Вплив параметрів сопла активного потоку на ефективність рідинно-парового струминного апарату

Abstract

Дисертаційна робота направлена на дослідження робочого процесу сопла активного потоку рідинно-парового струминного апарату (РПСА), що працює за принципом струминної термокомпресії та дослідженню впливу геометричних параметрів надзвукової частини сопла активного потоку на процес пароутворення з метою оптимізації цього процесу. У існуючих технологічних системах, де використовуються пароструминні апарати, підвищення тиску пасивного потоку відбувається за рахунок енергії робочого струменя активного потоку. Вони мають ряд значних недоліків, які звужують межі їх застосувань та перешкоджають вдосконаленню конструкції. Це пов’язано з особливостями робочого процесу, і стосується, насамперед, обмеженого ступеня підвищення тиску в пароструминних апаратах, необхідності постійної генерації робочої пари у великій кількості, що веде до збільшення кількості допоміжних апаратів, що входять до установки. Наведені вище недоліки існуючих пароструминних агрегатів призводять до активного пошуку альтернативного рішення, і одним з таких може бути застосування двофазних струминних апаратів. Одним з перспективних рішень, в результаті якого можна досягти підвищення ефективності існуючих установок та створити енергоефективні нові системи можуть бути рідинно-парові струминні апарати, з водою в якості робочої рідини, як альтернативи, оскільки це дешеве робоче середовище з високими показниками ефективності. Як відомо, вода має низку унікальних властивостей при певних параметрах, що є перспективним для її застосування в РПСА. Ефективність РПСА, робочий процес якого заснований на принципі струминної термокомпресії насамперед, залежить від ступеня завершеності процесів пароутворення в соплі активного потоку. В такому апараті генерація робочої пари проходить всередині нього, а саме в надзвуковій його частині сопла активного потоку, де відбувається процес релаксаційного пароутворення недогрітої до насичення робочої рідини. І саме від конструкції сопла активного потоку буде залежати ефективність як самого апарату, так і системи в цілому. Тому метою даної дисертаційної роботи є дослідження процесу пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною з одержанням витратних та енергетичних характеристик, що визначає подальші шляхи підвищення ефективності систем на основі таких апаратів. Основним змістом дисертації є удосконалення теплофізичної моделі та методики розрахунку рідинно-парового струминного апарату з соплом активного потоку профільованої надзвукової частини, визначення діапазону параметрів робочої рідини активного потоку, за яких можливе досягнення максимальної ефективності її витікання через канали, що розширюються, з пошуком шляхів підвищення ефективності систем на основі таких апаратів і одержанням витратних та енергетичних характеристик. Адекватність отриманої моделі підтверджено результатами експериментальних досліджень РПСА з соплами активного потоку еліптичної, параболічної та гіперболічної форм надзвукової частини в діапазонах початкового тиску Р01 = 6–20 бар та тиску на виході з сопла Ра = 0,3–1 бар. Теоретичне дослідження процесів пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною проводилось за допомогою створеної автором методики та програми розрахунку на основі пропонованої теплофізичної моделі, створеної автором були одержані залежності зміни тиску та швидкості закипаючого потоку вздовж надзвукової частини сопла. В результаті математичного моделювання рідинно-парового струминного апарату з профільованою надзвуковою частиною параболічної, гіперболічної, еліптичної форм та форми, розрахованої за формулою Вітошинського в програмному комплексі Ansys CFX було одержано розподіл термодинамічних та режимних параметрів по довжині сопла активного потоку. В результаті цього аналізу було визначено коефіцієнти швидкості сопл з профільованою надзвуковою частиною, які знаходяться на рівні 0,915-0,987. Оптимальною геометричною формою надзвукової частини сопла можна вважати параболічну, для якої коефіцієнт швидкості знаходиться на рівні 0,93-0,987. Експериментальне дослідження РПСА дало змогу підтвердити механізм пароутворення в соплах активного потоку з профільованою надзвуковою частиною. Ділянка камери змішування за соплом активного потоку була виконана з прозорого матеріалу, що дозволило чітко визначити положення перерізу сопла, в якому відбувається відрив потоку від стінок каналу. Також завдяки цьому відбувалося дослідження режимних та енергетичних параметрів струменя робочого потоку на виході з сопл різної геометричної форми, а саме еліптичної, параболічної та гіперболічної. В результаті проведеного експериментального дослідження було визначено коефіцієнти швидкості сопл на різних режимах роботи. Під час аналізу результатів експериментальних досліджень підтверджено вплив геометричних параметрів сопла активного потока на показники ефективності процесу пароутворення робочого струмення, а саме форми його надзвукової частини. Сопло параболічної форми дає змогу на всій довжині отримати значення константи пароутворення 𝑏! ≈ #2⁄3, що дає змогу стверджувати про однакову інтенсивність пароутворення по довжині каналу. Значення вихідних параметрів (швидкість менша на 30-40 м/с та масовий паровміст пари більше в середньому на 30-35 % порівняно з конічним соплом з прямими стінками) у вихідному перерізі сопла параболічної форми також говорять про кращу завершеність процесу пароутворення в ньому. Під час дослідження ефективності профілювання надзвукової частини сопл активного потоку можна стверджувати, що сопло параболічної форми на 4-6 % ефективніше, порівняно з конічним та гіперболічним, в діапазоні значень величини початкового відносного недогрівання (1 – e s0) = 0,2–0,45, про що свідчать одержані результати, подані на рис. 3.17. Водночас сопло еліптичної форми має найвищу ефективність серед всіх сопл, але лише у вузькому діапазоні значень величини початкового відносного недогрівання (1 – e s0) = 0,3–0,4. Сопло, розраховане за формулою Вітошинського експериментально недосліджувалось, оскільки одержані результати числового дослілдження показали його низьку ефективність, порівняно з іншими соплами. Вочевидь, така форма сопла буде прийнятною для іншого елекменту РПСА, а саме для камери змішування. Оцінювання ефективності РПСА з профільованою надзвуковою частиною сопл активного потоку проводилось з використанням ексергетичного методу термодинамічного аналізу, що дало змогу визначити ексергетичну ефективність цих апаратів. Для визначення економічного ефекту від впровадження РПСА застосовувався новітній метод оцінки вартісних показників, а саме – термоекономічний аналіз. В результаті було отримано значення досяжних показників ефективності на різних режимах роботи РПСА. Оцінювання ефективності застосування установок на базі РПСА з профільованою надзвуковою частиною сопл активного потоку було проаналізовано на прикладах теплонасосної системи для потреб опалення вакуумної системи охолодження для виробництва біодизельного палива та системи відведення продуктів згоряння з парогенераторів котельних установок. В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень були надані вказівки щодо вибору геометричних параметрів надзвукової частини сопла активного потоку РПСА при його застосуванні в термомеханічних системах. Аналіз розрахованих параметрів базових циклів і циклів із використанням агрегатів на базі РПСА, свідчить про перспективність пропонованих установок, оскільки за рахунок зниження термодинамічних параметрів робочої пари на вході в РПСА і значного спрощення конструкції та вартості основного устаткування досягається зменшення витрати робочої пари, підвищення рівня енергоефективності установок та підвищення екологчіної безпеки виробництв, де вони застосовуються. Підвищення ефективності установок, у яких використовується РПСА в середьому буде складати 1,5-2,5 рази.

The dissertation focuses on investigating the working process of the active flow nozzle in a liquid-vapor jet apparatus (LVJA), which operates based on the principle of jet thermocompression. The study explores the influence of the geometric parameters of the supersonic section of the active flow nozzle on the vaporization process to optimize its efficiency. In existing technological systems using steam jet apparatuses, the pressure increase of the passive flow occurs due to the energy of the working jet of the active flow. However, these systems have several significant drawbacks that limit their application and hinder structural improvements. These drawbacks mainly concern the limited pressure increase in steam jet apparatuses and the constant need for large quantities of working steam generation, which increases the number of auxiliary devices in the system. These disadvantages drive the search for alternative solutions, one of which could be the use of two-phase jet apparatuses. A promising alternative to improve efficiency and develop energy-efficient systems is the liquid-vapor jet apparatus, utilizing water as the working fluid. Water is a cost-effective working medium with high efficiency, possessing unique properties under specific conditions that make it suitable for LVJA applications. The efficiency of an LVJA, whose working process is based on jet thermocompression, primarily depends on the completion degree of the vaporization processes in the active flow nozzle. In such an apparatus, the working steam is generated inside the nozzle, specifically in its supersonic section, where subcooled working fluid undergoes relaxation vaporization. Consequently, the design of the active flow nozzle significantly affects both the efficiency of the apparatus and the entire system. The aim of this dissertation is to investigate the vaporization process in active flow nozzles with a profiled supersonic section, obtaining flow and energy characteristics that determine further ways to improve the efficiency of systems based on such apparatuses. The main content of the dissertation includes the improvement of a thermophysical model and calculation methodology for the LVJA with an active flow nozzle featuring a profiled supersonic section. The study determines the range of working fluid parameters in the active flow that allow for maximum efficiency during outflow through expanding channels. It also explores ways to enhance system efficiency and obtain flow and energy characteristics. The adequacy of the developed model is confirmed by experimental studies of LVJA with active flow nozzles of elliptical, parabolic, and hyperbolic supersonic sections within the initial pressure range of Р01 = 6–20 bar and an outlet pressure of Ра = 0,3–1 bar. Theoretical research on the vaporization processes in active flow nozzles with a profiled supersonic section was conducted using a methodology and calculation program developed by the author based on the proposed thermophysical model. The study established dependencies of pressure and velocity changes along the supersonic section of the nozzle. Mathematical modeling of the LVJA with supersonic sections of parabolic, hyperbolic, elliptical shapes, and a shape calculated using Vitoshinsky’s formula was carried out in Ansys CFX. The thermodynamic and operating parameters were distributed along the active flow nozzle’s length. This analysis determined that velocity coefficients of profiled supersonic nozzles range from 0.915 to 0.987, with the optimal supersonic section geometry being parabolic, having a velocity coefficient of 0.93–0.987. Experimental research on LVJA confirmed the vaporization mechanism in active flow nozzles with a profiled supersonic section. The mixing chamber section behind the active flow nozzle was made of transparent material, allowing for precise determination of the nozzle cross-section where the flow detaches from the channel walls. This transparency also facilitated the study of the operating and energy parameters of the working jet exiting nozzles of various geometries, specifically elliptical, parabolic, and hyperbolic. Experimental results determined the velocity coefficients of nozzles under different operating conditions. Analysis of experimental research results confirmed the influence of the active flow nozzle's geometric parameters on the efficiency of the vaporization process, particularly the shape of the supersonic section. The parabolic nozzle shape provides a constant vaporization rate throughout its length, with a vaporization constant 𝑏! ≈ #2⁄3, ensuring uniform vaporization intensity along the channel. The output parameters (velocity reduced by 30–40 m/s and an increased mass fraction of steam by 30–35% compared to a conical nozzle with straight walls) further confirm the improved vaporization process in the parabolic nozzle. Research on the effectiveness of profiling the supersonic section of active flow nozzles indicates that the parabolic nozzle is 4–6% more efficient than conical and hyperbolic nozzles in the relative initial subcooling range of (1 – e s0) = 0.2–0.45. However, the elliptical nozzle demonstrates the highest efficiency among all tested nozzles, though only in a narrow subcooling range of (1 – e s0) = 0.3–0.4. The nozzle designed using Vitoshinsky’s formula was not experimentally studied due to its lower efficiency compared to other nozzles, as revealed by numerical investigations. This shape may be more suitable for another LVJA element, specifically the mixing chamber. The efficiency of LVJA with a profiled supersonic active flow nozzle was evaluated using the exergy method of thermodynamic analysis, which allowed for the determination of the exergy efficiency of these devices. To assess the economic benefits of implementing LVJA, an advanced cost evaluation method, namely thermoeconomic analysis, was applied. This analysis provided achievable efficiency indicators for different LVJA operating conditions. The feasibility of using LVJA-based systems with profiled supersonic active flow nozzles was analyzed in applications such as a heat pump system for heating, a vacuum cooling system for biodiesel production, and a flue gas removal system for steam generator boiler installations. Theoretical and experimental research provided recommendations for selecting the geometric parameters of the supersonic section of active flow nozzles in LVJA for thermomechanical systems. Analysis of the calculated parameters of basic and LVJA-integrated cycles confirms the potential of these systems. By lowering the thermodynamic parameters of the working steam at the LVJA inlet and significantly simplifying the structure and reducing equipment costs, steam consumption decreases, energy efficiency improves, and the environmental safety of industrial applications increases. The efficiency improvement of installations utilizing LVJA is expected to be 1.5–2.5 times.