Вплив шорсткості робочої поверхні сопла лаваля на параметри газового потоку
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2024-283-3-31-37Ключові слова:
газова суміш, нафтогазова галузь, цементна галузь, охолодження, сопло Лаваля, число Маха, температура газуАнотація
Охолодження газових сумішей широко використовується у різноманітних технологічних процесах в хімічній, нафтогазовій, цементній та інших галузях. Існує доволі багато різних способів охолодження, проте вони є енергозатратними, вимагають великогабаритного та складного обладнання тощо. Одним із найменш енергозатратних є – спосіб охолодження газу за допомогою сопла Лаваля. У статті розроблено тривимірну модель сопла Лаваля та за допомогою імітаційного моделювання досліджено вплив шорсткості внутрішніх поверхонь на його роботу. При цьому було враховано склад димових газів, їх температуру, тиск та витрату на вході у сопло і тиск та температуру на виході з нього. Для дослідження застосовано параметричне дослідження, а саме "аналіз можливих варіантів", що реалізується у програмі FlowSimulation, що є модулем програми SolidWorks. Застосування параметричного дослідження дозволило змінювати декілька параметрів (об’ємну витрату газу на вході у сопло та шорсткість внутрішньої поверхні сопла) для аналізу вибраних параметрів потоку, заданих як цілі (температуру газової суміші, число Маха). З метою підвищення точності отримуваних результатів імітаційного моделювання проведено оптимізацію сітки скінченних елементів так, що найдрібніші елементи розташовані найближче до поверхонь сопла, з якими контактує газовий потік. У результаті імітаційного моделювання встановлено, що найбільше зниження температури газової суміші досягається за числа Маха близькому 3. При подальшому збільшенні витрати газової суміші її мінімальна температура залишається майже незмінною. Збільшення шорсткості внутрішніх поверхонь сопла призводить до незначного підвищення температури. Використання розробленої конструкції сопла Лаваля для охолодження димових газів виробництв можливе також і за чисел Маха, що є значно нижчими 3. При цьому дещо підвищиться температура на виході з нього, але зменшиться тиск на його вході. Це є доцільним використанням сопла із врахуванням особливостей технологічних процесів на виробництві, оскільки можна використовувати менш вартісне обладнання для подачі газової суміші (не використовувати складні та дорогі компресори), або взагалі за можливості відбирати газову суміш із трубопроводу вже із необхідним тиском.
Посилання
1. Патент на корисну модель № 152837, Україна,В03С 3/02. Спосіб виділення рідини і механічнихчастинок з газового потоку / Крижанівський Є.І.(UA); Лях М. М. (UA); Михайлюк В. В. (UA); Маковійчук М.В. (UA); Кучірка Ю.М. (UA);Витриховський Є.А. (UA) – u202200306; Заявл.25.01.2022; Опубл. 19.04.2023, Бюл. № 16. 4 с.
2. Довідник з ресурсоефективного та чистого виробництва. цементна промисловість/ С. В.Плашихін. К.: Центр ресурсоефективного та чистого виробництва, 2020. 96 с.
3. Cai, Y., Liu, Z., & Shi, Z. (2017). Effects ofdimensional size and surface roughness on serviceperformance for a micro Laval nozzle. Journal of Micromechanics and Microengineering, 27.https://doi.org/10.1088/1361-6439/aa6552.
4. Vlassov, D., Vargas, J., & Ordonez, J. (2007). The optimization of rough surface supersonic nozzles. Acta Astronautica, 61, 866-872. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2007.01.068.
5. Cai Y, Liu Z, Shi Z, Song Q, Wan Y. Optimum endmilling tool path and machining parameters for microLaval nozzle manufacturing. Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers, Part B: Journalof Engineering Manufacture. 2017;231(10):1703-1712. doi:10.1177/0954405415608601
6. Chen M, Baby R, Dillard S, Lee YT and Ekkad S(2022) Design and test a converging and de Laval nozzle using additive manufacturing. Front. Aerosp.Eng. 1:951987. doi: 10.3389/fpace.2022.951987
7. Лях М.М., Михайлюк В.В., Яцишин Т.М., Витриховський Є.А. (2022). Дослідження впливу геометричних параметрів сопла Лаваля на зміну температури потоку газу. Прикарпатський вісник наукового товариства імені Шевченка. Число,17(64), 108-117. https://doi.org/10.31471/2304-7399-2022-17(64)-108-117
8. Flow Simulation. 2020. Technical ReferenceSolidWorks Flow Simulation 2021.https://www.cati.com/wpcontent/uploads/2021/04/swflow2021-technicalreference.pdf (Accessed: 29 May 2024).