Вплив режимних і геометричних параметрів камери змішування на ефективність рідинно-парового струминного апарату

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної задачі, пов’язаної з підвищенням ефективності робочого процесу камери змішування рідинно-парового струминного апарату (РПСА), який працює за принципом струминної термокомпресії шляхом профілюваня її проточної частини, дослідженню впливу термодинамічних параметрів і характеристик активного і пасивного потоків на процес змішування. Проведено роботу над аналізом сучасних методик розрахунку обладнання, яке працює на базі двофазних апаратів, за для забезпечення зростання ефективності сучасних тепломеханічних систем у складі рідинно-парового струминного апарату. Для проведення експериментальних досліджень було розроблено математичну модель та удосконалення методики розрахунку рідинно-парового струминного апарату з камерою змішування для підвищення ефективності систем на основі таких апаратів і одержанням витратних та енергетичних характеристик. Основою вхідних параметрів було взято діапазон початкових параметрів робочої рідини з сопла активного потоку профільованої дифузорної частини , при яких досягається максимальна ефективность її витікання через канали та початкові параметри робочого середовища пасивного потоку на вході у камеру змішування. В першому розділі, у межах дослідження було виконано аналіз сучасних методик розрахунку двофазних струминних апаратів, в яких визначили, що процеси змішування двофазних потоків залежать від фізичних параметрів середовищ та геометричних характеристик камери змішування, де одним з важливих факторів є температура 370–450 К, відносна вологість 30–50%, склад пасивного потоку, а також тиск і швидкість фази. Також було визначено, що при змішуванні води і пари спостерігаються конденсаційними явища, які впливають на зміну енергетичного балансу суміші потоків на виході з апарату, а при оптимальній довжині камери змішування відносно діаметра камери забезпечується ефективний масообмін і мінімізація витрат енергії. Профілювання стінок камери змішування дозволяє покращити динаміку потоків та зменшити турбулентні втрати зі стабілізацією змішування, а оптимальний кут розкриття камери змішування значно підвищує ефективність процесу ежекції. Була обґрунтована необхідність побудови нової математичної моделі, що враховує специфіку змішування активного та пасивного потоків у камері з профільованою геометрією. В основу числового моделювання покладено діапазон реальних параметрів робочих середовищ, які забезпечують найбільшу ефективність витікання активного потоку з сопла та втягування пасивного середовища у змішувальну зону. Визначено критичні геометричні характеристики, зокрема конфігурацію змішувальної камери, кут конфузорності, довжину та форму її профілювання. Результати перевірені за допомогою програм з 3D моделювання, які дали змогу візуалізувати характер зміни потоку та його параметрів, під час роботи змішувальної камери, визначено оптимальні режими роботи фізичного експерименту У другому розділі на основі розробленої математичної моделі робочого процесу камери змшування профільованої геометричної форми з використанням CFD-методів проведено числове дослідження впливу геометрії камери змішування на базі техніко-енергетичних характеристик рідинно-парового струминного апарата. Аналізуючи результати числового дослідження впливу геометричних параметрів камер змішування було встановлено низку закономірностей, які мають практичне значення для оптимізації їхньої конструкції. Застосовано моделі турбулентності (k–ε), а також методику Ейлера–Лагранжа для вивчення руху дискретних частинок та конденсаційних процесів у зоні змішування. Отримано просторові поля тиску, швидкостей та паровмісту, які дозволили визначити закономірності формування ефективного струменя та зони інтенсивного масообміну. Також було визначено оптимальні режими роботи фізичного експерименту.Результати моделювання підтвердили доцільність застосування профільованих камер змішування еліптичної, параболічної, гіперболічної та за формулою Вітошинського та показало, що найбільш ефективною є параболічна форма, яка забезпечує найвищі значення коефіцієнта швидкості (φ₃ = 0,892–0,943), які є вищими за показники конічної камери змішування, ступінь перевиробництва пари (ψ₃ = 1,2–1,8) при цьому перебуває в широкому діапазоні, що дозволяє гнучко налаштовувати робочі режими. Коефіцієнт інжекції (u = 0,028–0,036) перевищує значення для конічної камери, хоч і поступається еліптичній. Водночас, за сукупністю всіх параметрів еліптична форма демонструє нижчу загальну ефективність. Також було визначено що, при зменшенні кута конфузорної частини відбувається зниження ступеня підвищення тиску пасивного потоку. Найбільш ефективним у цьому аспекті є кут конфузорності 7°, при якому спостерігається максимальне підвищення тиску. При зменшенні довжини камери змішування також знижується швидкість змішаного потоку у вихідному перерізі, що свідчить про недостатній час для повноцінного змішування. Камери з кутом конфузорності 2–5° та циліндричні конфігурації демонструють роботу в режимі вакуумування без суттєвого підвищення тиску. Також при огляді математичної моделі конічної камери змішування було визначено що, при зменшенні кута конфузорності спостерігається зменшення швидкості змішаного потоку, це дозволяє збільшити час перебування суміші в активній зоні та, сприяти кращому перемішуванню активного та пасивного потоку. Найбільш ефективними за профілем швидкості є параболічна камера змішування, в якій максимальна швидкості досягається на 1/3 довжини, а далі процес триває при майже сталих швидкостях. Також огляд математичної моделі дав визначити, що при зменшенні довжини камери змішування відбувається зростання масового паровмісту у потоці. Це свідчить про неповне змішування та часткове перевиробництво пари. Оптимальні значення паровмісту (0,03–0,035 кг/кг) досягаються в камері змішування параболічної форми та в КЗ з геометрію профілювання за формулою Вітошинського. В третьому розділі описується експериментальна частина яку виконано на лабораторному стенді в лабораторії кафедри ТТФ, СумДУ. Установку сконструйовано з урахуванням гнучкості конфігурацій змішувальної камери та можливості здійснення прямих і непрямих вимірювань. Отримано експериментальні значення тиску , температури в контрольних перерізах та масової витрати, з параметрів яких розраховано коефіцієнт інжекції (u), швидкості (φ₃), ступеня перевиробництва пари (ψ₃), які дозволили провести порівняння з числовими результатами та верифікувати математичну модель. На основі аналізу різних геометричних форм профілювання змішувальної камери (еліптична, параболічна, гіперболічна, за формулою Вітошинського, та конічна) встановлено, що найкращі експериментальні показники ефективності досягнуті у геометричному профілю параболічної камери змішування, які підтверджені результати математичних розрахунків: φ₃33 = 0,93–0,96 3 = 1,25–1,74, u = 0,029–0,035. Дана камера змішування демонструє стабільно високий ступінь підвищення тиску та помірне перевиробництво пари, що робить її найбільш ефективною серед досліджених профілів геометричних форм. Еліптичний профіль камери змішування характеризується найширшим діапазоном коефіцієнта інжекції u = 0,026–0,042, однак поступається параболічному профілю за іншими параметрами: φ₃ = 0,91–0,93, ψ₃ = 1,2–1,3. Досліди над гіперболічним профілем камери змішування показали стабільні результати в межах: φ₃ =0,87–0,92, ψ₃ =1,2–1,49 ,u =0,028–0,034. Камера змішування геометричної форми за формулою Вітошинського підтвердила точність моделі: φ₃ =0,87–0,93 ψ₃ =1,2–1,3, u =0,029–0,035. Проте її ефективна зона роботи є обмеженою у порівнянні з параболічною формою. Також встановлено, що зменшення кута конфузорної частини до 7° сприяє підвищенню тиску пасивного потоку, тоді як надмірне зменшення кута чи довжини змішувальної камери призводить до неповного змішування та зростання паровмісту за граничні межі. Експериментальні показники роботи рідинно-парового струминного апарату підтвердили достовірність математичної моделі та доцільність використання профілювання камер змішування різної геометричної форми. У четвертому розділі увагу було приділено термодинамічному, ексергетичному та термоекономічному аналізу РПСА у складі різних енергетичних систем. У складі конденсаційної установки паротурбінного циклу використання РПСА дозволяє досягти ексергетичної ефективності на рівні 0,713, що у 2,3 рази перевищує показники традиційного двоступеневого пароструминного апарату. У системах індивідуального опалення ексергетична ефективність РПСА досягає 0,287, що в середньому у 1,5 рази вище порівняно з традиційними тепловими насосами. У випарних установках (наприклад, для згущення молока) впровадження РПСА дозволяє зменшити споживання пари у 2,25–4,1 рази, перейти від двокорпусної до однокорпусної схеми та підвищити ефективність у 1,44–2,67 рази. Термоекономічна оцінка підтверджує економічну доцільність впровадження РПСА. Середньорічна економія витрат на паливо становить 704,28 у. о. для конденсаційних установок та 706,56 у. о. — для теплонасосних систем. Питома вартість одиниці продукту зменшується до 51 % у випадку паротурбінної установки та на 26,3 % — у теплонасосній. Для випарних установок загальна економія становить близько 25,9 %. У підсумку, результати числового й експериментального моделювання, а також техніко-економічного обґрунтування, доводять, що удосконалення змішувальної камери шляхом профілювання її геометрії є дієвим засобом підвищення ефективності рідинно-парових струминних апаратів. Застосування РПСА у складі сучасних теплоенергетичних систем дозволяє досягти суттєвого зниження енергоспоживання, підвищення ексергетичної ефективності та економічної рентабельності технологічних процесів, що визначає високий потенціал подальшого розвитку цього напряму.

The dissertation is dedicated to solving a scientific and applied problem related to increasing the efficiency of the working process in the mixing chamber of a liquid–vapor jet apparatus (LVJA), which operates on the principle of jet thermocompression. The study focuses on profiling the flow path of the mixing chamber and investigating the influence of thermodynamic parameters and characteristics of the active and passive flows on the mixing process. A comprehensive analysis of modern calculation methodologies for equipment based on two-phase jet devices was conducted to ensure improved efficiency of current heat-mechanical systems incorporating LVJAs. For experimental research, a mathematical model was developed and a calculation methodology for the LVJA with a mixing chamber was improved to enhance the efficiency of systems using such devices and to obtain flow and energy characteristics. The input parameters were based on the range of initial conditions for the working fluid exiting the nozzle of the active flow in the profiled diffuser section, at which the maximum efficiency of flow through the channels is achieved, as well as the initial parameters of the passive flow medium at the mixing chamber inlet. Chapter 1 presents an analysis of modern methods for calculating two-phase jet devices, revealing that the mixing processes of two-phase flows depend on the physical parameters of the media and the geometric characteristics of the mixing chamber. Among key influencing factors are temperature (370–450 K), relative humidity (30–50%), the composition of the passive flow, pressure, and phase velocity. It was found that during water–steam mixing, condensation phenomena occur, which alter the energy balance of the flow mixture at the apparatus outlet. Effective mass transfer and minimized energy losses are achieved when the chamber length-to-diameter ratio is optimal. Profiling the chamber walls improves flow dynamics, reduces turbulent losses, and stabilizes mixing, while the optimal opening angle significantly enhances ejection efficiency. The necessity of constructing a new mathematical model that considers the specific nature of active and passive flow mixing in a profiled geometry chamber was substantiated. The numerical modeling was based on a range of real operating parameters that ensure the highest efficiency of the active jet outflow and passive medium entrainment. Critical geometric characteristics were determined, including the chamber configuration, convergence angle, length, and profiling shape. The results were verified using 3D modeling software, which enabled visualization of flow behavior and parameter variation during chamber operation, as well as identification of optimal conditions for physical experiments. Chapter 2 presents a numerical study of the effect of mixing chamber geometry using CFD methods based on the developed mathematical model for a profiled mixing chamber. The study analyzed technical and energy characteristics of the LVJA. The influence of chamber geometric parameters revealed several practical patterns valuable for design optimization. Turbulence models (k–ε) and the Euler–Lagrange method were employed to analyze discrete particle motion and condensation processes. Spatial distributions of pressure, velocity, and vapor content were obtained, revealing zones of effective jet formation and intense mass transfer. Simulation results confirmed the feasibility of using profiled mixing chambers of elliptical, parabolic, hyperbolic, and Vitoshynskyi-form geometries. The parabolic shape proved most effective, providing the highest velocity coefficient values (φ₃ = 0.892–0.943), surpassing those of conical chambers. The steam overproduction ratio (ψ₃ = 1.2–1.8) was broad enough to allow flexible operational tuning. The injection coefficient (u = 0.028–0.036) was higher than for conical chambers but slightly lower than for elliptical ones. Overall, the parabolic chamber exhibited the best performance. It was also found that decreasing the convergence angle reduces the pressure rise in the passive flow, with the optimal angle being 7°, where the maximum pressure increase occurs. Reducing the chamber length lowers the velocity of the mixed flow at the outlet, indicating insufficient mixing time. Chambers with 2–5° convergence angles and cylindrical configurations operated in vacuum modes without significant pressure gain. For conical chambers, a smaller convergence angle decreased flow velocity, allowing more residence time and better mixing. The parabolic chamber demonstrated the most favorable velocity profile, with peak velocity reached at 1/3 of the length, followed by near-uniform velocities. Additionally, shortening the chamber led to increased vapor content in the flow, indicating incomplete mixing and partial overproduction of steam. Optimal vapor content (0.03–0.035 kg/kg) was achieved in parabolic and Vitoshynskyi-profile chambers. Chapter 3 describes the experimental part conducted on a laboratory test rig at the Thermal and Technical Physics Department of Sumy State University. The setup was designed with flexible mixing chamber configurations and capabilities for direct and indirect measurements. Experimental values of pressure, temperature at control sections, and mass flow rate were obtained. From these, injection coefficient (u), velocity coefficient (φ₃), and steam overproduction ratio (ψ₃) were calculated, enabling comparison with simulation data and verification of the mathematical model. An analysis of various chamber profile geometries (elliptical, parabolic, hyperbolic, Vitoshynskyi-form, and conical) showed the best performance for the parabolic shape, consistent with the modeling results: φ₃ = 0.93–0.96, ψ₃ = 1.25–1.74, u = 0.029–0.035. It demonstrated a consistently high pressure gain and moderate steam overproduction, making it the most efficient. The elliptical profile had the widest injection coefficient range (u = 0.026–0.042) but was inferior in other metrics: φ₃ = 0.91–0.93, ψ₃ = 1.2–1.3. The hyperbolic profile yielded stable results: φ₃ = 0.87–0.92, ψ₃ = 1.2–1.49, u = 0.028–0.034. The Vitoshynskyi-form profile confirmed model accuracy (φ₃ = 0.87–0.93, ψ₃ = 1.2–1.3, u = 0.029–0.035), but its effective operation range was narrower than the parabolic one. Reducing the convergence angle to 7° enhanced passive flow pressure, while excessive angle or length reduction led to incomplete mixing and vapor content exceeding design limits. The experimental data confirmed the validity of the mathematical model and the effectiveness of using profiled mixing chambers of various geometries. Chapter 4 focuses on the thermodynamic, exergetic, and thermoeconomic analysis of the LVJA in different energy systems. In a steam-turbine cycle's condensation system, the LVJA achieved an exergetic efficiency of 0.713, 2.3 times higher than that of a traditional two-stage steam ejector. In individual heating systems, exergetic efficiency reached 0.287, 1.5 times higher than typical heat pumps. In evaporative systems (e.g., for milk concentration), the LVJA reduced steam consumption by 2.25–4.1 times, enabling a shift from two-body to single-body configurations and increasing efficiency by 1.44–2.67 times. Thermoeconomic evaluation confirmed the economic feasibility of implementing LVJAs. The average annual fuel cost savings amounted to 704.28 USD for condensation systems and 706.56 USD for heat pump systems. The specific cost of output decreased by 51% in steam turbine installations and by 26.3% in heat pump systems. For evaporative plants, total savings reached approximately 25.9%. In conclusion, the results of numerical and experimental modeling, along with the techno-economic justification, demonstrate that enhancing the mixing chamber by profiling its geometry is an effective method for improving the performance of liquid–vapor jet apparatuses. Integrating LVJAs into modern thermal energy systems enables significant energy savings, increased exergetic efficiency, and improved economic viability of technological processes, highlighting a strong potential for further development in this field