Full Text

По принципу действия гидроструйные насосы существенно отличаются от насосов других типов. Основным их достоинством является простота конструкции, связанная с отсутствием подвижных частей, и, как следствие, высокая надежность работы и простота обслуживания. Проточный тракт аппарата такой конструкции (рис. 1) включает активное сопло 1 для подачи рабочей жидкости с объемным расходом Q0 под давлением р0, приемную камеру 4 для подачи перекачиваемой пассивной среды с объемным расходом Q1 под давлением р1, камеру смешения 2 и диффузор 3, на выходе которого устанавливается давление р2 газожидкостной смеси с объемным расходом Q2. Кроме этого, в состав установки входит насос высокого давления для подачи активной жидкости. Рис. 1. Схема проточного тракта гидроструйного насоса Поток активной жидкости, выходящий с высокой скоростью из сопла, создает разрежение, всасывает пассивную среду из приемной камеры и, передавая свою кинетическую энергию, увеличивает тем самым ее скорость. В камере смешения происходит выравнивание скоростей потоков двух сред за счет сил гидродинамического трения, возникающих на границе их соприкосновения. Диффузор служит для преобразования кинетической энергии смешанного потока в статическое давление, под действием которого происходит его дальнейшая транспортировка. Для обеспечения работы насоса необходимо, чтобы активная жидкость на входе в сопло имела более высокое давление по сравнению с давлением пассивной среды. Давление же смеси сред на выходе аппарата будет иметь некоторое промежуточное значение. При этом пассивная среда может быть жидкостью, газом или газожидкостной смесью (ГЖС). Большое значение имеют скорость активного потока на выходе из сопла и величина поверхности контакта струи активной жидкости с пассивной средой. Для формирования потока активной жидкости могут быть использованы сопла различной геометрии: осевые (цилиндрические), кольцевые, многоструйные и т.д. Наиболее распространены осевые и кольцевые сопла, обеспечивающие наибольшую скорость и кинетическую энергию потока активной жидкости. Одним из параметров, характеризующих эффективность работы струйного насоса, является коэффициент инжекции, определяемый как отношение полной объемной подачи насоса к объемному расходу активной жидкости Q0. Полная подача Q2 складывается из объемных расходов активной жидкости Q0 и пассивной среды Q1 при давлении на выходе из диффузора. Тогда коэффициент инжекции [1] Коэффициент полезного действия струйного насоса представляет собой произведение коэффициента инжекции на коэффициент напора. Коэффициент напора рассчитывается по формуле где p0 - давление активной жидкости на входе в сопло; p1 - давление пассивной среды на входе; p2 - давление смеси на выходе из диффузора. Проектирование и расчет проточных трактов гидроструйных установок обычно выполняют с использованием инженерных методик. Реализованные в них подходы базируются на основных законах механики - законах сохранения энергии, массы, импульса. Существующие методики расчета струйных аппаратов можно разделить на четыре основные группы: методики, основанные на уравнении баланса энергии [2-4], эмпирических зависимостях [1, 5, 6], уравнении сохранения количества движения [7], а также на теоретических зависимостях, полученных в результате совместного решения уравнений неразрывности, количества движения, энергии при тех или иных допущениях [8, 9]. Наиболее полные методики расчета струйных аппаратов опубликованы в работах Е.Я. Соколова, Н.М. Зингера, К.Г. Донца [10, 11] и В.Г. Цегельского [12-19]. Здесь детально рассмотрены процессы и выведены основные расчетные уравнения для многих видов струйных аппаратов, в том числе газоструйных компрессоров и струйных насосов. Такой подход эффективен при расчете струйных аппаратов с однофазными течениями, как наиболее хорошо изученных. При расчете же струйных аппаратов с многофазными течениями существующие полуэмпирические инженерные методики оказываются малоэффективными. Они дают возможность оценить интегральные характеристики проточных трактов лишь в первом приближении и не позволяют оптимизировать геометрию проточного тракта с учетом особенностей гидродинамики течения в условиях перекачки ГЖС. Более перспективным способом оптимизации геометрических характеристик проточного тракта с целью обеспечения рациональных режимов перекачки ГЖС является математическое моделирование гидродинамики течения многофазной среды. Такой подход позволяет детально анализировать влияние различных факторов на эффективность работы струйного насоса и существенно облегчает оптимизацию конструкции установки. С учетом широкого спектра применения в технике струйных насосов актуальность таких исследований не вызывает сомнений. Следует отметить, что математическая модель, описывающая явления тепломассообмена при течении многокомпонентных сред, оказывается достаточно сложной. Решение задачи практически возможно лишь с использованием современных программных комплексов, ориентированных на решение задач гидро- и газодинамики, таких как ANSYS, STAR-CCM+, FlowVision и им подобных. В нашей ранее опубликованной работе [20] приведены результаты компьютерного моделирования работы проточного тракта гидроструйного насоса для перекачки нефтепродуктов с кольцевым активным соплом. На основании анализа вычислительных экспериментов, проведенных с использованием программного комплекса STAR-CCM+, показано, что автоматическое изменение проходного сечения сопла, согласованное с регулированием мощности насоса высокого давления для подачи активной жидкости, увеличивает КПД гидроструйной установки при перекачке ГЖС переменного состава. Применение кольцевого сопла (рис. 2) позволяет сформировать активную струю кольцевого сечения и организовать два входа для пассивной среды - внешнюю приемную камеру с расходом Q1 и внутренний канал кольцевого сопла c расходом за счет чего увеличивается поверхность контакта взаимодействующих сред и возрастают коэффициенты инжекции и КПД струйного насоса. Кроме этого, происходит более быстрое выравнивание скоростей активного W0 и пассивных W1 и потоков в камере смешения. Вместе с тем сравнительный анализ эффективности перекачки ГЖС с использованием цилиндрического и кольцевого активных сопел одной и той же гидроструйной установкой с неизменной геометрией проточного тракта до настоящего времени не проводился. В частности, применение кольцевого сопла, в отличие от цилиндрического, позволяет организовать раздельную подачу компонентов - газа и жидкости - по двум пассивным входам при условии предварительной сепарации ГЖС. В данной работе с использованием методов математического моделирования приведены результаты сравнительной оценки эффективности работы проточного тракта гидроструйной установки с цилиндрическим и кольцевым активными соплами при различных вариантах подачи пассивной среды. Вариант расчетной схемы проточного тракта с кольцевым активным соплом представлен на рис. 3. Схема включает канал подачи активной жидкости с давлением р0, два канала подачи пассивной среды (давление среды р1), камеру смешения и диффузор, на выходе которого задано давление р2. Рис. 2. Схема кольцевого сопла: d1 - диаметр внутреннего канала подачи пассивной среды; d2, d3 - внутренний и наружный диаметры кольцевого канала активного сопла Рис. 3. Расчетная схема проточного тракта с кольцевым соплом Основные размеры проточного тракта следующие: - длина цилиндрической части камеры смешения 284 мм; - диаметр камеры смешения 24 мм; - длина диффузора 660 мм; - диаметр диффузора на выходе 94 мм; - расстояние от среза сопла до цилиндрической части камеры смешения 28 мм; - диаметр внутреннего канала подачи пассивной среды (d1 на рис. 2) 7 мм; - внутренний диаметр d2 кольцевого канала активного сопла 10 мм; - наружный диаметр d3 кольцевого канала активного сопла 14,14 мм; - площадь проходного сечения активного сопла 78,45 мм2. При исследовании работы установки с цилиндрическим активным соплом его диаметр составляет 10 мм, что обеспечивает такую же площадь проходного сечения, как и кольцевого. Остальные геометрические размеры проточного тракта остаются неизменными. Математическое моделирование гидродинамики течений проведено с использованием вычислительного комплекса STAR-CCM+. Задача решена в эйлеровых координатах с применением модели Volume of Fluid (VOF) для многофазного течения. Постановка задачи включает уравнение Навье - Стокса для описания течения, а также уравнение неразрывности. Течение газожидкостной смеси описано двухслойной k-ε-моделью турбулентности. Задача решается как нестационарная по неявной схеме. Расчеты проводились до момента достижения нулевого баланса массы по входу и выходу установки. В концептуальной постановке задачи приняты гипотезы об изотермном течении фаз и отсутствии теплообмена с окружающей средой. Кроме этого, не учитываются силы поверхностного натяжения и химическое взаимодействие между фазами. Задача решается в трехмерной осесимметричной постановке. В качестве активной жидкости используется вода, а в качестве пассивной среды ГЖС (смесь воды и воздуха) или воздух, причем в обоих случаях воздух рассматривается как идеальный газ. Границы элементов проточного тракта - сопел, камеры смешения и диффузора - считаются абсолютно гладкими (нулевая шероховатость). Граничные условия включают задание избыточных значений давления активной жидкости и пассивной среды на входе в струйный насос и газожидкостной смеси на выходе из диффузора. При подаче ГЖС заданы объемные доли фаз на каждой границе входа пассивной среды. Расчеты проводились при следующих исходных данных: давление активной жидкости p0 = 140 бар, давление пассивной среды на входе p1 = 10 бар, давление газожидкостной смеси на выходе из диффузора p2 = 20 бар, объемный состав ГЖС на входе - 50 % жидкости и 50 % газа, температура активной жидкости и компонентов ГЖС - 300 К. В начальный момент времени проточный тракт заполнен неподвижной жидкостью при давлении 20 бар. При решении задачи определялись поля скоростей, давлений и объемных концентраций ГЖС в проточном тракте, а также объемные расходы активной жидкости и компонентов пассивной среды на входе и газожидкостной смеси на выходе струйного насоса. Расчеты проведены для следующих вариантов перекачки продукции: 1) осевое сопло, пассивная среда - ГЖС; 2) осевое сопло, пассивная среда - газ; 3) кольцевое сопло, пассивная среда - ГЖС, подача ГЖС по обоим пассивным входам; 4) кольцевое сопло, пассивная среда - ГЖС, подача газа по внутреннему каналу кольцевого сопла, жидкости - по внешнему каналу (приемная камера); 5) кольцевое сопло, пассивная среда - газ, подача газа по обоим пассивным входам. На рис. 4 в качестве иллюстрации приведены результаты расчета полей давления и скоростей течения перекачиваемой среды в области проточного тракта струйного насоса с кольцевым активным соплом. В полном соответствии с физическими представлениями о работе струйных насосов в камере смешения наблюдается относительное снижение давления при скоростях течения порядка 100-150 м/с. В диффузоре происходит торможение потока с одновременным ростом давления. Выравнивание скоростей активного и пассивного потоков в камере смешения проточного тракта с кольцевым соплом происходит быстрее, чем с осевым. Так, для расчетных вариантов 1 и 3 при перекачке ГЖС скорость истечения активной жидкости из сопел составляет порядка 150 м/с. а б Рис. 4. Результаты расчета поля давлений (а) и поля скоростей течения (б) в проточном тракте струйного насоса с кольцевым активным соплом На рис. 5, а приведены графики радиального распределения скоростей течения смеси в камере смешения на расстоянии 0,07 м от среза сопла. Из рисунка видно, что в рассматриваемом сечении скорость кольцевой струи активной жидкости менее 130 м/с, а скорость пассивной ГЖС из внутреннего канала кольцевого сопла составляет уже порядка 120 м/с. В то же время струя активной жидкости из осевого сопла в этом сечении по-прежнему сохраняет начальную скорость, а скорость перекачиваемой ГЖС в целом ниже, чем для варианта с кольцевым соплом. В конце камеры смешения профили скоростей практически одинаковы (рис. 5, б). Максимальная скорость смеси составляет порядка 115 м/с. Следует отметить, что устойчивый профиль скорости с кольцевой активной струей устанавливается уже в середине камеры смешения, что позволяет использовать в проточном тракте более короткую камеру смешения. В таблице приведены расчетные значения объемных расходов активной жидкости и компонентов пассивной среды, а также коэффициенты инжекции и КПД работы проточного тракта для каждого варианта. При расчете объемных расходов газа на входе и выходе установки его плотность определялась по уравнению состояния в зависимости от давления. а б Рис. 5. Радиальное распределение скоростей потоков ГЖС в камере смешения на расстоянии 0,07 м (а) и 0,25 м (б) от среза сопла для двух вариантов проточного тракта: кольцевое сопло, осевое сопло Результаты расчетов расходных характеристик проточного тракта № п/п Сопло Пассивная среда Расход активной среды, м3/ч Расход пассивной среды (газ на входе), м3/ч Расход пассивной среды (жидкость), м3/ч Расход газа на выходе, м3/ч Расход ГЖС на выходе, м3/ч Коэффициент инжекции КПД, % 1 Осевое ГЖС 41,21 233,63 21,74 122,38 185,32 4,497 37,46 2 Осевое Газ 41,06 411,46 0,00 215,52 256,58 6,249 52,05 3 Кольцевое ГЖС 42,19 258,00 21,96 135,14 199,30 4,724 39,35 4 Кольцевое Газ + вода 41,84 276,06 41,90 144,60 228,34 5,457 45,46 5 Кольцевое Газ 42,27 520,42 0,00 272,60 314,87 7,449 62,05 Расчетные расходы активной жидкости во всех вариантах мало отличаются друг от друга. Это обусловлено одинаковым проходным сечением активных сопел. В среднем по вариантам расход составляет 41,7 м3/ч, что соответствует скорости истечения из сопел порядка 147 м/с. Анализируя результаты, следует отметить, что эффективность работы проточного тракта с кольцевым активным соплом выше как при перекачке ГЖС, так и при перекачке газа. Так, по сравнению с осевым соплом КПД установки при перекачке ГЖС больше на 1,9 % при подаче ГЖС по двум пассивным входам (вариант 3), а при раздельной подаче жидкости и газа (вариант 4) КПД увеличился на 8 %. Практическая реализация такого варианта перекачки возможна при условии предварительной сепарации ГЖС на входе в струйный насос. Наибольшие коэффициенты инжекции и КПД достигаются при перекачке газа, как менее плотной среды. В этом случае расчетный КПД проточного тракта с кольцевым активным соплом увеличился на 10 %. В целом с учетом принятой концептуальной постановки задачи моделирования полученные расчетные значения коэффициентов инжекции и КПД согласуются с имеющимися литературными данными и подтверждают возможность повышения эффективности работы многофазных струйных насосов за счет применения кольцевого активного сопла.

About the authors

A. S Ipanov

LLC “AlfaTech”

M. A Oshivalov

Perm National Research Polytechnic University

K. S Galyagin

Perm National Research Polytechnic University

Yu. A Selyaninov

Perm National Research Polytechnic University

M. A Savin

Perm National Research Polytechnic University

E. I Vakhrameev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.