Робочий процес рідинно-парового струминного апарата вихрового типу

Abstract

Дисертаційна робота присвячена моделюванню робочого процесу рідинно-парового струминного апарата (РПСА) вихрового типу, який працює за принципом струминної термокомпресії. Досліджений вплив початкових термічних і витратних параметрів та характеристик активного і пасивного потоків на ефективність процесу пароутворення у полі відцентрових сил. Це дозволило визначити зону режимних параметрів, що відповідають максимальним значенням коефіцієнта інжекції. Математичне моделювання взаємодії скипаючої у вихровому потоці рідини та інжектованої пари здійснювалось за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX. В його основу закладені методи числового розв’язання рівнянь гідродинаміки, моделювання та візуалізації тривимірних течій рідин та газів у технічних об’єктах, що забезпечує обґрунтованість використання отриманих результатів. В основу моделі робочого процесу РПСА вихрового типу покладені рівняння Нав’є-Стокса у циліндричних координатах, рівняння збереження маси, енергії, кількості руху, стану середовища і виробництва ентропії. У розрахунковій моделі також враховується наявність зворотних течій, що виникають у сильно закручених потоках, та утворення вихрового шнура – області квазітвердого обертання потоку у приосьовій зоні вихрової камери. Експериментальним шляхом встановлені закономірності впливу початкових термічних і геометричних параметрів на ефективність процесу пароутворення у вихровому потоці. Це дало змогу підтвердити запропоновану модель робочого процесу рідинно-парового струминного апарата вихрового типу та створити його інженерну методику розрахунку. Ексергетичний аналіз енергоефективності робочого процесу РПСА вихрового типу за методикою Дж. Тсатсароніса показав, що його застосування дає змогу підвищити ефективність процесу вакуумування у широкому діапазоні робочих параметрів. Крім того, можливим є підвищення ефективності як окремих компонентів рідинно-парового струминного апарата вихрового типу, так і всієї установки.

The thesis is devoted to modeling of the operating process of the vortex liquid-vapor jet unit (LVJU) working on the stream thermocompression principle. The author researches the influence of initial thermodynamic and consumption parameters and characteristics of motive and suction flows on the vaporization process efficiency within the field of centrifugal forces. It allows to define the operating parameters area corresponding to the entrainment ratio maximum value. ANSYS CFX software tool has been used for mathematical modeling interaction of water boiling within vortex flow with suction vapor. The software based on numerical computation of fluid dynamics equations, modeling and visualization of three-dimensional flows of fluids and gases in technical devices, which provides validity of the obtained results application. The operating process model of the vortex liquid-vapor jet unit is based on Navier–Stokes equations in cylindrical coordinates, equations of conservation of mass, energy, momentum, state and entropy production. The calculation model also takes into account swirling back-flows arising in fast swirling motions and the presence of a vortex core – quasi-solid rotation zone in the axial area of vortex generation chamber. Experimentally, it has been determined that initial thermodynamic and geometric parameters affect the vaporization process efficiency within vortex flow. This enabled the author to confirm the operating process of the proposed model of the vortex liquid-vapor jet unit and create an engineering calculation method for it. Applying the exergetic analysis by J. Tsatsaronis method for operating process efficiency evaluation of the vortex liquid-vapor jet unit made it possible to enhance the vacuumization efficiency in a wide range of operating parameters. Moreover, there is an opportunity for improvement of separate vortex liquid-vapor jet unit parts as well as whole unit.