ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЖЕКТОРНОГО НАСОСА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ МЕТОДОМ ЧИСЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Эжекторные насосы нашли широкое применение в газовой промышленности для откачки и сжатия низконапорного природного газа. Однако в настоящее время численное моделирование эжекторов, работающих на природном газе (метане), изучено недостаточно. Численное моделирование может помочь в предсказании характеристик эжекторов без необходимости дорогостоящих экспериментов. Но исследования в настоящее время показывают, что существующие модели недостаточно точно отражают процессы, происходящие при работе с метаном, что подчеркивает необходимость дальнейших научных работ.

 

В настоящей работе рассматривается эжектор, работающий в паре с газосепаратором низкого давления.

 

Пароструйный эжектор (Рисунок1) – устройство для перемещения и сжатия газа без движущихся частей.

Рисунок 1. Геометрия эжекторного насоса

В качестве исследуемых параметров можно выделить следующие:

• Массовые расходы первичного (m₁) и вторичного (m₂) потоков;
• Температуры потоков (T₁, T₂​);
• Давление на выходе эжектора (P_вых​);
• Число Маха (M) и статическое давление вдоль оси эжектора;
• Коэффициент эжекции:

  (1)

где m₁– массовый расход вторичного газа (природный газ), кг/с;
m₂​ – массовый расход первичного пара (водяной пар), кг/с.

Для численного моделирования парового эжектора, работающего на природном газе (метане), применяется метод вычислительной гидродинамики (CFD).

Вычислительная гидродинамика – это раздел механики сплошных сред, который представляет собой совокупность физических, математических и численных методов для вычисления характеристик потоковых процессов. Он позволяет точно рассчитать распределение давлений, температур и скоростей, а также оценить коэффициент эжекции, критические сечения и ударные волны без дорогостоящих натурных модификаций геометрии.

В качестве программного обеспечения данного метода использовался FlowVision.

Данный программный комплекс основывается на методе конечных объемов, который является стандартом в вычислительной гидродинамике. Он имеет возможность расчета сжимаемых и несжимаемых потоков жидкости и газа. Основным отличием от аналогичных программных обеспечений является возможность автоматической генерации расчетной сетки.

При проведении эксперимента были заданы следующие параметры расчета (Таблица 1).

Таблица 1.

Параметр	Первичный поток (водяной пар)	Вторичный поток (природный газ)
Массовый расход, кг/с	6	4
Температура, °C	285	90
Давление на входе	Рисунок 8	Рисунок 9
Давление на выходе	40 КПа

 

Для постановки задачи в ПК FlowVision были выбраны следующие физические и математические модели.

 

Тип течения: стационарное, сжимаемое, турбулентное.

Фаза: сплошная, газообразная.

Вещества: природный газ (равновесный) и водяной пар (равновесный).

Физические процессы: течение описывается уравнениями Навье-Стокса для сжимаемой среды; теплоперенос учитывается через H - уравнение энергии в полной энтальпийной форме; массоперенос осуществляется за счёт конвекции и турбулентного перемешивания; турбулентность моделируется с помощью k-ω SST.

Общие установки: Температура 273.15 К, давление 101325 Па.

Схема распределения ГУ представлена на рисунке 2.

Рисунок. 2. Схема расстановки граничных условий

Геометрическое положение входа первичного потока (перегретый пар) отражено на рисунке 3,

Рисунок 3. Вход пара

Геометрическое положение входа вторичного потока (природный газ) показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Вход газа

Геометрическое положение выхода отражено на рисунке 5.

Рисунок 5. Выход

В качестве результатов расчет получены следующие графики.

На рисунке 6 и рисунке 7 представлены графики сходимости по времени давлений на входах.

Рисунок 6. Сходимость давления на входе пара

Рисунок 7. Сходимость давления на входе газа

В методе CFD используют число Маха — это безразмерный показатель, равный отношению скорости потока газа (или объекта в нем) к местной скорости звука в этой же среде. По данному показателю далее программный комплекс способен определить тип физики, которую необходимо моделировать.

В результате расчета получены следующие показатели:

1. Картина течения (поля числа Маха):

Рисунок 8. Число Маха

На рисунке 8 представлены поля числа Маха для выходного давления 40 КПа (абс.). По слоям числа Маха мы видим “двойное запирание”:

• Сопло Лаваля: В горле сопла число Маха достигает M = 1. Далее в расширяющейся части поток разгоняется до сверхзвуковых скоростей (M >3).
• Вторичный поток засасывается в камеру смешения, ускоряется и достигает M = 1 на входе в горло эжектора. Это вторая звуковая линия, которая является ключевым признаком двойного запирания.
• Диффузор: после горла поток смеси продолжает тормозиться, давление растёт до заданного выходного давления P_вых ​=40 КПа. При этом поток остаётся дозвуковым (M <1) на выходе.

2. Картина температуры:

Рисунок 9. Распределение температуры

На рисунке 9 представлено распределение температуры в К.

• За соплом Лаваля наблюдается резкое падение температуры (тёмно-синяя зона) – результат адиабатного расширения пара.
• В зоне смешения температура выравнивается за счёт перемешивания первичного (горячего) и вторичного (более холодного) потоков.
• На выходе температура смеси становится умеренно высокой (оранжевая зона).

Также были получены графики распределения давления и скорости по геометрии эжектора (рисунки 10-11).

Рисунок 10. Давление по длине

На рисунке 12 можно заметить следующий характер изменения давления:

• На входе в сопло – высокое давление (подобрано решателем ≈ 1.7 МПа).
• В сужающейся части сопла – падение давления.
• В горле сопла – минимум.
• В расширяющейся части сопла – дальнейшее падение до вакуума.
• В камере смешения – стабилизация на низком уровне.
• В диффузоре – рост до давления на выходе.

Рисунок 11. Скорость по длине

На рисунке 11 можно заметить следующий характер изменения скорости:

• Вход в сопло Лаваля: скорость невелика (дозвуковая).
• Сужающаяся часть сопла: скорость резко возрастает по мере ускорения потока.
• Горло сопла: скорость достигает звуковой.
• Расширяющаяся часть сопла: скорость продолжает расти до максимального значения 1244,1 м/с на срезе сопла (сверхзвуковой режим).
• Камера смешения и горло эжектора: наблюдаются скачки скорости (чередование ускорения и торможения), обусловленные системой косых скачков уплотнения.
• Диффузор: скорость плавно снижается до 27,3 м/с на выходе из эжектора.

ВЫВОДЫ

В ходе исследования подтверждается, что устройство работает в режиме двойного запирания. При условиях, когда первичный пар имеет расход 6 кг/с и температуру 285 °C, а природный газ подается с расходом 4 кг/с при температуре 90 °C и давлении на выходе 40 кПа, в эжекторе возникает этот процесс.

Для расширяющейся части сопла характерно число Маха более 3. При этом на срезе сопла поток движется со скоростью 1244,1 м/с, что означает движение первичного пара со скоростью, которая превышает скорость звука.

На температурных полях, которые представлены на рисунке 9, видно, как первичный пар увеличивается в объеме без обмена теплом после выхода из сопла. В результате этого температура падает до 150 K. Интенсивно протекает процесс, при котором потоки перемешиваются за счет хаотичного движения частиц, что приводит к выравниванию температуры. К выходу из диффузора температура повышается до средних показателей.

По распределению статического давления на рисунке 10 можно проследить стандартные физические процессы в жидкости и газе. В расширяющейся части сопла давление падает до уровня 10 кПа, который характеризуется значительным разрежением среды. В зоне смешения давление становится стабильным, а в диффузоре оно растет до значения 40 кПа, которое задано для выхода.

На графике скорости, который изображен на рисунке 11, заметна система косых скачков уплотнения. Она находится в камере смешения и горле эжектора, что является признаком режима двойного запирания. И на выходе из диффузора скорость потока составляет 27,3 м/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой работе был применён программный комплекс FlowVision, чтобы численно смоделировать пароструйный эжектор. Для этого использовалось уравнения Навье-Стокса и модель турбулентности k-ω SST. Исследование выявило, что при подаче перегретого водяного пара массой 6 кг/с с температурой 285 °C, природного газа массой 4 кг/с с температурой 90 °C и с давлением на выходе 40 кПа возникает режим двойного запирания. Данное состояние является наиболее подходящим, так как коэффициент эжекции остается постоянным, а газ сжимается эффективно.

На полученных визуализациях числа Маха, температуры, статического давления и скорости распределяются так, как это описывает теория гидродинамики сверхзвуковых эжекторов. С помощью этой CFD-модели можно рассчитать, как температура пара, противодавление и форма эжектора меняют производительность системы, что в дальнейшем пригодится инженерам при моделировании эжектора с другими параметрами расчёта.