Особенности термодинамических характеристик трехпоточных вихревых труб для очистки и осушки технологических газов

Аннотация

Цель работы заключается в изучении термодинамических и сепарационных свойств трехпоточных вихревых труб (ТВТ).

Полный текст

ТВТ помимо охлаждения потока рабочего вещества в результате эффекта Ранка-Хилша обеспечивают одновременно качественное отделение жидкой фазы из закрученного потока [1, 2, 5]. Они, как правило, расположены вертикально и имеют сепарационный зазор (разрыв вихревого потока) в непосредственной близости от соплового сечения. В этот зазор центробежными силами выдавливается пленка жидкости, образующаяся на внутренней поверхности вихревой камеры. Пленка состоит из дисперсной компоненты исходного газа (если она присутствует) и компоненты, сконденсировавшейся в высокоскоростном сопловом потоке вследствие его низкой температуры. Выделенная из rasa жидкость накапливается в конденсатосборнике, соосно расположенном на вихревой камере (трубе горячего потока). Из конденсатосборника жидкость периодически или непрерывно удаляется.

В последнее время ТВТ нашли применение в технологии нефтедобычи при подготовке попутного газа к транспортировке [1], а также при использовании его в качестве топлива непосредственно на промысле [3]. В работе [ 1] показано, что с помощью ТВТ даже при небольшом отношении давлений E=р_вх/р_х = 1,4 (где р_т - давление входящего потока, р_х давление холодного потока) можно получить хорошие показатели осушки (t_рвод = -20 °C,=-17°C, где Г_р - точка росы соответственно по воде и углеводородам). При этом ТВТ работала в граничном режиме р = VJV^ = 1,0 (здесь р - доля холодного потока, V_x и К_х - расходы газа соответственно в холодном потоке и на входе в вихревую трубу, нм³/ч) с перепадом температур Д/_х = 7_вх - t_x = 13,0 °C. Этот эффект охлаждения в 2 раза превышал эффект Джоуля-Томсона, который обычно (фиксируется в режиме p l ,0 для адиабатных двухпоточпых вихревых труб (ВТ) [4]. При большем отношении давлений (е = 4,8) в режиме р = 1,0 понижение температуры соетавило Д/_х = 20,5 °C, что в 1,9 раза превысило Д/_лр- эффект охлаждения при дросселировании.

Такую термодинамическую особенность работы ТВТ нельзя объяснить лишь ее не- адиабатностью из-за недостаточно эффективной теплоизоляции. Эта особенность была зафиксирована также во время эксплуатации промышленной установки низкотемпературной очистки попутного газа нефтедобычи от высших углеводородов и сероводорода [3]. Обычно для адиабатных двухпоточных ВТ экстремум функции q_x -Др) находится в диапазоне р - 0,6...0,7. Удельная холодопроизводительность ТВТ установки, описанной в [3], q_x = с_р*р • ДГ_х оказалась экстремальной в режиме р = 1,0, что означает возможность работы ТВТ при фактическом отсутствии горячего потока.

До настоящего времени режим р = 1,0 практиковался только для нсадиабатных ВТ с охлаждением вихревой камеры жидким хладоносителем (обычно водой) или атмосферным воздухом. В доступной литературе нет указаний на обсуждаемое в данной работе явление (значительное превышение Д/_х над Д/_др при у = 1,0), поэтому было целесообразно проверить его воспроизводимость на воздухе - наиболее доступном рабочем теле, на котором проведен основной объем экспериментальных исследований эффекта Ранка-Хилша [4].

С этой целью была сконструирована и изготовлена ТВТ для осушки воздуха (ТВТ- осушитель) со следующими геометрическими характеристиками, мм:

Внутренний диаметр соплового блока	18,0
Сопловой ввод:
ширина b	4,8
высота h	2,8
Внутренний диаметр
вихревой камеры D	16,0
Длина вихревой камеры	1085,0
Диаметр диафрагмы d	7,0
Сепарационный зазор:
расстояние от оси соплового ввода	25,0
ширина	5,0

Схема экспериментальной установки осушки с ТВТ-осушителем представлена па рис.1. В ее состав входят компрессорный агрегат ВШВ-3/100 (расход воздуха до 3 нм³/мин, давление нагнетания до 10 МПа) 2, трехпоточная вихревая труба 7, газовый баллон (ресивер) 3 и необходмая арматура.

Рис. 1. Принципиальная схема установки осушки; 1 - вихревая труба; 2 - компрессор; 3 - ресивер

Точки контроля технологических параметров показаны на схеме. Давление измеряли техническими манометрами с точностью 0,05 МПа, температуру - термопарами и параллельно ртутными термометрами с точностью 0,5 °C. Расход определяли с точностью 0,1 нм³/мин ротационным счетчиком, установленным на линии горячего потока газа. Общий расход воздуха фиксировали в каждой серии опытов в стационарных условиях при |1 0, т.е. при полностью открытом вентиле ВЗ и закрытом вентиле B4.

Доля холодного потока, определенная по показаниям счетчика, обозначена ц. Ряд экспериментов проведен без замера расходов газа. В этом случае долю холодного потока, обозначенную ц_р, рассчитывали но известному соотношению: ${\mu }_p=(∆t_{г}+∆t_{дг})/(∆t_{г}+∆t_{х})$    (1)

где $∆t_{г}=t_{г}-t_{вх}$ - эффект нагрева газа, °C.

В табл. 1, а также на рис.2 представлены некоторые результаты эксперимента с ТВТ-осушителем при различных у. в диапазоне изменения Е = 2,6...20,0 ((?/=qjc? и q*=qjc_? в дальнейшем называю гея удельной холодо- и теплопроизводительностью соответствешю).

Таблица 1

№ режима	Рвх МПа	Рг МПа	Рх МПа	е	tвх °C	tг °C	tх °C	Δtг °C	Δtх °C	Δtдр °C	μф	μр	qх°С
1	2.0	0,7	0,7	2,6	19	20	-	1	—	3	0
2	2,0	0,7	0,7	2,6	19	25	-2	6	21	3	—	0,37	7,77
3	2,0	0,7	0,7	2,6	19	35	2	16	17	3	—	0,61	10.37
4	2,1	0,9	0,7	2,7	21	-	6	—	15	3	1	—	15
5	1,9	0,2	0,2	6,7	18	21	—	3		3.5	0		—
6	1,9	0,4	0,3	5	18	30	-10,5	12	28,5	3,5	—	0,4	11,4
7	1,9	0.5	0.3	5	19	48	-4	29	23	3,5		0,63	14.49
8	1.95	0,6	0,3	5,1	18	55	2	37	16	3,5	—	0,77	12,32
9	2.0	0,7	0,3	5,3	20		5		15	3,5			15
10	1,9	0	0	20	19	19	—	0	—	4,5	0	—
11	1,9	0,2	0	20	17,5	37,5	-25	20	42,5	4		0,38	16.15
12	1,9	0,4	0	20	18	50	-9	32	27	4		0,61	16,47
13	2,0	0,6	0,05	14	18	56	1	38	17	4		0,76	12,92
14	2,0	0,7	0,1	10,5	17	—	1	—	16	4	1	—	16

Примечание. В таблице дано избыточное давление.

Как видно из табл. 1, при Ц = 1,0 А/_х превышает Дг_др в 4-5 раз. Исследуемая ТВТ нс была теплоизолирована, однако полученный эффект (например, при е = 2,6 Д/_х =15,0 °C) нельзя объяснить только отдачей тепла в окружающую среду ~ 17... 18 °C). Такое понижение температуры при ц = 1,0 вполне сопоставимо с показателями работы нсадиабатных ВТ, охлаждаемых водой (табл. 2).

Последняя графа табл. 1 показывает, что при доле холодного потока Ц_ф = 1,0 удельная холодопроизводительность ТВТ максимальна.

Таким образом, повторяется ситуация, отмеченная ранее при исследовании работы ТВТ с попутным газом нефтедобычи. Обращает на себя внимание еще одна особенность работы ТВТ. Как видно из табл. 1, на воздухе в предельном режиме ц = 0 вместо снижения температуры «горячего» потока на величину Д/_др происходит его нагрев (максимально на 3,0 °C). Если учесть, что вихревой эффект Ранка-Хилша без влияния дросссль-эффекта определяется для горячего потока суммой Дг_гпнхр = Д/_г + Д/_др, то реальный нагрев газа при ц = 0 составит Д/ = 4,5...6,5 °C. Это - заметная величина, которую нельзя объяснить ошибкой эксперимента и тем более пеадиабатностью ТВТ, так как температура атмосферного воздуха во время проведения экспериментов была несколько ниже, чем температура воздуха, выходящего из вихревой камеры по трубе горячего потока.

В табл. 3 и на рис.2 даны результаты экспериментов с ТВТ-осу жителем (/_тр = 300 мм, сепарационный зазор 5 мм), отличающимся от первой модификации двумя особенностями:

• значительной разницей диаметров соплового блока и вихревой камеры (D = 18 мм;— 8,0 мм);

• нетрадиционно большим по отношению к диаметру трубы диаметром диафрагмы.

В нашем случае относительный диаметр диафрагмы равен d= d/Д_тр = 7/8 = 0,875, что значительно превосходит рекомендации [4], в частности при ц = 0,7 в качестве оптимального рекомендуется значение d= 0,569.

Рис. 2. Холоде- и теплопроизводительность ТВТ-осушителя в зависимости от u

Анализ экспериментальных данных, полученных для второй модификации ТВТ-осушителя, показал, что так же, как и ранее, Д/х значительно превышает Дг при ц = 1,0. По эффекту охлаждения вторая модификация находится на уровне первой в рабочем диапазоне вихревых установок с рекуперативным теплообменником р. = 0,6...0,8, но уступает ей в диапазоне μ < 0,6.
В табл. 3 даны два значения доли холодного потока: μ_ф, определенное по показаниям газового счетчика, и μ_р, рассчитанное по соотношению (1). Как видно, эти величины не совпадают, причем в режимах № 2 и № 3 μ_ф > μ_р, а в остальных режимах μ_ф < μ_р Аналогичная картина наблюдается при сопоставлении удельных холодо- и теплопроизводи-гельностей (соответственно q_х.вихр и q_г.вихр), рассчитанных по вихревому эффекту Ранка-Хилша:
$q_{х.вихр}=(∆t_x-∆t_{др})*\mu$ (2)
$q_{г.вихр}=(∆t_x-∆t_{др})*(1-\mu )$ (3)
Как видно из табл. 3, в режимах № 2 и № 3 соблюдается неравенство q_х.вихр < q_г.вихр , а в остальных режимах знак неравенства меняется на противоположный: q_х.вихр > q_г.вихр

Это наглядно отражает величина δq=q_х.вихр - q_г.вихр представленная в последней графе табл. 3.

Необычные результаты, полученные на ТВТ при μ = 1,0, а также несовпадение значений μ_р и μ_ф, q_х.вихр и q_г.вихр говорят о том, что в трехпоточной вихревой трубе (с разрывом вихревого потока) нарушается классический энтальпийный баланс:
$i_{вх}=\mu *i_x+(1-\mu )i_{г}$ (4)

Таблица 2

Исследователи	tвх °C	tохл °C	£	И	Δtх °C	Δtх.прив °C
В. В. Бирюк и В.Е.Вилякин	19	18	3,5	1	22	16,5
В.П.Алексеев, А.И.Азаров и др.	25,5	—	3	1	20	17
А.Б.Бобков	20	14	2,6	1	19	19
А. А. Курган	Нормальные условия		3	1	15	13

Примечание: Δt_охл - температура охлаждающей воды, Δt_х.прив - эффект охлаждения, приведенный к е = 2,6.

Таблица 3

№ режима	Рвх МПа	Рх МПа	tвх °C	tг °C	tх °C	Δtг °C	Δtх °C	Δtдр °C	μф	μр	qг.вихр °C	qх.вихр °C	δq °C
1	1,6	0,55	10	7		-3		2,5	0	-4	-0,5		0,5
2	1,5	°’4	11	11	-2	0	13	2,5	0,15	0,19	2,13	1,58	-0,55
3	1,5	0,4	11	11,5	-3	0,5	14	2,5	0,19	0,21	2,43	2,19	-0,24
4	1,5	0,3	11	13	-5,5	2	16,5	2,5	0,3	0,24	3,19	4,06	0,87
5	1,5	0,2	11	20	-12	9		3	0,41	0,38	7,08	8,2	1,12
6	1,45	0	13	30	-15	17	28	3	0,55	0,44	9	13,75	4,75
7	1,45	0	13	37	-11	24	24	3	0,63	0,52	9,99	13,23	3,24
8	1,5	0,05	13	40	-5	27	18	3	0,82	0,67	5,4	12,3	6,9
9	16	0,1	14	-	0		14	3	1			11	11

Примечание. В таблице дано избыточное давление.

Это наглядно иллюстрируется несовпадением величин  q_х.вихр и q_г.вихр , которое для ТВТ, работающей на воздухе, может достичь 56 % (режим № 8).

Правомерно задаться вопросом: такое явление присуще только трехпоточным вихревым трубам или оно может наблюдаться и для двухпоточных вихревых труб? Для ответа на этот вопрос были обработаны эксперименты других авторов, когда в их исследованиях доля холодного потока определялась по показаниям расходомеров. В частности, проанализированы данные работы [8].

Результат анализа [8] представлен на рис. 3 а и б. Как видно из рис. 3, для двухпоточной ВТ (£>_тр = 40 мм; = 18 мм; l_тр = =720 мм; начальный участок - конус с углом раскрытия 3,6 °C на длине 360 мм; улиточный сопловой ввод площадью F = 106 мм²; толщина теплоизоляции 20 мм) также наблюдается несовпадение значений  q_х.вихр и q_г.вихр Причем зависимости δq =f (μ) Для ВТ, исследуемой в работе [8], и ТВТ-осушителя идентичны: явно выражена тенденция возрастания δq* с ростом μ.

Рис. 3. Холода- и теплопроизводитсльность вихревой трубы [8] при р : а - 0.3 МПа : б-0,4 МПа

Таким образом, как результаты наших экспериментов, так и данные других авторов показывают, ч то при работе трехпоточных и двухпоточных ВТ балансовое уравнение (4) нарушается. В области малых р наблюдается приращение энтальпии расширенного газа на величину 8z_m, а в остальном диапазоне значений μ, особенно при μ=1,0, энтальпия убывает на величину 8z_a. Поэтому с учетом первого закона термодинамики балансовое уравнение (4) для адиабатных вихревых труб должно быть записано в виде:

$i_{вх}=\mu i_x+(1-\mu )i_{г}-\delta i_M+\delta i_a$(5)

Величину 8z_M целесообразно трактовать как увеличение энтальпии расширенного в ВТ газа за счет прямого преобразования механической энергии в тепло, а величину 8z_a - как уменьшение энтальпии газа вследствие нетепловой диссипации энергии в окружающую среду (акустическое и электромагнитное излучение, вибрация сопряженных с ВТ коммуникаций и строительных элементов и пр.).

Обозначив результирующую введенных величин

δi = δi_a- δi_м

получим более общий вид уравнения $i_{вх}=\mu i_x+(1-\mu )i_{г}+\delta i$ (6)

Знак и величина параметра δi определяются соотношением абсолютных величин δi_a и δi_м. Если они малы или компенсируют друг друга во всем диапазоне ц, то уравнение (6) преобразуется в классическое уравнение (4). При δi_a < δi_м температура всего потока расширенного газа повышается (в ТВТ-осушитсле это проявилось при μ = 0...0,3). Если же превалирует величина δi_a  , то газ охлаждается в большей степени, чем это следует из уравнения (4). Работа трехпоточных вихревых труб в предельном режиме μ = 1,0 отчетливо продемонстрировала этот случай.

Ряд исследователей эффекта Ранка-Хилша отмечали равенство правой и левой частей уравнения (4), однако расхождение баланса относили к неточности замеров расходов, неадиабатности ВТ и пр. Впервые в отечественной литературе эта проблема обсуждалась в [7J. Автор исследовал воздушный вихревой охладитель (ВО). Например, при р_вх = 0,6 МПа и μ = 0,18 были получены следующие термодинамические показатели ВО: Дг_х = 51 °C; Az_r = -9 °C. Здесь А/ меньше нуля, так как температура « оря чего потока ниже температуры исходного газа.

Следовательно конструкция ВО позволяет эффективно реализовать либо неравенство δi_a > δi_м, либо при значительной величине δi_a равенство δi_м.

Следует отметить отрицательную реакцию большинства специалистов по вихревому эффекту как на экспериментальные данные автора [7], так и на его попытку обосновать причину нарушения теплового баланса (4) влиянием «работы расширения газа», «образованием молекулярных кластеров и теплоты кластеризации, а также свойствами обнаруженного излучения». Однако результаты наших экспериментов по изучению термодинамических характеристик ТВТ, а также анализ литературных данных заставляют не только задуматься о «странном» поведении вихревых труб нетрадиционного конструктивного исполнения в необычных условиях эксплуатации, но и вернуться к вопросу: так ли уж неправ автор публикации [7]?

В заключение необходимо отметить, что в рамках существующих теорий вихревого эффекта практически невозможно, хотя бы эвристически, объяснить вышеописанные особенности поведения вихревых труб. Поэтому дальнейшая разработка теории вихревого энергоразделения должна проводиться с учетом фактов и положений, изложенных в данной работе.