12 представлено распределение объемной концентрации жидкой фазы в камере вихревой трубы без сепарационного узла и с установленным узлом отбора жидкой фазы.
Как видно из рисунков 3.11 и 3.12, пристеночное течение жидкой фазы начинает формироваться в закручивающем устройстве вихревой трубы. Образовавшийся слой жидкости продолжает движение в камере энергетического разделения, так как минимальный диаметр улитки, выполненной по архимедовой спирали составляет 42 мм, что соответствует внутреннему диаметру камеры энергоразделения. Затем эта жидкость на стенке камеры попадает в кольцевую щель сепарационного узла и полностью выводится из потока с частью газа. Неравномерное распределение слоя жидкости в продольном сечении объясняется вихревым характером ее течения, то есть она движется по спирали.
В результате проведения серии вычислительных экспериментов выявлено, что исследуемая конструкция сепарационного узла позволяет полностью выводить образующийся на стенке камеры 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.
На рисунке 3.13 представлено распределение абсолютной скорости потока в закручивающем устройстве вихревой трубы. Как видно, режим истечения газа из соплового ввода - критический, что соответствует классическому режиму работы вихревой трубы, обеспечивающему максимальный эффект энергетического разделения.
На рисунке 3.14 приведено векторное поле скорости течения газа в вихревой трубе. Характер течения газового потока качественно согласуется с общепризнанными на сегодняшний день представлениями о структуре течения, согласно гипотезе взаимодействия вихрей. В продольном сечении камеры энергоразделения наблюдается две вихревые структуры. Первая представляет собой свободный затухающий вихрь, движущейся по направлению от диафрагмы к дросселю. Внутренний диаметр вихря, как и предполагается, соответствует диаметру проходного сечения диафрагмы. Второй наблюдаемый вихрь - вынужденный, движущейся в противоположном направлении от дросселя к диафрагме.
Исследование влияния конструктивных и газодинамических параметров на сепарационные характеристики вихревой трубы
Результаты численных т экспериментальных исследований также подтвердили, что рассматриваемая в работе конструкция сепарационного узла, позволяет полностью выводить образующийся на стенке камеры вихревой трубы слой жидкости при массовом содержании жидкой фазы в газовом потоке до 10%. Также было подтверждено, что данный вариант отбора позволяет отделить максимальное количество жидких примесей из газового потока, не допуская их испарения вследствие нагрева газа горячего потока.
В работе [80] были разработаны рекомендации по выбору ширины и осевого положения щели сепарационного узла такой конструкции в камере энергетического разделения вихревой трубы. Согласно этим рекомендациям, кольцевую щель отбора необходимо устанавливать на расстоянии одного калибра от среза соплового ввода. Ширину щели сепарационного узла необходимо рассчитывать по зависимости
Проведенные на модельной установке экспериментальные исследования позволили разработать рекомендации по выбору регулируемых в процессе работы конструктивных параметров вихревой трубы, обеспечивающих максимальную эффективность отделения влаги из воздуха. Как было сказано выше, к регулируемым геометрическим параметрам относится площадь проходного сечения дроссельного» вентиля ю ширина щели сепарационного узла. Также возможно регулировать долю холодного потока вихревой трубы путем установки на холодный выход дроссельных шайб, с различными диаметрами проходного сечения.
Дроссельный вентиль на конце камеры энергетического разделения выполнен в виде регулируемого игольчатого дросселя И предназначен для регулирования соотношения расходов газа на выходах и перепада давления в камере вихревого устройства. Дроссельный вентиль в исследуемой вихревой установке позволяет изменять его проходное сечения от 0 до 990 мм2, а также полностью перекрывать поток. Поворот вентиля на 360 (1 оборот) соответствует смещению его конуса на 1,5 мм. Максимальное открытие регулятора соответствует 11,5 оборотам. При этом значении площадь проходного сечения составляет 990 мм2, а конус смещается на 17,25 мм.
При открытии дроссельного вентиля более чем на 2 оборота наблюдалось резкое снижение эффективности процесса фазоразделения. Это связано с тем, вследствие возрастания расход газа через дроссельный вентиль, происходил унос жидких компонентов на горячий выход. Также при повышении расхода через дроссельный вентиль происходит повышение температуры периферийного потока газа и, следовательно, испарение части жидких примесей. При значительном уменьшении расхода газа через горячий выход вихревой трубы эффективность сепарации также снижается по причине возрастания-относительного весового расхода холодного потока \х и уноса части жидкой фазы, после выхода из соплового ввода сразу на холодный выход. Таким образом, в, процессе отладки вихревой установки необходимо определить диапазон расхода газа через горячий выход вихревой, обеспечивающий необходимый перепад давления в, камере устройства и обеспечивающий высокую степень очистки газа.
Уровень давления- в камере устройства, и долкь холодного потока можно регулировать также путем установки на холодный выход вихревой трубы дроссельных шайб, с различными диаметрами, проходного сечения. Диаметр дроссельной шайбы холодного выхода определяет расход газа через диафрагму при неизменном положении дроссельного вентиля на горячем выходе. В данном случае относительная доля холодного потока \х зависит от расхода газа на входе в вихревую1 трубу и диаметра дроссельной шайбы. Максимальная эффективность процесса сепарации на экспериментальном стенде была достигнута при использовании дроссельной шайбы с диаметром проходного отверстия 10 мм и в диапазоне относительного весового расхода холодного потока ц. от 0,2 до 0,3.
Установка дроссельной шайбы с диаметром проходного отверстия более 14 мм приводила к снижению эффективности процесса фазоразделения, так как вследствие возрастания доли холодного потока часть дисперсной фазы уходит через диафрагму на холодный выход, не попадая в камеру энергетического разделения. При использовании шайб с диаметром проходного отверстия менее 6 мм, также наблюдалось, снижение эффективности отделения влаги; по причине образования ледяной пробки на дроссельной шайбе.
При: оценке влияния ширины щели сепарационного узла на-эффективность процесса фазоразделения газожидкостного потока в вихревой трубе, наилучшие результаты были получены при установке ширины щели на значении 1 мм при x=0;2"...0;3 i. Количество жидкости, отбираемой из третьего потока достигало"95 % от общего количества жидкости; подаваемой? на вход. При ширине-щели менее Г мм эффективность сепарации снижалась по причине того, что образующийся на выходе из закручивающего устройства пристеночный слой жидкой фазы не полностьюютбирался щелью; частьего срезалось и уходило на горячий выход- ВТ. G другой стороны при; высоте1 щели более 1 мм также выявлено снижение доли сепарации-. Причиной:этомуможет.являться-«запирание» щели потоком газа; чтов свою очередь препятствует прониканию жидкости в нее:
