Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση διφασικής ροής σε παθητικό σύστημα διαχωρισμού με αγωγούς μικρής διαμέτρου και ενσωματωμένη διακλάδωση τύπου Τ διαφόρων προσανατολισμών και γεωμετρικών διαμορφώσεων
Authors: Μακρυγιάννης Γεώργιος 
Published: September 2021

Η πολυπλοκότητα που χαρακτηρίζει την περιγραφή της πολυφασικής ροής, και ειδικότερα το φαινόμενο διαχωρισμού διφασικής ροής υγρού-αερίου, σε συνδυασμό με το ευρύ φάσμα εφαρμογών της, αλλά και τα σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η υιοθέτηση της εναλλακτικής μεθόδου διαχωρισμού με χρήση διακλαδώσεων τύπου Τ, έναντι ή συμπληρωματικά των συμβατικών βαρυτικών ή/και φυγοκεντρικών μεθόδων, αποτέλεσαν τους παράγοντες καθορισμού του αντικειμένου και των στόχων της παρούσας έρευνας. Το σημαντικό πλεονέκτημα, ωστόσο, του φυσικού διαχωρισμού που συντελείται στις φάσεις ενός διφασικού (ή πολυφασικού εν γένει) μίγματος στην περιοχή της διακλάδωσης τύπου Τ, συνεπάγεται, επίσης, την άνιση κατανομή τους στους επιμέρους κλάδους της διακλάδωσης, γεγονός που επηρεάζει τόσο την απόδοση διαχωρισμού, όσο και τη λειτουργία του κατάντη εξοπλισμού, ενώ αποτελεί συνάρτηση της δράσης πλήθους παραμέτρων. Έτσι, η μελέτη που υλοποιήθηκε στην παρούσα έρευνα αποσκοπούσε στη διερεύνηση της επίδρασης του υιοθετούμενου προσανατολισμού της διακλάδωσης τύπου Τ ή/και της μείωσης της διαμέτρου του πλευρικού της βραχίονα, για ένα ευρύ φάσμα ροϊκών συνθηκών, σε σημαντικές παραμέτρους που διέπουν το φαινόμενο διαχωρισμού (και κατ’ επέκταση την απόδοση διαχωρισμού), όπως ο βαθμός διαχωρισμού, το ποσοστό συμπαράσυρσης της υγρής φάσης του μίγματος (νερού), η ταχύτητα του μίγματος, το κλάσμα κενού, η ολική πίεση και η βαθμίδα πίεσης. Τα αποτελέσματα τόσο της δισδιάστατης, όσο και της τρισδιάστατης υπολογιστικής διερεύνησης του φαινομένου διαχωρισμού κατέδειξαν αφενός την υπεροχή του υπό κλίση 30° πλευρικού βραχίονα της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ, ο οποίος αποδείχθηκε ικανός να εξασφαλίζει έναν υψηλό -και σχετικά σταθερό- βαθμό διαχωρισμού, παρά τη σημαντική αύξηση στη φαινομενική ταχύτητα του αέρα, αφετέρου την αρνητική επίπτωση της αύξησης της φαινομενικής ταχύτητας του νερού στον βαθμό διαχωρισμού, ειδικά στην περίπτωση του υπό κλίση 90° πλευρικού βραχίονα της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ. Το κλάσμα κενού, τώρα, όπως και η ταχύτητα του μίγματος ανάντη της διακλάδωσης φάνηκε να μην επηρεάζονται ουσιαστικά από τον υιοθετούμενο προσανατολισμό ή/και τη διάμετρο του πλευρικού της βραχίονα, ενώ υψηλότερη τιμή του κλάσματος κενού συνεπαγόταν υψηλότερο βαθμό διαχωρισμού. Η παρατηρούμενη, σχεδόν, ταύτιση των τιμών του κλάσματος κενού και της ταχύτητας του μίγματος πριν τη διακλάδωση, ανεξάρτητα του κατάντη προσανατολισμού του πλευρικού της βραχίονα, οδήγησε σε αντίστοιχη ταύτιση των τιμών της ολικής πίεσης, ενώ όσον αφορά τη βαθμίδα πίεσης παρατηρήθηκε ότι η τιμή της στην περιοχή της κανονικής διακλάδωσης τύπου Τ ήταν σημαντικά μεγαλύτερη της αντίστοιχης που υπολογίστηκε στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, για το σύνολο των εξεταζόμενων ροϊκών συνθηκών. Η γενική εικόνα, ακόμη, των αποτελεσμάτων αναφορικά με τη μείωση της διαμέτρου του πλευρικού βραχίονα της διακλάδωσης τύπου Τ έδειξε ότι στην περίπτωση που η διάταξη διαχωρισμού συγκροτείται ήδη από αγωγούς μικρής διαμέτρου, η περαιτέρω μείωση της διαμέτρου του πλευρικού βραχίονα της διακλάδωσης δεν αποτελεί ενδεδειγμένη πρακτική για τη βελτίωση της απόδοσης διαχωρισμού, οδηγώντας σε αντίθετα από τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τέλος, η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων πειραματικής και υπολογιστικής διερεύνησης πιστοποίησε την αξιοπιστία της τελευταίας δεδομένου ότι ήταν σε θέση να αποδώσει τόσο τον υψηλό και σχετικά σταθερό βαθμό διαχωρισμού που παρατηρήθηκε κατά την πειραματική διερεύνηση, όσο και το μοτίβο ροής που αναπτύχθηκε στον οριζόντιο κύριο αγωγό της διάταξης διαχωρισμού, το οποίο αντιστοιχούσε σε μοτίβο στρωματοποιημένης (stratified flow) ή κυματοειδούς στρωματοποιημένης (stratified-wavy flow) ροής, ενώ η σύγκριση που πραγματοποιήθηκε για τις προβλέψεις δημοφιλών θεωρητικών προσεγγίσεων υπολογισμού του κλάσματος κενού και της βαθμίδας πίεσης λόγω τριβής τόσο μεταξύ τους, όσο και με τις αντίστοιχες προβλέψεις της υπολογιστικής διερεύνησης, κατέδειξε την αδυναμία καθολικής εφαρμογής ενός θεωρητικού μοντέλου ή/και την υιοθέτησή του ανάλογα με τη ζητούμενη τελική ακρίβεια των υπολογισμών.