1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 10, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 10, стр. 84-99

Анализ эффективности статических смесителей из фрагментов закрученной ленты и с лепестковыми элементами для смешения компонентов топливного газа

Ф. В. Тупоносов a, В. И. Артемов a, Г. Г. Яньков a, А. В. Дедов a, *

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: dedovav@mpei.ru

Поступила в редакцию 28.04.2023
После доработки 13.05.2023
Принята к публикации 01.06.2023

Аннотация

Проведено численное исследование процессов смешения многокомпонентных газовых потоков с помощью статических смесителей для снижения неоднородностей температуры и состава газовой смеси в топливном трубопроводе. Проанализированы литературные источники, представляющие интерес для данной работы. Выбраны два типа статического смесителя – последовательная цепочка элементов из закрученной ленты и лепестковый смеситель. Для указанных конструкций выполнены численные расчеты при заданных режимных параметрах смешения газовых потоков, содержащих метан, водород и азот. Турбулентные течения смеси моделировались в стационарной постановке с использованием уравнений сохранения массы, импульса и энергии, осредненных по Рейнольдсу. Для определения турбулентной вязкости применялись двухпараметрические модели с пристеночными функциями. В качестве граничных условий на входе в статический смеситель задавались поля искомых переменных, полученные ранее авторами настоящей статьи на выходе из Т-образного смесителя при числах Рейнольдса (4–6) × 106 в основной и примыкающей трубах для подачи составляющих топливной смеси. Проведен анализ эффективности процесса смешения с помощью стационарных смесителей различных модификаций. Получены поля компонентов скорости, температуры и массовых долей составляющих смеси на выходах из статических смесителей, определены потери давления в конструкциях. Предложена оптимальная конструкция смесителя, состоящая из четырех элементов, в виде закрученной на 180° пластины, каждый элемент которой имеет длину (полупериод закрутки) равную двум диаметрам трубы. Соседние элементы закручены в противоположных направлениях и примыкают один к другому под углом 90°. Показано, что во фрагменте топливного трубопровода, включающего в себя статический смеситель и прямолинейный участок трубы длиной не более пяти диаметров, удается достичь требуемых однородности состава и температуры топливной смеси в выходном сечении указанного фрагмента.

Список литературы

  1. Paul E.L., Atiemo-Obeng V.A., Kresta S.M. Handbook of industrial mixing: science and practice. John Wiley & Sons, 2004.

  2. Static mixers: Mechanisms, applications, and characterization methods: A review / A. Ghanem, T. Lemenand, D.D. Valle, H. Peerhossaini // Chem. Eng. Res. Des. 2014. V. 92. Is. 2. P. 205–228. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2013.07.013

  3. Heat and mass transfer mixing enhancements in pipe-line; numerical cfd and experimental chores: A review / Z.H. Khokhar, M.S. Al-Harthi, B.F. Abusharkh, H.H. Al-Ali, R.N. Sharma, H.D. Zughbi, A.A. Shaikh, H.H. Redhwi, A. Abdurraheem, S.U. Rehman, S.J. Zaidi, Z.U. Khan, I.A. Hussain, B.S. Yilbas // Int. J. Eng. Sci. Innovative Technol. (IJESIT). 2013. V. 2. Is. 1. P. 1–11.

  4. Sutherland W.S. Improvement in apparatus for preparing gaseous fuel: Patent No. 206642 dated 30 July 1878. Patented in England 20 May 1974.

  5. Static mixers in the process industries – A review / R.K. Thakur, Ch. Vial, K.D.P. Nigam, E.B. Nauman, G. Djelveh // Chem. Eng. Res. Des. 2003. V. 81. Is. 7. P. 787–826. https://doi.org/10.1205/026387603322302968

  6. Hewitt G.F., Shires G.L., Bott T. Process heat transfer. Begell House Inc., 1994.

  7. Streiff F.A., Jaffer S., Schneider G. Design and application of motionless mixer technology // Proc. of the 3rd Intern. Symp. on Mixing in Industrial Processes (ISMIP3). Osaka, Japan, 19–22 Sept. 1999. P. 107–114.

  8. Kumar V., Shirke V., Nigam K.D.P. Performance of Kenics static mixer over a wide range of Reynolds number // Chem. Eng. J. 2008. V. 139. Is. 2. P. 284–295. https://doi.org/10.1016/j.cej.2007.07.101

  9. Investigation of mixing behavior of hydrogen blended to natural gas in gas network / M. Kong, S. Feng, Q. Xia, Ch. Chen, Z. Pan, Z. Gao // Sustainability. 2021. V. 13. Is. 8. P. 4255. https://doi.org/10.3390/su13084255

  10. A new k–ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows / T.-H. Shih, W.W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu // Comput. Fluids. 1995. V. 24. Is. 3. P. 227–238. https://doi.org/10.1016/0045-7930(94)00032-T

  11. CFD-code ANSYS-fluent. [Электрон. ресурс.] https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

  12. Bakker A., Laroche R.D. Modeling of the turbulent flow in HEV static mixers // The Online CFM Book. 2000. P. 8. http://Www.Bakker.Org/

  13. Gretta W.J. An experimental study of the fluid mixing effects and flow structure due to surface mounted passive vortex generating device: Master’s thesis. Lehigh University, Bethlehem, Pennsylvania, USA, 1990.

  14. Jones S. C., Sotiropoulos F., Amirtharajah A. Numerical modeling of helical static mixers for water treatment // J. Environ. Eng. 2002. V. 128. Is. 5. P. 431–440. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(2002)128: 5(431)

  15. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA J. 1994. V. 32. No. 8. P.1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

  16. Welahetti P., Vaagsaether K. Comparison of OpenFoam and ANSYS Fluent computational fluid dynamic simulation of gas-gas single phase mixing with and without static // Proc. of the 9th EUROSIM & the 57th SIMS. Oulu, Finland, 12–16 Sept. 2016. V. 9. https://doi.org/10.3384/ecp171421005

  17. Моделирование процессов смешения однофазных сред в тройниковых соединениях / Ф.В. Тупоносов, В.И. Артемов, Г.Г. Яньков, Н.С. Душин, О.А. Душина, А.В. Дедов // Теплоэнергетика. 2023. № 9. С. 45–67. https://doi.org/10.56304/S0040363623090072

  18. CFD-code ANES. [Электрон. ресурс.] http:// anes.ch12655.tmweb.ru

  19. Launder B.E. On the computation of convective heat transfer in complex turbulent flows // J. Heat Transfer. 1988. V. 110. Is. 4b. P. 1112–1128. https://doi.org/10.1115/1.3250614

  20. Kader B.A. Temperature and concentration profiles in fully turbulent boundary layers // Int. J. Heat Mass Transfer. 1981. V. 24. Is. 9. P. 1541–1544. https://doi.org/10.1016/0017-9310(81)90220-9

  21. The SST turbulence model with improved wall treatment for heat transfer predictions in gas turbines / F. Menter, J.C. Ferreira, T. Esch, B. Konno // Proc. of the Intern. Gas Turbine Congress. Tokyo, Japan, 2–7 Nov. 2003.

  22. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // J. Chem. Phys. 1950. V. 18. Is. 4. C. 517–519. https://doi.org/10.1063/1.1747673

  23. Mason E.A., Saxena S.C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures // Phys. Fluids. 1958. V. 1. Is. 5. P. 361–369. https://doi.org/10.1063/1.1724352

Дополнительные материалы

скачать EMS.docx
Приложение 1. Рис. S1. - Рис. S5.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал