Расчет охлаждения природного газа в вихревой трубе

Авторы

  • Александр Владимирович Блинов (Alexander Blinov) Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Сергей Николаевич Пещеренко (Sergey N. Peshcherenko) Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Марина Петровна Пещеренко (Marina P. Peshcherenko) АО Новомет-Пермь

DOI:

https://doi.org/10.17072/1994-3598-2018-3-45-54

Ключевые слова:

природный газ, сжижение, вихревая труба, численное моделирование

Аннотация

Нефть состоит из смеси углеводородов, находящихся в жидком состоянии в пластовых условиях и в виде газожидкостной смеси на устье скважины. Газовую фазу нефти называют также попутным газом. Существует проблема его доставки потребителям, поскольку строительство газопроводов обычно экономически не оправдано из-за небольших объемов добычи попутного газа на нефтяных скважинах. Перспективным способом решения этой проблемы является сжижение газа в вихревых трубах и его транспортировка потребителям автомобильным транспортом. Вихревые трубы не имеют движущихся деталей и практически не требуют обслуживания. Исследования по разработке данной технологии стали проводиться относительно недавно и пока не привели к серийным изделиям. Основная трудность состоит в низкой точности инженерных расчетов рабочих характеристик вихревых труб, которые проводятся по полуэмпирическим методикам и требуют испытаний опытных образцов изделий. Решением этой проблемы может стать моделирование процессов охлаждения газа в вихревой трубе средствами вычислительной гидродинамики. В представленной работе реализован именно такой подход. В полной постановке задача о моделировании вихревой трубы включает расчет течения как внутри трубы, так и на выходе из холодного и горячего концов, что требует больших вычислительных ресурсов. Нам удалось свести задачу к моделированию течения только внутри вихревой трубы. Для этого мы продлевали отводящие трубопроводы из холодного и горячего концов так, чтобы давление газа на выходе из них было бы близко к атмосферному. Для тестирования методики использовали экспериментальные данные, полученные в работах других авторов, а также на опытном образце вихревой трубы, разработанной авторами. Вычисленные локальные характеристики течения, такие как поля скоростей (осевая и тангенциальная компоненты), давления и температуры имели тот же вид, как в опубликованных экспериментальных работах. Интегральная характеристика вихревой трубы – величина охлаждения, полученная при численном моделировании, отличалась от экспериментальных данных не более чем на 4–7%.

Библиографические ссылки

Biryuk V. V., Veretennikov S. V., Guryanov A. I., Piralishvili Sh. A. Vikhrevoy effekt. Tekhnicheskiye prilozheniya (Vortex effect. Technical applications), vol. 2. Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2014. 490 p. (In Russian).

Katz D. L., Cornell D., Kobayashi R., Poettmann F. H.,Vary J. A., Elenbaas J. R., Weinaug C. E. Handbook of natural gasengineering. New-York: McGrawHill, 1959. 677 p.

Gronner J. Successful experience with vortex tube technology at the EPE cavity storage of RWE energy. 23rd World Gas Conference. Amsterdam. 2006. 11 p.

Zhidkov M. A., Gusev A. P., Ryabov A. P., Vshivtsev S. P., Koshovets N. V., Kolyako B. G., Sobol Ye. P., Starokonev G. S. Trekhpotochnaya vikhrevaya truba – effektivnoye gazodinamich-eskoye ustroystvo dlya podgotovki prirodnogo ga-za k transportu (Three–flow vortex tube – efficient gas–dynamic tool for natural gas treatment). Neft, Gaz & Energetika (Oil, Gas and Energy), 2007, no. 6, pp. 18–22 (In Russian).

Merkulov A. P .Vikhrevoy effect i ego primeneniye v tekhnike (Vortex effect and its application for engineering). Moscow: Mashinostroyeniye, 1969. 185 p. (In Russian).

Piralishvili Sh. A. Vikhrevoy effekt. Fizicheskoye yavleniye, eksperiment, teoreticheskoye modelirovaniye (Vortex effect. Physical phenomenon, experiment, theoretical modelling), vol. 1. Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2013. 339 p. (In Russian).

Kazanceva O. V., Piralishvili Sh. A., Fuzeeva A. A. Chislennoe modelirovanie techeniy v vihrevih trubah (Numerical simulation of swirling flows in vortex tubes) Teplofizika vysokih temperatur (High temperature thermophysics), 2005, vol. 43, no. 4, pp. 606–611. (In Russian).

Akhesmeh S., Pourmahmoud N., Sedgi H. Numerical study of the temperature separation in the Ranque–Hilsh vortex tube. American Journal of Engineering and Applied Sciences, 2008, vol. 1, no. 3, pp. 181–187. DOI: 10.3844/ajeassp.2008.181.187

Aljuwayhel N. F., Nellis G. F., Klein S. A. Parametric and internal study of the vortex tube using a CFD model. International Journal of Refrigera-tion, 2005, vol. 28, pp. 442–450. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2004.04.004

Azizi S. H., Andalibi M. R., Saleh S. R., Kahrom M. Numerical simulation of different turbulence models aiming at predicting the flow and temperature separation in a Ranque–Hilsh vortex tube. Thermal science, 2014, vol. 18, no. 4, pp. 1159–1171. DOI: 10.2298/TSCI110727201A.

Behera U., Paul P. J., Kasthurirengan S., Karunanithi R., Ram S. N., Dinesh K. Jacob S. CFD analysis and experimental investigations to-wards optimizing the parameters of Ranque–Hilsh vortex tube. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, vol. 48, pp. 1961–1973. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.046

Bramo A., Pourmahmoud N. A numerical study on the effect of length to diameter ratio and stagnation point on the performance of counter flow Ranque–Hilsh vortex tubes. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 2010, vol. 4, pp. 4943–4957.

Deshmukh B. S., Chhapkhane N. K. Computational fluid dynamics analysis and experimental investigations of optimum geometry for the cold end orifice and snail entry of vortex tube. Journal of mechanical and civil engineering, 2014, vol. 11, no 4, pp. 24–31. DOI: 10.9790/1684–11432431

Dutta T., Sinhamahapatra K. P., Bandyopadhyay S. S. Comparison of different turbulence models in predicting the temperature separation in a Ranque–Hilsh vortex tube. International Journal of Refrigeration, 2010, vol. 33, pp. 783–792. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2009.12.014

Dutta T., Sinhamahapatra K. P., Bandyopadhyay S. S. Numerical investigation of gas species and energy separation in the Ranque–Hilsh vortex tube using real gas model. International Journal of Refrigeration, 2011, vol. 34, pp. 2118–2128. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2011.06.004

Linhart J., Kalal M., Matas R. Numerical study of vortex tube properties. 16th international symposium on transport phenomena, Prague, 2005. 7 p.

Marques C. H., Isoldi L. A., dos Santos E. D., Rocha L. A. O. Constructial design of a vortex tube for several inlet stagnation pressures. Thermal Engineering, 2012, vol. 11, no 1, pp. 85–92.

Pouraria H., Park W.-G. Numerical investigation on cooling performance of Ranque–Hilsh vortex tube. Thermal Science, 2014, vol. 18, no. 4, pp. 1173–1189. DOI: 10.2298/TSCI120610052P

Pourmahmoud N., Akhesmeh S. Numerical investigation of the thermal separation in a vortex tube. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2008, vol. 19, pp. 399–405.

Gao C. Experimental study on the Ranque‒Hilsh vortex tube. PhD Dissertation in Mechanical Engineering. Eindhoven: Technische Universiteit, 2005, 151 p.

Shih T.-H., Liou W. W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k–ɛ eddy–viscosity model for high Reynolds number turbulent flows. Model development and validation. Computers and Fluids, 1995, vol. 24, no. 3, pp. 227–238.

Camire J. Experimental investigation of vortex tube concepts. Master thesis in Applied Science. Vancouver: the University of British Columbia, 1995, 139 p.

Raut S. S., Dnyaneshwar N. G., Bhimate C. D., Raut M. A., Uplarkar S. A., Patunkar P. P. An experimental modeling andinvestigation of change in working parameters on the performance of vortex tube. International Journal of Advanced Mechanical Engineering, 2014, vol. 4, no. 3, pp. 343–348

Загрузки

Опубликован

2018-11-21

Выпуск

Раздел

Статьи (Regular articles)