Вплив шорсткості робочої поверхні сопла лаваля на параметри газового потоку

Анотація

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.