Способ исследования вихревых потоков многокомпонентных газовых смесей и устройства для его реализации
METHOD FOR STUDYING VORTEX FLOWS OF MULTICOMPONENT GAS MIXTURES AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать многокомпонентные газовые закрученные потоки и проводить тестирование устройств, предназначенных для закручивания потоков (вихревые устройства) и может быть использовано в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной аэро- и газодинамике, в разработке эффективных конструктивно-компоновочных схем устройств по разделению многокомпонентных газовых смесей на отдельные компоненты.
В настоящее время все более широко используется вихревой способ разделения сред, использование которого позволяет значительно сокращать затраты энергии и упростить технологии разделения сред, и может быть использовано в различных отраслях производства, в частности, химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, тепловой энергетике и во многих других производствах. Примерами таких устройств могут быть названы патенты РФ на изобретения №№2107197, 2368817 [1,2].
Так, в соответствии с патентом [2], вихревая установка предназначена для выделения горючей составляющей из воздуха. Вихревая труба выполнена из двух раздельных соосно установленных частей. Разъем трубы расположен по движению потока за завихрителем, установленным на входном участке вихревой трубы. С наружной стороны трубы выполнена кольцевая камера, охватывающая разъем. Соединение торцевых стенок камеры с трубой выполнено герметичным, с возможностью осевого перемещения одной из частей вихревой трубы относительно другой ее частей, при этом образован кольцевой зазор для выхода пристенного периферийного потока разделенной среды в кольцевую камеру. На трубопроводе отвода среды установлено регулирующее запорное устройство. Торец вихревой трубы со стороны выхода потока из трубы выполнен с острой кромкой.
Для разделения газовой смеси на отдельные компоненты широко используются так называемые вихревые трубы, реализующие так называемый эффект Ранка-Хилша [3,4]. Оптимизация параметров таких вихревых потоков позволяет повысить эффективность разделения многокомпонентной газовой смеси на отдельные компоненты. При этом известно, что вихревые трубы Ранка-Хилша целесообразно использовать для разделения газовых потоков на высокоэнергетический (высокотемпературный) и малоэнергетический (низкотемпературный) потоки [5].
Исследование потока в вихревой трубе представляет значительные трудности, так как он является трехкоординатным, высокоскоростным и турбулентным, что требует создания специальных измерительных зондов и координатников. Даже при максимально возможном снижении габаритов вводимой в поток измерительной аппаратуры последняя создает заметные возмущения и перестройку потока, ухудшающие работу вихревой трубы. Неприемлемы в таких исследованиях и такие не вызывающие возмущения потока методы, как теневой метод Фуке - Теплера, а также и интерференционный метод. Попытки визуализации потока дымом также безрезультативны, ввиду высокой турбулентности потока.
Единственно возможный метод - метод зондирования, который позволяет выяснить качественную картину потока с приближенной качественной оценкой.
При этом, в таких исследованиях основными задачами является определение полей скоростей и давлений в потоках газа. Для решения этих задач широко используются оптические способы бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа, каковыми являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), позволяющая измерить скорость сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения и цифровая трассерная визуализация (PIV).
Недостатком ЛДА является то, что этот способ позволяет проводить только последовательные измерения скорости в пространстве, переходя от точки к точке исследуемого течения, ЛДА диагностика требует обеспечения стабильности условий эксперимента и сохранения режимных параметров течений неизменными длительное время, что иногда технически трудно осуществить.
Использование PIV в отличие от ЛДА позволяет получать мгновенное распределение скорости в исследуемом сечении и наблюдать мгновенную картину течения в пределах двумерной плоскости светового ножа. Однако этот способ является наиболее эффективным только для случая, когда одной из компонент скорости (перпендикулярной световому сечению) можно пренебречь.
Раздельное применение широко распространенных оптических измерительных способов ЛДА (измерение скорости лазерным доплеровским анемометром) и PIV (анализ структуры течения по трекам частиц), часто приводит к получению искаженной информации, особенно для переходного и развитого нестационарного режимов вихревого течения. Поэтому более эффективным является совместное использование ЛДА и PIV, что реализовано в способе бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации по патенту РФ на изобретение №2498319 [6].
Устройство [6] включает импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, две ССД камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30-120° друг к другу и под углом 15-60° к оси канала за ротором, оптические призмы, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере, и процессора обработки доплеровских сигналов и персональный компьютер. Способ включает проведение измерений с помощью ЛДА в двух и более точках нестационарного вихревого потока за потоком ветро- или гидроагрегата для определения временного интервала, освещение потока лазерным ножом, фиксирование изображений засеянных частиц двумя ССД камерами и записи через заданный временной интервал статистическое осреднение мгновенных полей скорости для n=2…16 моментов внутри полного периода пульсаций вихревой структуры, Т выборной полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, T, 2T… и (m+1)T, где m - число измерений мгновенных полей скорости для статистического осреднения. Технический результат - существенное уменьшение случайной ошибки измерения и практически полное устранение систематической ошибки, связанной с нестационарными изменениями структуры потока.
Аналогичное решение изложено в патенте РФ на изобретение №2647157 [7], поскольку способ основан на совместном использовании ЛДА и PIV, включающем пропускание через измерительный объем лазерного излучения, проведение измерений с получением полного периода пульсаций определение на основе полученной информации определение интервала между сериями изображений. По изображениям вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения, конкретным лазерным светом. Фиксирование изображением двумя ССД камерами, принимающими отраженный свет, и запись информации в заданном интервале времени. При этом, при диагностике вихревого течения индуцированного вращающимся процессирующим ядром (ПВЯ), одновременно формируются сигналы скорости и опорные сигналы с помощью пьезокерамических гидрофонов или с помощью прецизионных конденсаторных микрофонов, расположенных в устройстве для реализации способа, непосредственно внутри исследовательского контейнера после завихрителя вдоль по потоку в виде отдельных сопряженных пар, диаметрально расположенных в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Технический результат по патенту [7] заключается в расширении технических возможностей и уменьшении ошибок, связанных с резким изменением соотношения жидкости и газа в вихревых потоках. Т.е. по патенту №2647157 [7] возможно диагностировать двухфазные потоки, устанавливать соотношения между жидкостью и газом.
Теми или иными свойствами диагностики двухфазных потоков обладают все отмеченные выше способы, в том числе и способ по патенту РФ №2523737, однако ни один из этих способов и устройства, их реализующие не позволяют определить распределение компонентов многокомпонентной газовой смеси при ее вихревом движении. Не позволяют эти способы и экспериментально оценить эффективность закрутки газовой смеси, определить оптимальные параметры завихрителя потока, поскольку адекватных расчетных моделей вихревого движения газовой смеси в каналах до сих пор нет [7].
От этих недостатков свободен предлагаемый способ изучения вихревых потоков многокомпонентных газовых смесей, состоящий в создании тем или иным способом поступательного вращательного движения многокомпонентной газовой смеси в цилиндрическом канале, и в определении в поперечных сечениях канала физико-механических и химических параметров потока по радиальному и тангенциальному направлениям и по длине канала. Для оценки влияния внешних физических факторов, таких как гравитационные поля и ускорение Кориолиса на процессы вихреобразования, канал может быть зафиксирован под различными углами к плоскости горизонта, что позволяет проводить тестирование устройств, обеспечивающих закрутку многокомпонентной газовой смеси.
Примером необходимости такого тестирования могут быть названы горелочные устройства, предназначенные для утилизации (сжигания) попутного нефтяного газа (ПНГ) забалластированного до 98% азотом [8,9] в теплогенераторе. В основе работы упомянутых горелочных устройств лежит механизм самопроизвольного образования вихревого поступательного движения газовой смеси при подаче ее в цилиндрический канал, обнаруженный в 90-х годах прошлого века [10], в ходе реализации которого более тяжелые молекулы углеводородных газов концентрируются в пристеночных зонах канала, перфорация стенок которого позволяет вывести эти компоненты из канала и осуществить их утилизацию за счет сжигания ПНГ. Выбор оптимальных параметров таких горелочных устройств связан с большими трудностями, поскольку, как отмечалось выше, в настоящее время нет достоверных моделей по выбору длины канала, его диаметра, позиционирования перфораций канала, чтобы позволило бы оптимизировать процесс обогащения ПНГ, забалластированного азотом, по углеводородным компонентам.
Экспериментальный способ выбора оптимальных параметров горелочных устройств является наиболее эффективным, который может быть реализован в соответствии с предлагаемым способом.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, схема которого приведена на фиг. 1, содержит емкость 1 с многокомпонентной газовой смесью, в которой на газоходах 2 закреплены такие узлы, как пусковой электропневмо- клапан 3, на выходе из которого установлен редуктор 4 с расходной шайбой 5, после которой в газовый тракт встроен тройник 6, к одному из штуцеров которого подключен посредством патрубка 7 пусковой электропневмоклапан 8, который установлен на патрубке емкости 9 с цветовым газовым ингредиентом, предназначенным для окраски многокомпонентной газовой среды. Второй штуцер тройника 6 посредством гибкого трубопровода 10 соединен с входным патрубком завихрителя потока 11, который установлен на шарнире 12, с возможностью его углового позиционирования относительно плоскости горизонта. К выходу завихрителя 11 подсоединен цилиндрический канал 13 с элементами системы диагностики параметров потока 14, приведенными на фиг. 2.
В рамках системы диагностики газовых потоков в канале 13 (фиг. 1) корпус канала 13 выполнен из оптически прозрачного материала. На фиг. 2 позицией 15 обозначен корпус цилиндрического канала. Для выявления закономерностей изменения параметров движения многокомпонентной газовой смеси по каналу и химического состава ее по объему канала, в корпусе канала выполнены отверстия 16, продольные оси которых лежат в плоскостях, перпендикулярных продольной оси канала 15, по 12 отверстий в каждой плоскости, которые формируют пояса замеров, расположенные на различных расстояниях друг от друга. При этом, в каждом поясе замеров оси соседних отверстий расположены друг относительно друга под углом в 30°, что позволяет исследовать изменения параметров потока не только по длине канала, но и по угловой координате. В любое из отверстий 16 может быть введен зонд для измерения статического 17 или динамического напора 18, имеющие соответствующее исполнение, на ту или иную глубину. Для измерения давления в той или иной точке канала каждый из зондов подключен к соответствующим датчикам давления, например, типа ЛХ, обозначенные на фиг. 2 позицией 19, с усилителями сигнала 20 и регистрирующей аппаратурой 21. Ряд зондов, например, 22 устройства используются для забора проб газа, предназначенных для определения их химического (компонентного) состава с помощью газоанализаторов 23 (хроматографов). Для выявления структуры вихревого потока через зонды 24 в полость канала 15 могут быть введены шелковые нити 25, 26, положение которых в движущемся потоке газовой смеси по каналу 15 позволяет визуально оценить поведение линий тока. Визуальную фиксацию поведения (положения) шелковых нитей 25,26 производится с помощью видеокамер 27. В рамках использования RGB технологий (или шлирен фотографий) для выявления структуры газовых потоков в канале 15 путем учета цветовых оттенков в различных зонах потока, используются устройства видеофиксации типа видеокамер 27 или фотоаппарата 28, а для повышения контрастности фиксации структуры потока, в него могут быть добавлены красящие газы из емкости 7 (фиг. 1).
Для замера малых значений перепадов давления и малых величин давления в газовых смесях, которые имеют место для устройств по разделению воздуха на компоненты [1,2], когда энергетика процессов определяется энергетикой обычной атмосферной ветровой нагрузкой, могут быть использованы датчики перепадов давления 29 типа ИКД ТДФ, рассчитанные на замеры давлений от 10 мм до 300 мм водяного столба, сигналы которых усиливаются в усилителях 30 и фиксируются регистрирующей аппаратурой 21. Для замеров давлений (перепадов давления) малых номинальных значений могут быть использованы V-образные манометры 31.
Поскольку эксплуатация устройств по разделению многокомпонентной газовой смеси на отдельные компоненты, выполненных в соответствии, например, со схемами по патентам [1,2,8-10], показала эффективность использования малонапорных газовых потоков, будет иметь свои особенности схема устройства, предназначенного для диагностики воздушных вихревых потоков и тестирования завихрителей воздушного потока, которые отражены в схеме, приведенной на фиг. 3.
Устройство для диагностики малонапорных воздушных потоков и тестирования завихрителей воздушного потока содержит двигатель 32 с нагнетательным вентилятором 33, который создает воздушный поток, поступающий в конфузор 34. Конфузор установлен на узле ламинаризации потока 35, на выходе из которого установлен завихритель потока 36, на котором закреплен выполненный из оптически прозрачного материала цилиндрический канал 37 с системой диагностирования движущегося по нему воздушного потока, аналогичной той, которая приведена на фиг. 2. Все перечисленные выше элементы и узлы установлены на траверсе 39, которая с помощью шарнира 40 закреплена на опоре 41 с возможностью углового позиционирования траверсы 39 относительно плоскости горизонта.
Работают устройства следующим образом.
Для проведения экспериментальных исследований установку, схема которой приведена на фиг. 1, необходимо подготовить к проведению экспериментов, исходя из целей и задач экспериментов. В частности, выбирается конструкция завихрителя потока 11 и проводится его настройка (выбираются параметры позиционирования элементов завихрителя, например, количество и форма лопаток-завихрителей, места их фиксации по тракту завихрителя и т.д.) и фиксация параметров. Далее производится сборка установки, схема которой приведена на фиг.  1. При этом, рассчитываются необходимое давление газовой смеси в трактах устройства и ее расход. В соответствии с полученными расчетными значениями давления и расхода настраивается редуктор 4 и выбирается расходная шайба 5. После сборки отдельных узлов устройства в единую цепь, как показано на фиг. 1, производится заполнение цветным газом емкости 9. На канале 12 (фиг. 1) устанавливаются элементы системы замеры физико-химических параметров потока в соответствии со схемой на фиг. 2. После выполнения этих операций устройство готово к работе.
Работа устройства начинается с открытия клапана 3, после чего газовая смесь поступает в тракт устройства, проходя через редуктор 4, расходную шайбу 5, трубопроводы 2, 10, и попадает в завихритель потока 11, где происходит его закрутка. Закрученный поток после завихрителя 11 поступает в канал 12. В процессе движения газовой смеси по каналу производится с помощью зондов 17, 18, датчиков давлений 19, 29, а также перепадов давления в различных пространственных точках канала по его длине и по угловой координате построение поля давлений в канале. Распределение давления (эпюр давления) по радиусу определяется путем перемещения зондов на ту или иную глубину в тело канала. Сигналы, снимаемые с датчиков 19, 29 усиливаются в усилителях сигналов 20, 30 и фиксируются на носителях информации 21. При малых значениях давлений и перепадов давлений может быть использован V-образный дифференциальный манометр 31, позволяющий измерять как перепады давления, так и статическое давление, а также величину динамического напора для различных точек в канале за счет того или иного исполнения соответствующих зондов и углублением их на ту или иную величину в поток газовой смеси.
Химический состав газовой смеси в различных точках канала определяется путем отбора проб газовой смеси из соответствующих точек канала с помощью зондов 22, а химический состав отобранной пробы определяется с помощью газоанализаторов 23. Фиксируя с помощью видеокамеры 27 или фотоаппарата 28 положение шелковых нитей 25, 26, введенных через зонды 24 в полость канала, можно судить о характере поведения потоков газа в канале. Об этом же можно судить по цветовым оттенкам отдельных участков газовых потоков в канале 15 (фиг. 2), путем обработки фотографий потока, произведенных с помощью фотоаппарата 28, в соответствии с RGB технологиями, причем, для повышения контрастностей отдельных струек потока в состав потока может быть введен красящий газовый компонент из емкости 9 (фиг. 1) за счет открытия электропневмоклапана 8 и подачи красящего компонента через один из штуцеров 6 в трубопровод 10.
Устройство для диагностики малонапорных воздушных потоков, схема которого приведена на фиг. 3, предполагает сборку (монтаж) всех узлов устройства на траверсе 39. Входящий в устройство ламинизатор потока 35 предназначен для устранения в потоке турбулентных проявлений. Замеры параметров потока в канале 37 могут быть произведены аналогичным образом, как и для устройства, схема которого приведена на фиг. 1, а структура системы замера параметров, приведена на фиг. 2, а сам процесс проведения диагностики потока аналогичен тому, как это описано выше для устройства, схема которого приведена на фиг. 1. Перед проведением испытаний с использованием устройства, схема которого приведена на фиг. 3, приводится необходимая настройка завихрителя потока 36.
При этом, в ходе проведения экспериментов, как для устройства, схема которого приведена на фиг. 1, так и на фиг. 3, перемещая соответствующие зонды в радиальном направлении относительно канала может быть проведена фактически в реальном масштабе времени диагностика газовой смеси (воздуха) в канале 37, а также проведено тестирование (оценить эффективность) завихрителя потока 36.
С целью оценки влияния ускорения Кориолиса (силы Кориолиса) на процессы вихреобразования в каналах для обоих экспериментальных устройств, схемы которых приведены на фиг. 1 и фиг. 3, предусмотрена возможность установки канала 12 (фиг. 1), 37 (фиг. 3) под различным углом к плоскости горизонта, что позволяет обеспечить различные углы пересечения линий векторов скорости поступательного движения газа по каналу и вектора угловой скорости вращения земного шара, для чего завихритель потока 11 на фиг. 1 крепится с помощью шарнира 14 к опоре, не обозначенной отдельной позицией на фиг. 1, а траверса 39 (фиг. 3) также посредством шарнира 40 установлена на основании 41. Эксперименты проводятся при фиксированных углах наклона продольной оси канала к плоскости горизонта, причем элементы фиксации устройства по этому углу на фиг. 1 и фиг. 3 не приводятся.
Таким образом, предлагается способ диагностики вихревых потоков многокомпонентных газовых смесей с целью повышения эффективности разделения газовой смеси на отдельные компоненты и совершенствования конструктивно-компоновочных схем завихрителей потока. Практическая реализация результатов таких экспериментов на реализующих способ устройствах позволит оптимизировать конструкции горелочных устройств различного назначения, в том числе горелочных устройств, предназначенных для сжигания попутного нефтяного газа, забалластированного азотом.
Список использованных источников
1. Патент РФ на изобретение №2107197. Способ разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов и вихревое устройство для его осуществления / Г.Н. Ерченко. МПК: F04F5/00; F 25 B 9/02. Опубл. 1997.06.10.
2. Патент РФ на изобретение №2368817. Вихревая установка для раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха / Г.Н. Ерченко. МПК: F 04М F 5/00. Опубл. 2009.09.27.
3. Иванов С.В. Вихревая труба для обогащения воздуха кислородом / С.В. Иванов // Труды МВТУ им. И.Э. Баумана. - М. Изд-во МВТУ, 1976. - №240. - С. 129-131.
4. Жидков М.А. Применение вихревой трубы в процессах низкотемпературного разделения сероводородосодержащих газов / М.А. Жидков, Г.А. Комарова, И.Г. Климов // Процессы горения и охрана окружающей среды: материалы II Всерос. науч. техн. конф. - Рыбинск. Изд-во Рыбин. гос. авиац. технол. академии. - 1997. - С. 32 - 36.
5. Тернопольский А.В. Вихревые теплоэнергетические устройства / А.В. Тернопольский. - Пенза, Изд-во Пензенского государственного университета, 2007. - 183 с.
6. Патент РФ на изобретение №2498319. Способ бесконтактной оптико - лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации / В.Л. Окулов, В.Г. Меледин, И.В. Наумов. МПК 6: G 01 P 5/26.
7. Патент РФ на изобретение №2647157. Способ комплексной экспресс диагностики периодического нестационарного вихревого течения и устройство для его реализации / В.Л. Окулов, И.В. Литвинов, Ю.С. Попов, С.И. Шторк, И.В. Наумов. МПК 6: G 01 H 5/26.
8. Патент РФ на полезную модель №134289. Горелка универсальная / В.В. Короткий, Ю.В. Федоров. МПК 6: F 23 D 17/00. Опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31.
9. Патент РФ на полезную модель №134288. Устройство горелочное (варианты) / В.В. Короткий, Ю.В. Федоров. МПК 6: F 23 D 17/00. Опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31.
10. Арсибеков Д.В. Утилизация попутного нефтяного газа / Д.В. Арсибеков, В.В. Короткий, Н.П. Кузнецов, Н.А. Мельчукова // Экология промышленного производства, 2019, № 2. - С. 2 -8.