超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
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超音速低温旋流分离器拉瓦尔喷管流场数值分析
康勇
【摘要】Aim By analyzing the flow field of the Laval-nozzle, a core component of the supersonic low-temperature swirling gas-water separator, for improving the efficiency of gas-water separation, its theoretic research foundation is established. Methods Based on the principle of flow field numerical analysis and with aid of softer ware CFD, a number of physical factors influencing the fluid movement have been found. Results It is significant to influence the flow field by changing relative sizes of its each segment, including the determination of the critical section , simplification of the model of the gas flow and energy loss. Conclusion The conclusion is that the key to realize the low-temperature flow field of gas-water separation is the flow speed through the throat of the Laval-nozzle of gas-water separator must be twice as a Mach number or more.%目的通过对超音速低温旋流分离器的核心部件-拉瓦尔喷管内部流场的数值分析,达到奠定提高气液分离器工作效率的理论研究基础的目的.方法通过对流场的理论数值分析,并借助于CFD软件,找到了喷管流场内各物理参数的变化规律.结果发现拉瓦尔喷管各段尺寸的相对数值大小对流场的变化影响很大,包括临界截面的确定、简化气体的流动模型及能量损耗.结论由此得到,当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时,即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键.
【期刊名称】《西北大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2011(041)004
【总页数】5页(P593-597)
【关键词】拉瓦尔喷管;超音速;低温;旋流分离器
【作者】康勇
【作者单位】西安石油大学机械工程学院,陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】TE868
由此得到,当拉瓦尔喷管的喉部气体流速度达到或超过音速时,即气液分离段的速度达到两个或两个以上马赫数是形成低温气液分离流场的关键。
超音速低温旋流分离器可以完成气液分离的作用,即具有气体的脱水功能。
它利用了冷凝法与离心沉降法相结的合脱水方法,就目前研究与应用的效果来看,在天然气处理中有着重要的深远意义。
这种新型的脱水器与目前普遍使用的传统型气液分离装置系统相比有着本质的区别。
它体积小、不需提供热源及化学剂、可以在各种恶劣环境下连续使用等多种优点,是一种全新概念模式的轻便型气体干燥设备。
因为不用任何化学剂,因而不会造成任何环境污染,同时不使用大型的设备,即无需外形庞大的气液分离塔,防冻剂处理装置等,故体积大大减小。
除了不使用化学试剂污染环境外,又因为它是在全封闭的环境下工作,限制了介质的泄漏,也保证了介质本身造成的污染,因而不会造成任何环境污染。
同时运行成本很低,便于操作及维修,仅利用原有气体能量或补充少量的能量,就可以达到气体脱水的目的。
因为对于高压气体,在实际工作中,经常需要将其进行节流降压,以满足实际管输的工艺条件的要求,就为能更好地利用这种脱水装置提高的一个基本条件,既满足了
工艺条件,又完成了脱水过程[1]。
这种脱水装置所处理的气体种类广泛,除适用于天然气的脱水外,还可以对难以用传统方法进行处理的乙烷,二氧化碳气体以及硫化氢等气体进行脱水处理。
目前,常用的膨胀制冷脱水主要是节流制冷,透平膨胀机制冷、热分离机制冷及气波制冷等方法,均有各自的优缺点,而利用高速低温膨胀制冷技术为气液分离方法提供了一个新的技术手段。
目前,这种分离器尚未广泛的使用,仍处在实验研究阶段,其中拉瓦尔分管就是该高速低温旋流分离器的核心部件。
本文主要对该部件的理论数值设计进行研究。
环境在同样处理量及压降的情况下,该装置的处理介质温降要大于焦耳-汤姆逊低温分离机的温降,提高了气液分离效率。
通过实验可知,当处理气体压力为10 MPa、温度为40℃时,在得到相同的压降(30%)情况下,焦耳-汤姆逊低温效应
温降不到高速低温膨胀制冷的一半,故后者的温降效率远远高于前者[2-3]。
要达到上述效果的关键部件,即实现气体温度迅速降低,速度速迅提高,形成气体脱水的必要条件,就是利用了超音速低温气液分离器的核心部件——拉瓦尔喷管
的气体动力学的原理,将天然气气体在其中加速运动达到超音速气流。
此时,气体的压强和温度都会降低,特别是温度会降到与那远低于露点的温度,这种非常低的温度可帮助气体达到始凝点,形成水蒸气和较重的碳氢化合无的冷凝物。
由于冷凝物形成更的时间与通过管子的时间很短,所以它没有机会形成水合结晶物以阻碍流动和堵塞出管道。
所需达到的状态为在进行气液分离时,拉瓦尔喷管的喉部气流马赫数为1,喉部上游为亚声速气流,下游为超音速气流,气液分离处的气流马赫数为2,喉部是集合尺寸的最小截面,也恰是临界截面,气体的流动性质大大的简化。
本文通过数值计算对拉瓦尔喷管的设计及气体如何最大限度降温进行研究。
在喷管中气流状态的变化,主要决定于管道截面的变化。
因此,要控制气流按一定的规律变化,就必须使喷管具有一定的形状。
假定喷管的形状不致于产生压缩波的聚集,那么通过音速的加速过程就能很光滑地(无激波)进行。
如果气体在最小截面
处能达到最大流速,气流进入喷管的扩张部分,流速将继续增加,因而出现了超音速的气流。
合理的管道截面积变化规律对于喷管的效率影响极大。
拉瓦尔喷管包括3部分:稳定段、亚音速收缩段、喉部、超音速扩张段(如图1所示),每一部分都要按空气动力学的原理进行严格设计[4]。
马赫数Ma是决定拉瓦尔喷管截面积、压力、气体密度以及流量变化的重要因素,因此在设计过程中,可以把马赫数Ma作为喷管设计的一个主要参数。
根据马赫
数与截面积之间的关系可以导出喷管的曲线方程。
在等熵绝能流动中气流的总参数保持不变,可以用滞止参数来研究该流场中的变化规律
式中:T*(K)为气流的滞止温度;T(K)为气体的静温;Ma为马赫数;k为绝热指
数;p*(MPa)为滞止压力;p(MPa)为静压;ρ*(kg/m3)为总密度;ρ(kg/m3)为静密
度;a*(m/s)为滞止音速;a(m/s)为当地音速。
由式(1-3)可以看出,对拉瓦尔喷管,当Ma<1时,随着马赫数的增大,流体的
温度、压力和密度都降低;当Ma>1时,随着马赫数的增大,流体的温度、压力和密度也降低,以实现流体的膨胀减压增速[5]。
2.1.1 稳定段长度的确定稳定段的目的是使进入喷管的气流均匀,是收缩段的前提。
稳定段的直径和喉部的直径有关,理论上说二者比值越大越好。
稳定段的长度需要有足够的长度才能保证来流均匀,一般可取稳定段长度是喉部直径的10倍左右。
但是在实际设计中稳定段的尺寸还需实际情况有所变动。
2.1.2 喉部直径的确定喉部是气流从亚音速转变为超音速的过渡段,这一段在整个喷管设计中比较重要,该段曲线变化不能太快,因此需选用一段圆弧作为过渡曲线[5-6]。
口喉部截面积决定于气体流量,在饱和蒸气时,喉部直径计算方法为
式中:G,㎏/h为气体流量;p,MPa为绝对压力。
取喉部直线长度l0=3~5mm,喷嘴出口直径d1=C'd0,其中C'为决定于膨胀比
E的常数。
实践表明,喷嘴出口截面对效率影响很大。
过大则气流过度膨胀,产生
冲击波,降为亚声速,效率显著的降低,过小,则气体膨胀不足,气流离开喷嘴后还继续膨胀,也引起能量损失,但比过度膨胀时要小。
实验表明,出口截面积应小于理论计算值,以免产生过度膨胀,一般为理论计算值的70%~80%。
喷嘴入口直径d可按流速10~30m/s选取。
2.1.3 收缩段长度的确定亚音速收缩段的作用是加速气流,同时要保证收缩段的出口气流均匀、平直而且稳定.收缩段的性能取决于收缩段进口面积和出口面积的比值及收缩段曲线形状。
收缩段的设计方法有多种。
入口锥管的半锥角α1一般选取比较大,同时从收缩段到喉口过渡部分用同一个大致不变的曲率半径,其曲率半径稍大于喉口半径就可以了,这样做的目的是为了使过渡非常光滑和平缓。
则收缩段长度
2.1.4 扩张段长度的确定扩张段半顶角α2(如图2所示)的适用范围一般采用较小的角度。
因为扩张角太大,在喷头出口处产生的激波比较严重,导致射流扩散比较快;扩张角太小,则超音速通道很长,附面层过厚和产生压力损失。
从喉口到扩张段的过渡应该非常光滑和平缓。
现实的办法是喉口到扩张段的过渡处,采用同一个大致不变的曲率半径。
从扩张段到喷头端面相交处有一小的曲率半径为好,大的曲率半径会使天然气射流不稳定,减少其穿透能力。
扩张段长度的计算式为
由气体动力学函数公式,可以得出出口截面上气流的压强
这样令p1=pe,其中称为速度系数,a*为当地音速。
则
式中Me为减前马赫数。
温度关系为
此处温度
式中:T0,(K)为入口处温度;Te,(K)为出口处温度;k为绝热指数,取1.33。
超音速旋流器处理流量3 kg/s,进气压力10MPa,气体入口出温度20℃,天然
气的主要成分为甲烷(CH4),取其密度为0.579 9 kg/m3。
利用上面给出的计算方法得到计算结果:扩张段出口压强Pe为0.65MPa,扩张段
出口温度Te为-96.5℃。
由此可以看出气体的温度远远低于其露点温度-10℃,故此时的结构设计是可行的。
按照此方法设计的喷管线性图如图3所示。
分别计算扩张段出口直径分别为14,16,18mm时计算结果见图4、图5及图6。
当改变喷管扩张段出口直径后,由以上3图可以看出:就压力而言,这3种直径对
分离器内部压力变化影响不大,只是最低压力和出口恢复压力情况不同。
随着直径的增大压力也在增大,出口恢复压力同时在减小,可以看出,当出口直径为
18mm时,出口压力仅为入口压力的68%。
对于温度而言,整体来说温度变化趋势也基本一致,即随着直径的增大,温度同时在上升。
当出口直径为18mm时,最低温度已经不满足气液分离的条件了。
对于速度变化情况,当出口直径分别为
14mm,16mm,18mm时,它们进入分离旋流段时的速度分别为380m/s,
350m/s,300m/s。
说明随着直径增大的同时速度在降低,说明分离效率也在降低。
当直径为18mm时,其速度已达不到马赫数,所以该直径下几乎不起分离作用。
综上分析,扩张段出口直径对分离器的分离效果有明显的作用,随着直径的增大,气流压力和温度都在上升,速度下降,这种变化趋势不利于分离器的正常工作,使高速旋流分离器的分离效率降低。
由以上分析得出,选择扩张段出口直径为
14mm时相对更为有利。
图7给出的是利用Fluent做出的速度、压力及温度关系图和管内气体流动状态分布情况[7]。
用不同颜色或深浅程度表示了在不同载面上温度、压力及速度的大小变化的分布情况。
通过对高速气流实验型分离器的参数计算机仿真和数值分析,可以得出气体经过气拉瓦尔喷管段中得到充分地膨胀使其流速迅速提高,而压力及温度迅速下降。
流速变化由Ma<1迅速达到Ma≥1的状态,气体温度降低了约50℃。
由于温度的迅速降低,在低温下形成了雾状凝液,使气体的溶解度大大降
低,将原来溶解于气体中的重组分游离出来,对于天然气来说,分离出来的这种凝液主要是水和重的碳氢化合物的混合物。
1)采用该设计方法,可以看出拉瓦尔喷管出口温度达到-96.5℃,远远低于要求出口温度-10℃,并能顺利进入旋流分离段,说明该设计方法是可行的。
2)拉瓦尔喷管扩张段出口直径是影响超音速分离器工作性能的关键因素,对分离器内部流动特性有重要影响。
3)要获得超音速低温流要有两个条件,必要条件是喷管必须具备截面先缩小后扩张;充分条件是喷管的入口和出口截面之间保持一定的压力差。
4)利用计算机流体力学软件(CFD)的分析验证,说明数值分析与计算机多相流模型计算的一致性,在定性与定量分析上得到了满意的结果。
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