Мета роботи

Ознайомитись з процесом руху рідини і газу через ежектор. Навчитись моделювати даний процес та визначати його основні характеристики з використанням 3D моделювання.

 

5.2 Теоретичні відомості

Ежекційні насоси (ежектори) - гідравлічні пристрої, в яких відбувається передача кінетичної енергії від одного середовища, що рухається з більшою швидкістю, до іншого. Ежектор, працюючи за законом Бернуллі, створює в звужуючому перетині знижений тиск одного середовища, що викликає підсмоктування в потік іншого середовища, яке потім переноситься і віддаляється від місця всмоктування енергією першого середовища. Ежектори використовуються в струменевих насосах, наприклад водоструминних, рідинно-ртутних, парортутних, паромасляних. Струменевий насос - пристрій для нагнітання (інжектор) або відсмоктування (ежектор) рідких або газоподібних речовин, транспортування гідросумішей (гідроелеватор), дія якого заснована на захопленні нагнітаючої (відкачуваної) речовини струменем рідини, пари або газу (відповідно розрізняють рідкоструминні, пароструминні і газоструминні насоси ).

Коли рідина (або газ) протікає по трубопроводу, що має звуження, тиск у звуженні знижується, порівняно з іншими частинами трубопроводу (якщо при цьому швидкість потоку у звуженні не досягає швидкості звуку). Завдяки цьому в камері змішування створюється розрідження, що забезпечує всмоктування низьконапірного середовища. Струменеві насоси мають просту конструкцію, надійні і довговічні в експлуатації, але їх ККД не перевищує 30%.

Вперше це було встановлено італійським фізиком Дж. Вентурі (1746-1822), на ім'я якого була названа трубка, заснована на даному явищі. Якщо відсмоктуючий обсяг приєднати до труби в місці її звуження, то газ з нього буде переходити в область зниженого тиску й нестися струменем рідини. На рисунку 5.1 наведено принципову схему ежектора.

 

1 - камера всмоктування середовища, яке ежектується; 2 - канал (камера) змішування двох потоків; 3 - канал подачі високонапірного середовища; 4 - сопло каналу подачі; 5 - патрубок всмоктування (забору) низьконапірного середовища; 6 - вихідний дифузор ежектора.

Рисунок 5.1 - Принципова схема ежектора

 

Не зважаючи на їх досить низький ККД, вони часто виявляються незамінними. Їх використовують у харчовій промисловості, для відкачування рідини з резервуарів, якщо інші насоси не підходять. Досить широко струменеві насоси використовуються у процесах видобутку нафти , особливо в умовах з підвищеним газовим фактором. За кордоном струменеві насоси широко застосовуються для відкачування нафти з свердловин. Для цього на майданчику свердловини встановлюється автономна, досить складна система, що складається з насосів, сепараторів та іншої спеціальної техніки. У різних країнах розроблено багато модифікацій струменевих насосів і програм розрахунку їх режимів та геометрії для оптимальної роботи в різних умовах. У Росії струменеві насоси використовувалися в основному для освоєння свердловин.

Високоефективним методом боротьби з винесенням пластової рідини є зниження тиску на гирлі обводненої свердловини шляхом введення в експлуатацію дотискуючої компресорної станції або застосування ежекторів. В останньому випадку зниження тиску на гирлі свердловини здійснюється за рахунок використання енергії газу високого тиску від наявних на родовищі високонапірних свердловин, розміщених поряд інших родовищ, підземних газосховищ і магістральних газопроводів. Ежекторна установка встановлюється безпосередньо на гирлі свердловин, якщо поруч наявне джерело газу високого тиску, або монтується на установці комплексної підготовки газу після сепаратора першої ступені сепарації і теплообмінника. Газ високого тиску надходить у центральне сопло ежектора, а продукція обводненої низьконапірної свердловини — в приймальну камеру ежекторної установки.

Перевагою струменевих насосів є їх простий монтаж та невеликі розміри. В цілому, можна сказати, що струменеві насоси, незважаючи на свою простоту, все ще актуальні.

5.3 Порядок проведення розрахунків

 

Перший етап розрахунків включає розрахунок робочих параметрів ежектора та його геометричних розмірів за допомогою програми MathCad.

Після ознайомлення з вихідними даними переходимо до розрахунку площі поперечного перерізу сопла ежектора:

. (5.1)

де - площа поперечного перерізу сопла, м²;

- об'ємна витрата робочого газу через сопло, м³/с;

- тиск на вході в сопло, Па;

- тиск на вході в робочу камеру (камеру змішування), Па;

- густина газу в умовах ежекції, кг/м³;

- коефіцієнт витрати сопла, .

Густина газу в умовах ежекції знаходимо за залежністю:

. (5.2)

де - коефіцієнт стисливості газу.

За відомою площею перерізу сопла знаходимо його діаметр:

. (5.3)

Для розрахунків приймаємо співвідношення між площами поперечного перерізу камери змішування та сопла .

 

Тиск на виході з ежектора:

. (5.4)

Після розрахунку наведених вище параметрів переходимо до моделювання ежектора в програмному середовищі ANSYS.

Після відкриття вікна ANSYS Workbench запускаємо модуль CFX Fluid Flow та переходимо до побудови геометрії. Також слід пам'ятати про можливість експорту геометрії з інших CAD програм. Для побудови використовуємо геометричні розміри ежектора, отримані в результаті попереднього обрахунку. В кінцевому результаті отримаємо ежектор, який зображено на рисунку 5.2.

 

Рисунок 5.2 - Загальний вигляд побудованого ежектора

 

Наступним етапом є побудова сіткової моделі. Для цього переходимо в редактор Mesh з головного вікна ANSYS Workbench. За замовчуванням буде побудована стандартна сітка, яку, при потребі, можна зменшити чи ущільнити. Це дасть змогу отримати більш точні результати моделювання, особливо в місцях складної геометрії, проте може значно збільшити час розрахунку та ресурсозатратність. Загальний вигляд вікна редактора побудови сіткової моделі ежектора зобрахено на рисунку 5.3.

 

Рисунок 5.3 - Побудова сіткової моделі

 

Після отримання необхідної сітки можна переходити в редактор Setup для задання поверхонь входу, виходу, стінок та вибору робочого середовища. У даному випадку будемо розглядати ежекцію високонапірного газу низьконапірним. Як робоче тіло використаємо повітря. Параметри на вході в сопло та камеру змішування приймаємо з попередніх розрахунків.

 

Рисунок 5.4 - Встановлення основних гідродинамічних параметрів ежектора у редакторі Setup

 

Після задання всіх необхідних параметрів та встановлення методу розрахунку переходимо безпосередньо до обчислень. Для цього запускаємо CFX Solver Manager (рисунок 5.5), який почне розрахунок параметрів потоку методом кінцевих елементів.

 

Рисунок 5.5 - Процес розрахунку в CFX Solver Manager

Після того, як буде досягнуто встановленого критерію збіжності, можна переходити до перегляду результатів, запустивши пост-процесор CFD-Post. Даний редактор дає можливість переглядати результати як у 3-D вигляді (лінії потоку, площини потоку, анімації потоку (рисунок 5.6)), так і у вигляді графічних залежностей (рисунок 5.7) чи таблиць. Також передбачена можливість генерування звіту результатів моделювання, з подальшим його друком та збереженням.

 

Рисунок 5.6 - Лінії потоку в ежекторі

 

За результатами розрахунків студенти повинні:

· засвоїти принцип проектування ежекторних установок;

· методику розрахунку;

· сферу застосування ежекторів;

· оцінити характер потоку в ежекторі;

· дати рекомендації щодо покращення конструкції ежектора.

 

Рисунок 5.7 - Інтерпретація результатів моделювання у вигляді графічної залежності

5.4 Варіанти завдань

Густина газу за стандартних умов ρ_г.ст=0,76+0,01·і, кг/м³;

Тиск на вході в сопло Р₁=10+0,1·і, МПа;

Тиск на вході в робочу камеру Р₂=3+0,1·і, МПа;

Температура газу Т=303+і, К;

Витрата робочого (високонапірного) газу

5.5 Контрольні запитання

5.5.1. Ща таке ежектор?

5.5.2. Сфери використання ежекторів.

5.5.3. Нарисуйте і поясніть схему ежектора.

5.5.4. Наведіть і поясніть основні аналітичні залежності для визначення параметрів ежектора.

5.5.5. Перелічіть рекомендації для покращення конструкції ежектора.