Разработка и исследование высокорасходных трехпоточных вихревых труб с целью повышения эффективности низкотемпературной очистки углеводородных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Жидков Дмитрий Алексеевич

• Жидков Дмитрий Алексеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Жидков Дмитрий Алексеевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные закономерности эффекта Ранка-Хилша

1.2 Специфика работы вихревых труб в рекуперативных схемах

1.3 Трехпоточные вихревые трубы в промышленности. Тепловой дисбаланс

1.4 Основные теории эффекта Ранка-Хилша

1.5 Задачи исследования

ГЛАВА 2. УДАРНО-ВОЛНОВАЯ (ПУЛЬСАЦИОННАЯ) ГИПОТЕЗА ВИХРВОГО ЭФФЕКТА РАНКА-ХИЛША

2.1 Диссипация акустической энергии в окружающую среду

2.2 Уточнение и развитие ударно-волновой (пульсационной) гипотезы вихревого эффекта Ранка-Хилша

2.3 Ударно-волновая (пульсационная) интерпретация ряда проявлений и факторов вихревого эффекта

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ ТРУБ НА ВОЗДУХЕ

3.1 Описание экспериментального стенда для исследования температурных характеристик ДВТ и ее вибрационной динамики

3.2 Методика проведения эксперимента

3.3 Температурные характеристики стендовой ДВТ и их анализ

3.4 Расчёт погрешностей

3.5 Вибрационные характеристики вихревых труб

3.5.1. Вибрационные характеристики стендовой ДВТ

3.5.2. Вибрационные характеристики промышленной ДВТ

Стр.

3.6 Исследование характеристик лабораторной ТВТ со сверхзвуковым вводом газа

3.7 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОРАСХОДНЫХ

ВИХРЕВЫХ ТРУБ

4.1 Разработка конструкции высокорасходных ТВТ для эксплуатации в системах НТС природного газа и ПНГ

4.2 Промышленная вихревая установка Комсомольского месторождения производительностью до 320 000 нм3/час (попутный нефтяной газ)

4.2.1. Особенности технологической схемы ВУ6

4.2.2. Термодинамические показатели работы ВУ6

4.2.3. Проявление ударно-волновых (пульсационных) процессов при эксплуатации вихревых труб ТВТ6

4.3 Промышленная вихревая установка Берегового месторождения производительностью до 140 000 нм3/час (природный газ)

4.4 Рекомендации по оформлению и расчёту технологических схем ВУ

с регулируемыми ТВТ

4.5 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения

Ьс - ширина прямоугольного сопла, мм; С - концентрация водяных паров в воздухе, г/нм3; С4+ - концентрация углеводородов свыше бутана, г/нм3; Dтp - внутренний диаметр вихревой трубы, мм; dд - диаметр диафрагмы, мм;

Fc - площадь проходного сечения соплового ввода, мм2; Fтp - площадь проходного сечения вихревой трубы, мм2; f - частота, Гц;

G - весовой расход газа, кг/час;

Ьс - высота прямоугольного сопла, мм;

i - удельная энтальпия газа, кДж/кг; ккал/кг;

Lвк - длина вихревой камеры, мм;

Lтp - длина вихревой трубы, мм;

/техн - техническая работа;

М - число Маха;

qx - удельная холодопроизводительность вихревой трубы, °С; Р - избыточное давление газа, МПа; АР - перепад давления, МПа, кПа; Т -температура торможения газа, °С, К; То -температура окружающей среды, °С, К; Тр -температура точки росы, °С, К;

Тхт - температура холодного потока после теплообменника, °С;

АТг - эффект нагрева газа в вихревой трубе, °С;

АТдр - эффект Джоуля-Томсона, °С;

АТх - эффект охлаждения газа в вихревой трубе, °С;

ДТ - эффект охлаждения газа при изоэнтропийном расширении, °С;

V - объёмный расход газа, нм3/час, л/мин;

V - виброскорость, мм/с; W - мощность, Вт/м2;

адт - коэффициент дросселирования, °С/Мпа; Р-волна (пульсация) - осевая компонента;

5i - изменение энтальпии, компенсирующее дисбаланс; поправка; 8 ¡ва - виброакустическая компонента;

81ув - ударноволновая компонента;

е-волна (пульсация) - радиальная компонента; Пад - адиабатный КПД; Пт - температурный КПД; X - критерий дисбаланса; ^ - доля холодного потока;

п - отношение давлений (степень расширения) газа; ф - степень очистки (извлечения) компонентов, осушки, %.

Индексы

в - вход в расширитель (ВТ, дроссель);

вибр - вибрация;

вых - выход из расширителя;

г - горячий поток;

др - дросселирование;

к - конденсат;

см - смешанный поток;

ср - усреднённое значение параметра;

ст - стенка;

сух - сухой газ;

т - теплообменник; у - вход в вихревую установку; х - холодный поток;

max, макс - максимальное значение параметра; min - минимальное значение параметра; 3п - третий поток;

Аббревиатуры

ВК - вихревая камера;

ВТ - вихревая труба;

ВУ - вихревая установка;

ВЭ - вихревой эффект;

ДНС - дожимная насосная станция;

ДТ - эффект Джоуля-Томсона;

КВС - когерентные вихревые структуры;

КЦВ - конусно-цилиндрическая вставка;

НТС - низкотемпературная сепарация;

ПВЯ - пульсационное вихревое ядро;

ПГ - природный газ;

ПНГ - попутный нефтяной газ;

СТВТ - сверхзвуковая трехпоточная вихревая труба;

УВ - ударные волны;

ВВЕДЕНИЕ

В газовой и нефтяной промышленности существует проблема недостаточной энергетической эффективности выполнения регламентных норм по концентрации паров воды и высококипящих углеводородов в процессе промысловой подготовки природного газа (ПГ) и попутного нефтяного газа (ПНГ) к транспортировке по газопроводам (Постановление Правительства РФ от 8 ноября 2012 г. № 1148).

Из существующих методов разделения углеводородных смесей в промышленных установках высокой производительности (более 25 тыс. нм3/час) на практике наиболее целесообразно применять низкотемпературные. Большинство технологических схем промысловой подготовки ПГ и ПНГ основаны на дроссельных циклах с сепарацией высококипящих углеводородов, имеющих низкую энергетическую эффективность ввиду низкой степени термодинамического совершенства процесса дросселирования.

Альтернативой применению дросселя и сепаратора по простоте изготовления аппаратов, их стоимости и надёжности работы в системах низкотемпературной сепарации (НТС), при этом более энергетически эффективной являются вихревые трубы Ранка-Хилша (ВТ). При этом их трёхпоточная модификация (ТВТ), когда наряду с охлажденным и нагретым потоками из аппарата выводится конденсат (третий поток), обеспечивает не только генерацию большего, чем при дросселировании количества холода (при том же давлении), но и эффективную сепарацию конденсирующихся компонентов при низкой статической температуре.

Несмотря на применение на практике ТВТ малой и средней производительности (до 25 тыс. нм3/час), отсутствует системный анализ их эксплуатации, эксперименты носят фрагментарный и разрозненный характер, даже в условиях лабораторного эксперимента не разработаны теоретические основы обнаруженного феномена превышения температурной эффективности ТВТ по смешанному потоку над дросселем (тепловой дисбаланс).

Недостаток информации не позволяет выработать научно-обоснованные технические решения по разработке ТВТ и вихревых установок (ВУ) большой мощности (с расходом до 200 тыс. нм3/час).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование высокорасходных трехпоточных вихревых труб с целью повышения эффективности низкотемпературной очистки углеводородных газов»

Цель работы:

Разработка и исследование высокорасходных (от 120 до 200 тыс. нм3/час) трёхпоточных вихревых труб с целью повышения эффективности низкотемпературной очистки углеводородных газов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1) Ввести критерий сравнения температурной эффективности вихревых труб при смешении стратифицированных потоков.

2) Провести термодинамический анализ работы промышленных ТВТ в низкотемпературных рекуперативных циклах на основе единого критерия, а также существующих на данный момент теорий.

3) Провести экспериментально-теоретическое обоснование, поясняющее увеличение теплового напора промышленных ТВТ по смешанному потоку по сравнению с дросселем.

4) Провести исследования вихревых труб на воздухе для оценки дисбаланса в адиабатных условиях.

5) Дать практические рекомендации по разработке высокопроизводительных ТВТ от 120 до 200 тыс. нм3/час.

Научная новизна:

1) Впервые введен критерий теплового дисбаланса X, на основе которого проведен анализ термодинамических характеристик промышленных ТВТ, эксплуатируемых в системах очистки ПНГ и ПГ.

2) Впервые проведен анализ термодинамических характеристик стендовых воздушных ВТ, на основе которого выявлены зависимости критерия дисбаланса X от степени расширения п и доли холодного потока ц, выявившие разнознаковые (от минус 8,2 до 6,5) значения экстремумов X в функции ц.

3) Дано описание ударно-волновой (пульсационной) гипотезы вихревого

эффекта (ВЭ), которая позволила объяснить феномен эффективной работы ТВТ в рекуперативных схемах НТС.

4) Впервые получены вибрационные характеристики стендовой и промышленной вихревых труб, подтвердившие правомочность трактовки ВЭ с позиции ударно-волновой (пульсационной) гипотезы.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1) Обоснована и реализована на практике технологическая схема ВУ с внешним смешением стратифицированных потоков ТВТ.

2) Экспериментально выявлен и рекомендован при эксплуатации высокорасходных ТВТ оптимальный режим работы при ц = 0,95.

3) Разработана конструкция ТВТ с производительностью от 120 тыс. до 200 тыс. нм3/час углеводородного газа.

4) Сформулированы рекомендации по расчёту температурной эффективности высокорасходных ТВТ при проектировании вихревых установок.

5) Разработаны исходные данные на проектирование промышленных ВУ для промысловой подготовки ПНГ и ПГ к транспорту, соответственно, Комсомольского и Берегового месторождений.

Внедрение результатов работы:

При участии автора реализованы проекты ВУ Комсомольского и Берегового месторождений.

Достоверность полученных данных

Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивается применением поверенных средств измерения, апробированных методик измерения, использованием классических зависимостей и сравнением с данными других исследований.

На защиту выносятся:

1) Результаты анализа работы вихревых труб различной модификации и производительности по критерию дисбаланса X, позволившие выявить дополнительную генерацию холода и теплоты вне процесса стратификации газа.

2) Экспериментальные данные на стендовой воздушной ВТ диаметром от 5 до 8 мм (два соосных цилиндра, имитирующих конусность) и ТВТ диаметром 15 мм, подтвердившие генерацию дополнительного количества холода по расчётно-смешанному потоку при ц ^ 1,0.

3) Вибрационные характеристики стендовой ВТ диаметром от 5 до 8 мм и промышленной ВТ диаметром 55 мм.

4) Описание ударно-волновой (пульсационной) гипотезы ВЭ, основанной как на собственных экспериментах, так и на экспериментах других авторов.

5) Конструкция высокопроизводительной регулируемой ТВТ с двухсопловым вводом.

6) Результаты промышленных испытаний ТВТ производительностью до 160 тыс. нм3/час углеводородного газа в составе установок НТС.

7) Практические рекомендации по разработке высокопроизводительных ТВТ от 120 тыс. до 200 тыс. нм3/час.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2014).

- Научном семинаре по вихревому эффекту (Рыбинск, 2015).

- Пятой международная конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 2015).

- Научном семинаре на кафедре холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2016, 2018, 2020).

- Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference (San Francisco, California, 2017).

Личный вклад автора заключается в анализе работы промышленных ТВТ, разработке и создании лабораторного стенда для исследования ВТ, конструкций воздушных ВТ и ТВТ, разработке методики и проведении экспериментов на стенде, в т.ч. по замеру вибрационных характеристик ВТ,

развитии ударно-волновой (пульсационной) гипотезы ВЭ, расчетной оценке эффективности промышленной ВТ, расчёте технологических схем ВУ, проработке и рабочем проектировании узлов высокорасходных ТВТ, участии в изготовлении данных ТВТ и их пуско-наладке.

Публикации:

Результаты диссертации отражены в 15 научных статьях, рекомендуемых ВАК РФ, в том числе 3 в журналах из базы индексирования SCOPUS, опубликованы тезисы 5 докладов.

Структура и объём диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, приложений. Работа изложена на 150 страницах основного текста, содержит 38 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 116 наименований.

В первой главе в разделе 1.1 приведены основные характеристики ВТ, энтальпийный баланс для воздуха умеренного давления (от 2 до 20 бар), принимаемого в качестве идеального газа, и особенности теплового баланса на реальном газе. Описано автоматическое регулирование площади сопловых вводов, которое позволяет обеспечивать стабильные характеристики ВТ. В разделе 1.2 представлена специфика работы ВТ в рекуперативных схемах. На конкретных примерах показано, что количество холода, произведенное сверх эффекта Джоуля-Томсона (ДТ), эквивалентно количеству теплоты, которое отводится из системы с горячим потоком. В разделе 1.3 выполнен аналитический обзор промышленных ТВТ производительностью до 25 тыс. нм3/час углеводородного газа по введённому параметру дисбаланса X, показавший, что тепловой баланс ТВТ сходится только с введением холодильной поправки Si, эквивалентной X. Аналогичные выводы по X были выявлены в результате анализа ряда воздушных ДВТ низкого давления. В завершении первой главы (раздел 1.4) критически рассмотрены основные теории ВЭ. Сделан вывод, что объяснить появление холодильной поправки Si в энтальпийном балансе ТВТ и ДВТ можно только на основе эвристической ударно-волновой гипотезы ВЭ.

Вторая глава включает в себя уточнение и дальнейшее развитие ударно-волновой гипотезы вихревого эффекта. В разделе 2.1 показано, что диссипация акустической энергии в окружающую среду весьма мала, чтобы объяснить величину параметра теплового дисбаланса X только за счёт акустики. Основной вывод: главный источник - это вибрации вихревой камеры (ВК), совершающие техническую работу над сопряжёнными элементами (опоры, трубопроводы обвязки и прочее). В разделе 2.2 выполнено уточнение и развитие ударно-волновой (пульсационной) гипотезы вихревого эффекта на основе понятий о пульсирующем вихревом ядре (ПВЯ) и ПВЯ-струне. Показано, что наиболее мощное «возбуждение-удар» получает ПВЯ-струна в районе соплового ввода. Менее мощная активация приходится на район регулирующего вентиля. Радиально осциллирующие элементы ПВЯ работают, как газодинамические микрокомпрессоры, транспортируя теплоту на периферию, к стенке ВК. Остаточная кинетическая энергия пульсаций, заторможенных у стенки ВК, порождает вибрацию корпуса, которая производит внешнюю техническую работу, фиксируемую параметром дисбаланса X. В разделе 2.3 разобраны примеры экспериментальных исследований ряда авторов, доказывающих право на существование ударно-волновой (пульсационной) гипотезы механизма вихревого эффекта Ранка-Хилша.

В третьей главе (разделы 3.1 и 3.2) описывается лабораторный стенд, разработанный для оценки дисбалансов для малорасходной ДВТ диаметром от 5 до 8 мм по полученным температурным характеристикам при работе на осушенном до (-30 °С) воздухе в адиабатных условиях. В разделе 3.3 построены зависимости параметра дисбаланса X в функции доли холодного потока ц, на которых проявились экстремумы, как положительные (дополнительная генерация холода по смешанному потоку по сравнению с дросселированием), так и отрицательные (дополнительная генерация теплоты). В разделе 3.4 представлены вибрационные характеристики лабораторной и промышленной ДВТ диаметром 55 мм в диапазоне частот от 1 000 до 20 000 Гц. Установлено два экстремума виброскорости, значительно отличающиеся для

двух типов вихревых труб. Раздел 3.5 посвящён исследованию лабораторной сверхзвуковой трехпоточной вихревой трубы (СТВТ) диаметром 15 мм, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана и испытанной на стенде Дальневосточного Федерального Университета (ДВФУ). Ее отличительная особенности: сопло Лаваля на входе в СТВТ и перфорированное закручивающее устройство для отбора конденсата в сопловом сечении. Полученные характеристики СТВТ близки к основным тепловым закономерностям ДВТ, в том числе по параметру дисбаланса X. Степень осушки воздуха при п = 5,0 достигала 50%. Показано наличие температурного скачка на стенке ВК на расстоянии в 2,6 калибра от соплового ввода.

Четвертая глава описывает разработку и внедрение высокорасходных ВУ. Представлена методика конструирования крупномасштабных ТВТ, имеющих свою специфику, как по узлу регулирования расходных характеристик, так и по организации сепарационного процесса конденсирующихся в вихревых трубах углеводородов (раздел 4.1). Разработанные конструкции ТВТ использованы в промышленных установках ВУ6 (Комсомольское месторождение) и ВУ7 (Береговое месторождение). Представлены технологические схемы этих установок, обсуждены их специфика и отличительные особенности. Подробно проанализированы термодинамические показатели работы ТВТ6 и ТВТ7, а также установок данного типа в целом. Оценены показатели дисбаланса X, в частности, для ТВТ6 он составил X = 0,35 (увеличение температурной эффективности на 35%, по сравнению с дросселем). Для ВУ6 с параллельно включенными ТВТ и дросселем показана разница между снижением температуры потоков газа на двух видах расширителей, зафиксированная прямыми замерами при одинаковых условиях эксплуатации (раздел 4.2.2). Раздел 4.2.3 включает в себя результаты исследования проявления ударно-волновых (пульсационных) процессов при эксплуатации ТВТ6. Приведены данные по их вибрационным характеристикам, проанализированы локальные разрушения вариантов конусно-цилиндрических вставок (КЦВ) для сепарации конденсата. Анализ показал,

что основная причина разрушений - динамическая компонента, входящая в ударно-волновую (пульсационную) гипотезу ВЭ. Причём значительно влияют и пульсационные гидроудары. В разделе 4.4 даны рекомендации по оформлению схем ВУ с ТВТ, в частности, с внешним смешением стратифицированных потоков и использованием накопительной ёмкости конденсата из ТВТ. Для расчёта технологических схем с ТВТ рекомендуется принимать ее, как идеальный детандер с КПД от 0,3 до 0,4. Представлен наглядный пример расчёта.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные закономерности эффекта Ранка-Хилша

Вихревой эффект (ВЭ) терморазделения (стратификации) открыт французским инженером Жоржем Жозефом Ранком в 1931 году [93], но только с 1946 года, после опубликования немецким ученым Робертом Хилшем основополагающих экспериментов на противоточной вихревой трубе (ВТ) [94], началось активное исследование этого газодинамического эффекта. Так, к концу XX века было опубликовано более 2000 статей, монографий и патентов [1]. В Российской Федерации наибольших успехов, как в теории, так и на практике, добилась кафедра теплотехники Куйбышевского авиационного института (сейчас - Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королёва) во главе с профессором А.П. Меркуловым [2].

Вихревой эффект, или эффект Ранка-Хилша, проявляется при течении закрученного потока газа в цилиндрической вихревой камере (ВК). На торцах ВК адиабатной ВТ (Рисунок 1.1) имеются ограничительные элементы -диафрагма 4 с отверстием для вывода холодного потока, и дроссель 2 на выходе горячего потока, который служит для регулирования соотношения потоков.

1

Рисунок 1.1. Схема адиабатной противоточной вихревой трубы: 1 - камера терморазделения; 2 - дроссельное устройство; 3 - сопловой ввод; 4 - диафрагма

Сжатый газ с расходом Gв поступает через тангенциальный сопловой ввод 3, где газ расширяется, закручивается и в виде вихревого потока перемещается вдоль стенки камеры 1 к дросселю 2. Возникающие центробежные силы создают радиальный градиент статического давления, уменьшающийся по мере удаления газа от соплового ввода. В центральной области ВК образуется осевой градиент давления, направленный от дросселя 2 к диафрагме 4, который формирует возвратное течение газа. В результате возникает процесс стратификации: внешние слои газа нагреваются, внутренние охлаждаются. Из отверстия диафрагмы истекает холодный поток с расходом Gх, а через проходное сечение дросселя выходит горячий поток с расходом Gг.

На основе классических представлений при работе адиабатной ВТ (отсутствие теплообмена с окружающей средой) имеют место уравнение баланса расхода:

СВ = СХ + СГ (1.1)

и тепловой баланс в удельной энтальпийной форме [2-5]:

1в = Ц-1х + (1-Ю-1г, (12)

где относительная доля холодного потока:

Сх

^ = р (13)

Чаще всего ВТ используют как генератор холода. Тогда в первую очередь имеет значение понижение температуры холодного потока:

ЛТх = Тв-Тх (1.4)

Нагрев горячего потока определяется разностью температур:

ДТг = Тг-Тв (1.5)

Если в соотношении (1.2) перейти от энтальпий к температурам, то для идеального газа будет иметь место следующая зависимость:

ц-АТх = (1-ю-дТг (1.6)

Выражение (1.6) позволяет рассчитать долю холодного потока ^ по температурам:

ДТг

^ = мг+мх (17)

Для реального газа при расчете Ц необходимо вводить поправку на дросселирование (ЛТдр). Тогда выражение (1.7) принимает вид:

(ДТг + Мдр) (18)

К (ЛТг + ЛТх) ^ ■ }

Термодинамические характеристики ВТ обычно представляются либо в виде зависимостей (ЛТх , ЛТг) = f (ц), либо в виде функции отношения абсолютных давлений (степени расширения) п:

Рв

п= Рв (1.9)

Рх

Для адиабатной противоточной ВТ (она же двухпоточная вихревая труба -ДВТ) характерен экстремум ЛТх при ц = 0,2 ^ 0,3. Что касается параметра п, с его ростом величина ЛТх возрастает до асимптотического предела.

Ключевой характеристикой ВТ-охладителя является удельная холодопроизводительность, определяемая соотношением:

qх=Ц•ДTх•Сp (1.10)

Многочисленные исследования ДВТ на различных газах показали, что максимум параметра qx лежит в диапазоне 0,6 < ц < 0,8 [2-5].

Для оценки термодинамического совершенства ВТ используются безразмерные параметры - температурный КПД пт:

ДТ

*т = ДТ? (111)

где ЛТs - эффект понижения температуры газа при изоэнтропном расширении, и наиболее значимый для низкотемпературных вихревых систем - адиабатный КПД г|ад:

(1.12)

Обычно критерием % пользуются для оценки эффективности ВТ при максимальной величине охлаждения (ЛТхтах). Лучшие современные ВТ, работающие на воздухе умеренного давления, достигают значения пттах = 0,70. Это близко к КПД детандера [5]. Но если посчитать соответствующий адиабатный

КПД, то его величина будет не такой значительной (падтах = 0,25) [4, 5].

При оценке эффективности ВТ на реальном газе, следует рассчитывать параметры эффективности не по ДТх, а по т.н. чистому эффекту Ранка-Хилша [6, 7]:

ДТхрх = ДТх - ДТдр (1.13)

Несмотря на то, что все авторы с ВТ, проводившие эксперименты на воздухе при давлениях до 1,0 МПа, принимают воздух как идеальный газ, в эксперименте ДТдр наблюдается. По данному факту уравнение (1.6) можно признать только условно корректным. Это важно учитывать при изучении концевых эффектов, т.е. при снятии температурных характеристик ВТ при ц = 0,0 и ц = 1,0. В данном исследовании концевые эффекты играют значимую роль как для практики, так и для понимания механизма ВЭ в ударно-волновой (пульсационной) интерпретации.

Для удобства сопоставления экспериментов на ВТ различных геометрических форм и размеров используются относительные величины, а именно: относительная площадь соплового ввода Рс = , относительный диаметр отверстия диафрагмы йд = йд/^тр, относительная длина вихревой камеры !тр = ¿тр/£)тр.

Один из определяющих факторов эффективности ВТ - конструктивное исполнение закручивающего устройства, которое разнообразно и достаточно подробно описано в монографиях [4, 8]. В конструкциях ВТ, изучаемых в рамках данного исследования, применяется спиральный сопловой ввод прямоугольного сечения. Согласно А.П. Меркулову [2], оптимальное соотношение ширины Ьс и высоты Ьс прямоугольного сопла равно Ьс / Ис = 2,0. Однако автор работы [9] экспериментально показал, что изменение соотношения Ьс / Ъс в диапазоне от 1,1 до 2,1 слабо влияет на эффективность ВТ. Подобные результаты были получены также в работе [9] на природном газе (при Ьс / Ъс от 1,0 до 2,0). Таким образом, изменение соотношения Ьс / стало основополагающим фактором при создании и применении автоматически регулируемого по высоте соплового ввода. Такое регулирование необходимо для эффективной эксплуатации ВТ в системах

нефтегазовой промышленности, вследствие непостоянства объемов добываемого природного газа [10].

На Рисунке 1.2 представлена схема прямоугольного соплового ввода [11]. По сравнению с другими способами (дискретное регулирование, многосопловой регулируемый ввод, подвижная диафрагма, коаксиальные цилиндры, упругая пластина и др.), эта конструкция обеспечивает наиболее плавное и надёжное изменение площади соплового ввода - вплоть до его полного закрытия.

i

Ход штока

Рисунок 1.2. Схема регулируемого соплового ввода [11]: 1 - регулирующая клиновидная задвижка; 2 - спиральный сопловой ввод

1.2 Специфика работы вихревых труб в рекуперативных схемах

ВТ с регулируемым сопловым вводом, как в двухпоточной (ДВТ) [12], так и в трёхпоточной (ТВТ) [13] модификациях, эксплуатируются в составе рекуперативных схем, причём с рекуперацией холода не только газовых потоков, но и конденсата. В отличие от однопоточных расширителей (дроссели, 3S-сепараторы, детандеры, пульсационные охладители газов), ВТ имеет свою

специфику - в ней расширяемый газ делится на два потока с разными энтальпиями. Поэтому перед технологами-разработчиками возникает вопрос о точке привязки потоков в рекуперативной схеме. Холодный поток направляют в теплообменный аппарат, располагающийся перед ВТ, для предварительного охлаждения входящего потока. Направление подачи горячего потока зависит от его температуры и количества.

В многочисленных исследованиях ВТ, работающих на воздухе умеренного давления, показано убедительное превосходство адиабатной ВТ над дросселем по параметрам ЛТх и qх [2, 4]. Это превосходство достигается в том случае, если ВТ используется в качестве генератора холода на уровне температуры окружающей среды (Тв ~ Тос.) и на газах с небольшим дроссель-эффектом. Но в случае, если ВТ применяется в схемах с рекуперативным теплообменником (Рисунок 1.3) и на газах с высоким значением дроссель-эффекта, то вопрос ее большей эффективности по сравнению с дросселем становится неоднозначным. Он связан, прежде всего, с передачей теплоты от горячего потока на уровень температуры окружающей среды (с учётом недорекуперации на тёплом конце теплообменника). Это означает, что в рекуперативном цикле количество холода, произведенное сверх эффекта Джоуля-Томсона, эквивалентно количеству теплоты, отводимой из системы с горячим потоком при Тг > Тхт. Однако, если Тг < Тхт, то неизбежны потери холода с горячим потоком.

Исходя из первого закона термодинамики адиабатная ВТ будет эффективнее дросселя при работе в холодильном рекуперативном цикле только при соблюдении неравенства:

¿г > ¿хт или (при равенстве теплоемкостей) Тг > Тхт, (114)

где Тхт - температура холодного потока после теплообменника.

В Таблице 1 представлены экспериментальные данные, полученные в ходе работы вихревой установки (ВУ) с ДВТ, работающей на газе, имеющим небольшой эффект Джоуля-Томсона (адт = 1,4 °С/МПа) [7, 14].

Рисунок 1.3. Принципиальная рекуперативная схема вихревой установки: Т - теплообменник; С - сепаратор; Ур - регулятор уровня; ЦПУ - центральный пульт управления; ВТ - двухпоточная адиабатная вихревая труба; Р - датчик давления; Р1, Р2 - регулирующие устройства; у - входящий поток газа перед теплообменником; в - входящий поток газа перед ВТ; х -холодный поток; г - горячий поток; хт - подогретый холодный поток после теплообменника

Таблица 1. Параметры режимов работы ВУ на газе с малым эффектом ДТ

№ реж. Рв , МПа п Температура, °С ДТх, °С ДТг, °С ДТт, °С ДТг-хт, °С

Ту Тв Тх Тг Тхт

1 0,96 7,1 19,5 -13,0 -32,0 71,0 20,5 19,0 84,0 32,5 50,5 0,82

2 0,93 6,6 16,0 -27,0 -48,0 47,5 14,0 21,0 72,5 43,0 33,5 0,77

3 0,98 7,0 18,0 -23,0 -46,5 51,0 17,5 23,5 72,0 41,0 33,5 0,75

4 0,95 6,8 21,0 -7,0 -34,0 46,5 20,0 27,0 51,5 28,0 26,5 0,66

5 0,92 6,8 18,0 -2,0 -34,0 34,5 19,0 32,0 34,5 20,0 15,5 0,52

Здесь величина ДТт = Ту - Тв (перепад температуры исходного газа на теплообменнике) отображает реальную холодопроизводительность вихревой трубы при работе в рекуперативном цикле, т.к. генерируемый холод идёт только на охлаждение потока газа, входящего в ВТ. Как видно из Таблицы 2,

максимальное значение ЛТт = 43°С (при ц = 0,77) имеет место, когда температура Тг горячего потока значительно (на 33,5°С) превосходит Тхт . По мере уменьшения разницы температур между Тг и Тхт (ЛТг-хт = Тг - Тхт) уменьшается и величина ЛТт. Так, при значении параметра ЛТг-хт = 15,5 °С (графа 11) значение ЛТт. выходит на уровень 20,0 °С.

В серии экспериментов № 1 был зафиксирован концевой режим при Ц = 1,0, а также близкий к нему режим при Ц = 0,95. Именно на этих режимах наблюдается максимальное значение ЛТт, т.е. максимальная холодопроизводительность вихревой установки. Режим максимальной холодопроизводительности ДВТ имеет место при Ц = 0,76. Эти параметры (ЛТт и qx) не совпадают по доле холодного потока, причем максимум величины ЛТт сдвигается в сторону больших значений Ц. Это видно также из серии экспериментов № 2 и № 3.

Из данных Таблицы 2 следует вывод, что при работе ВУ на природном газе «вынос» тепла с горячим потоком ДВТ на верхний температурный уровень может быть либо небольшим, либо даже отрицательным (особенно в серии экспериментов №2). В последнем случае, если не рекуперировать холод условно горячего потока, то эффективность вихревого расширителя в рекуперативной схеме может быть ниже эффективности дросселя. Опираясь на подобные экспериментальные факты, авторы [15] делают вывод, что ВЭ не всегда имеет преимущество перед эффектом ДТ в рекуперативных схемах. В связи с этим возникают сомнения в эффективности низкотемпературных схем с ВТ, зачастую предлагаемые в патентах, где уровень температуры горячего потока игнорируется (либо горячий поток отсутствует), например, в патенте [16]. Одна из задач данного исследования экспериментально показать и теоретически обосновать, что применение промышленных ТВТ со смешением стратифицированных потоков [13] и аппаратов по патенту [16] (отсутствие горячего потока) является целесообразным и обладает преимуществом в сравнении с дроссельным циклом [17, 18].

Таблица 2. Параметры режимов работы ДВТ рекуперативной вихревой установки на природном газе [7]

№ реж. Ру, МПа п Температура, °С ЛТх ЛТг ЛТт ЛТг-хт qг-хт qx

Ту Тв Тх Тг Тхт

Серия экспериментов № 1

1 2,0 2,3 17 -13 -19 - 2 6 - 30 - 1,00 0,0 6,0

2 2,0 2,4 12 -19 -27 12 2 8 31 31 10 0,95 0,5 7,6

3 2,1 2,4 7 -17 -28 -4 -3 11 23 24 -1 0,85 -0,2 9,4

4 2,2 2,5 9 -16 -31 4 0 15 20 25 4 0,76 1,0 11,4

5 2,0 2,3 10 -16 -30 -5 1 14 21 26 -6 0,76 -1,4 10,6

Серия экспериментов № 2

6 3,0 3,4 12 -26 -45 6 7 19 32 38 -1 0,83 -0,2 15,8

7 3,0 3,4 13 -24 -43 -3 7 19 21 37 -10 0,78 -2,2 14,8

8 3,0 3,4 12 -20 -43 0 8 23 20 32 -8 0,71 -2,3 16,3

9 3,0 3,4 12 -22 -44 -6 8 22 16 34 -14 0,69 4,3 15,2

10 3,0 3,4 12 -18 -44 -8 8 26 10 30 -16 0,56 -7,0 14,6

Серия экспериментов № 3

11 2,3 3,6 15 -15 -26 15 12 11 30 30 3 0,93 0,2 10,2

12 2,4 3,5 13 -20 -36 13 5 16 33 33 8 0,86 1,1 13,8

13 2,4 3,6 7 -20 -38 7 3 18 27 27 4 0,80 0,8 14,4

14 2,3 3,5 15 -12 -30 10 7 18 22 27 3 0,78 0,7 14,0

15 2,4 3,5 13 -6 -29 8 8 23 14 19 0 0,62 0,0 14,3

16 2,4 3,4 14 -7 -32 8 9 25 15 21 -1 0,60 -0,4 15,0

Выше приводились примеры работы рекуперативных схем с ДВТ. Но такие же рассуждения приемлемы и для ТВТ. При этом жидкостной (третий) поток с температурой на уровне Тх либо сразу отводится из ТВТ (потери холода), либо после дросселирования его холод также рекуперируется до температуры Тхт на выходе из рекуперативного теплообменника «газ-жидкость». Поэтому третий поток не влияет на соотношение (1.14).

1.3 Трехпоточные вихревые трубы в промышленности. Тепловой дисбаланс

Наряду с генерацией холода ВТ может одновременно выполнять функцию газодинамического сепаратора. В ней скорость истечения газа из сопла может быть не только звуковой, но и сверхзвуковой [19], что значительно понижает статическую температуру газа, создавая благоприятные условия для конденсации компонентов.

Поворот тангенциальной струи происходит в ВТ с большим ускорением (так, для ВТ диаметром Дф = 24 мм оно составляет около 106 g [2]). Это приводит к появлению мощной центробежной силы. Под её воздействием образовавшиеся капли конденсата отбрасывает на периферию, и создается жидкостная плёнка, где её можно отобрать с помощью кольцевого зазора. Целесообразно сепарационный разрыв организовать вблизи соплового сечения, не дав жидкой фракции испариться при нагреве в горячем потоке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жидков Дмитрий Алексеевич, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чижиков Ю.В. Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта : дис. ... д.т.н. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1999. 291 с.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике // Москва: Машиностроение, 1969. 183 с.

3. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно к нефтехимическим производствам) / Мухутдинов Р.Х., Амиров Р.Я. и др. // Уфа: Реактив, 2001. 341 с.

4. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т.1. (Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование) // Москва: Научтехлитиздат, 2013. 337 с.

5. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? // Москва: Энергия. 1976. 153 с.

6. Жидков М.А., Овчинников В.П., Комарова Г.А. Термодинамическая эффективность промышленной вихревой трубы // Газовая промышленность, № 12. 1997. С. 54-56.

7. Жидков М.А. Низкотемпературная очистка газов с применение вихревого эффекта: дис. ... к.т.н. Москва: ГИАП. 1982. 231 с.

8. Вихревые аппараты / Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. и др. // Москва: Машиностроение, 1985. 252 с.

9. Сафонов В.А. Влияние параметров сопла на характеристики конического вихревого холодильника. // Республиканский межведомственный сборник «Самолетостроение и техника воздушного флота» № 22. 1970. С. 55-60.

10. Жидков Д.А. Девисилов В.А. Вихревая технология стратификации газов для решения экологических вопросов в нефтегазовых и химических производствах (обзор) // Безопасность в техносфере. № 6. 2015. С. 63-78.

11. Вихревой аппарат. Патент РФ на полезную модель №2 2035990 РФ С1

6В01 J 8/16 / Жидков М.А., Комарова Г.А. заявл. 07.12.93; опубл. 27.05.95. Бюл. № 15.

12. Бетлинский В.Ю., Жидков М.А., Овчинников В.П. Двухпоточные регулируемые вихревые трубы в промышленных установках очистки и осушки газов / // Газовая промышленность. № 1. 2008. С. 72-75.

13. Трехпоточные вихревые трубы в нефтедобывающей и газовой промышленности (аналитический обзор) / Д.А. Жидков [и др.] // Нефтегазовые технологии. №2. 2007. С. 2-7.

14. Жидков М.А., Жидков Д.А. Повышение энергоэффективности процессов на газорегулирующих станциях // PROBLEMELE ENERGETICII REGIONALE. Молдавия. № 2(19). 2012. С. 57-63.

15. Меркулов А.П., Колышев Н.Д. «О целесообразности использования вихревого эффекта на высоких давлениях». Труды Куйбышевского авиационного института. № 12. Куйбышев. 1962. С. 276-282.

16. Установка ожижения. Патент РФ на полезную модель № 2103620 / Финько В.Е. заявл. 01.03.1996; опубл. 27.01.1998. Бюл. №15.

17. Родионов П.И., Финько В.Е. Новая технология сжижения природного газа и ее возможности для освоения северных месторождений // Газовая промышленность. № 9. 1993. С. 18-20.

18. Новая технология очистки нефтяного газа / Финько В.Е., Финько В.В. и др. // Газовая промышленность. № 4 2005. С. 87-88.

19. Сверхзвуковая сепарация углеводородных газов в вихревых трубах Ранка-Хилша / Д.А. Жидков [и др.] // OIL&GAS JOURNAL. № 3-4. 2007. С. 101106.

20. Применение ТВТ для конденсации тяжёлых углеводородов из попутного нефтяного газа / Жидков М.А., Комарова Г.А. и др. // Газовая промышленность. № 7. 1998. С. 42-43.

21. Гусев А.П. Подготовка попутного газа нефтедобычи к транспорту с применением трёхпоточной вихревой трубы: дис. к.т.н. Тюмень. 2004. 218 с.

22. Эксплуатация регулируемых вихревых труб Ранка-Хилша в

экологически значимых промышленных установках очистки газов (аналитический обзор) / Жидков Д.А., Девисилов В.А. и др. // Экология и промышленность России. № 12. 2013. С. 14-19.

23. Система подготовки попутного газа нефтедобычи к транспорту с применением регулируемой трехпоточной вихревой трубы / Жидков М.А., Комарова Г.А. и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 7. 2000. С. 16-18.

24. Взаимосвязь сепарационных и термодинамических характеристик трехпоточных вихревых труб / Жидков М.А., Комарова Г.А. и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. № 5. 2001. С. 8-11.

25. Рябов А.П. Разработка и исследование технологии низкотемпературной очистки и осушки нефтяного попутного газа: : дис. ... к.т.н. Тюмень. 2007, 188 с.

26. На Капитоновском попутный газ сжигать не будут / Жидков М.А., Рябов А.П. и др. // OIL&GAS JOURNAL RUSSIA. № 9. 2007. С. 28-31.

27. Трехпоточная вихревая труба успешно эксплуатируется на Капитоновском месторождении / Жидков М.А., Гусев А.П. и др. // OIL&GAS JOURNAL RUSSIA. № 1-2. 2008. С. 42-46.

28. Использование энергосберегающей технологии сверхзвуковой сепарации газа на газоконденсатных месторождениях крайнего севера / Корытников Р.В., Яхонтов Д.А. и др. // Экспозиция нефть газ. № 1. 2015. С. 3438.

29. Особенности работы ТВТ Добринского месторождения (опыт пусконаладки) / Д.А. Жидков [и др.] // Нефть. Газ. Новации. № 9. 2010. С. 6-11.

30. Финько В.Е. Особенности охлаждения и сжижения газа в вихревом потоке // Журнал технической физики. Т. 53. № 9. 1983. С. 1770-1775.

31. Гурин С.В. Разработка технологии квазиизотермического редуцирования давления для объектов системы транспортировки природного газа: автореферат дис. ... к.т.н. Уфа. 2008. 24 с.

32. Вихревые эффекты в вихревых трубах Ранка-Хилша / Кочетков

Ю.М., Боровик И.Н. и др. // Вестник МАИ. Т. 23. № 4. 2016. С. 26-35.

33. Дыскин Л.М. Расчётное определение характеристик вихревой трубы // Известия ВУЗов. Строительство. № 6. 1997. С. 87-91.

34. Коновалов В.И., Орлов А.Ю., Кудра Т. Разработка расчёта вихревых труб Ранка-Хилша // Вестник ТГТУ. Т. 18. № 1. 2012. С. 74-107.

35. Кочетков Ю.М., Бажанов А.И. Турбулентность Ранка-Хилша // Двигатель. № 4-5. 2016. С. 48-50.

36. Кочетков Ю.М. Турбулентность. Четвёртое начало термодинамики или первое начало термогазодинамики // Двигатель. №4-5. 2016. С. 106-107.

37. Математическое моделирование нелинейных термогазодинамических процессов / Холпанов Л.П., Запорожец В.П. и др. // Москва, Наука, 1998. 320 с.

38. Черевко Е.А. Современные научные гипотезы энергетическогор в вихревых трубах Ранка-Хилша // Омский научный вестник, Серия: Приборы, машины и технологии, № 1 (117), 2013. С.128-131.

39. Алексеев Т.С. О природе эффекта Ранка // Инженерно-физический журнал. Т. 7. № 4. 1964. С. 1121-1130.

40. Калашник М.В., Вишератин К.Н. Циклострофическое приспособление в закрученных газовых потоках и вихревой эффект Ранка // ЖЭТФ. Т. 133. № 4. 2008. С. 935-947.

41. Трубка Ранка - теоретическое и экспериментальное исследование путей повышения эффективности / К.Н. Вишератин [и др.] // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. № 14. Калуга. АНО КНЦ. 2008. С. 498-506.

42. Вулис Л.А., Кострица А.А. Элементарная теория эффекта Ранка // Теплоэнергетика. № 10. 1962. С. 72-77.

43. Дубинский М.Г. Течение вращающихся потоков газа в кольцевых каналах // Известия АН СССР. ОТН. № 11. 1955. С. 11-16.

44. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка // Успехи физических наук. Т. 167. № 6. 1997. С. 665-687.

45. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в полях массовых сил: обзор работ, выполненных в ИТТФ НАН Украины // Промышленная теплотехника. Т. 33. № 6. 2011. С. 11-25.

46. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Чумаченко В.И. О влиянии вращения на турбулентные пульсации // Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения. Труды первой научно-технической конференции. Куйбышев. КуАИ им. С.П. Королёва. 1974. С. 268271.

47. Кныш Ю.А. Физическая модель явления энергопереноса в вихревой трубе // Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев. КуАИ им. С.П. Королёва. 1981. С. 29.

48. Дыскин Л.М. Обоснование, разработка и повышение эффективности систем осушки и кондиционирования воздуха: автореферат диссертации доктора технических наук, Ленинград, Ленинградский технологический институт холодильной промышл.. 1990. 442 с.

49. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка // Омск. Издательство ОмГТУ. 1995. 217 с.

50. Торочешников Н.С., Лейтес И.Л., Бродянский В.М. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубе. // Журнал технической физики. № 6. Т. XXVIII. 1958. С. 1231-1236.

51. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы: диссертация кандидата технических наук, Екатеринбург. УФУ. 2012. - 196 с.

52. Соловьев А.А. Численное и физическое моделирование процессов энерго- и фазоразделения в вихревых трубах: дис. ... к.т.н. Уфа 2008. 152 с.

53. Фузеева А.А. Численное моделирование температурной стратификации вихревых трубах // Математическое моделирование. Т.18. № 9. 2009. С. 113-120 с.

54. Бурдыга Ю.Ю. Термомеханический метод в исследовании процессов в вихревой трубе: дис. ... к.т.н. Москва. 2001. 169 с.

55. Самохвалов В.Н. Массодинамическое и массовариационное взаимодействие движущихся тел // Доклады независимых авторов. Выпуск 13. 2009. С. 110-159.

56. Самохвалов В.Н. Силовые эффекты при массодинамическом взаимодействии в вихревой трубе Ранка-Хилша // Журнал Формирующихся Направлений Науки. № 12-13(4). 2016. С. 7-16.

57. Белявский Я.Д. Влияние звука на теплоперенос в газах // Электронный журнал «Техническая акустика». № 6. 2014. С. 1-14.

58. Аэродинамика закрученной струи / Р.Б. Ахмедов [и др.] // М: Энергия. 1977. 238 с.

59. Токарев Г.П. Влияние осевых скоростей на величину энергетического разделения // Вихревой эффект и его применение в технике, Материалы VI Всесоюзной научно-технической конференции. Самара. СГАУ им. С.П. Королёва. 1993. С. 51-52.

60. ГОСТ 30457-97, акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума на основе интенсивности звука. Москва. 1997. 16 с.

61. Кныш Ю.А., Лукачев С.В. Экспериментальное исследование вихревого генератора звука // Акустический журнал. Т XXIII. № 5. 1977. С. 776782.

62. Бондаренко В.Л. Создание и исследование волновых криогенераторов и их применение в технологии получения неона высокой чистоты: дис. ... д.т.н. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 293 с.

63. Сизов М.А. Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями: автореферат дис. ... к.т.н. Санкт-Петербург. БГТУ «Военмех». 2005. 84 с.

64. Волов В.Т. Термодинамика и теплообмен сильно закрученных сверхзвуковых потоков газа в энергетических устройствах и аппаратах. Самара. Изд-во СНЦ РАН, 2006. 321 с.

65. Ахметов Ю.А., Зангиров Э.И., Свистунов А.В. Возможный механизм течения закрученных потоков // Труды МФТИ. Т. 6. № 2. 2014. С. 99-104.

66. Артамонов Н.А. Интенсификация тепломассообменных процессов в аппаратах с закрученным течением фаз: автореферат дис. ... д.т.н. М.: МИХМ. 1988. 32 с.

67. Применение аппаратов пульсационного охлаждения газа в газовой промышленности / Д.М. Бобров [и др.] // Обзорная информация. ВНИИЭгазпром. Москва. вып. 7. 1985. 58 с.

68. Соколов А.И., Иванов И.Э. Исследование пульсационных режимов течения в дисковом генераторе Гартмана // Электронный журнал. Труды МАИ. 2007.

69. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния падающего скачка уплотнения на адиабатную температуру стенки в сверхзвуковом потоке сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. № 3. 2014. С. 98-104.

70. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Электронный журнал «Наука и Образование». МГТУ им Н.Э. Баумана. №23. 2016. С. 64-80.

71. Ахметов Ю.М. и др. Исследование влияния тормозного устройства на структуру потока и параметры изотермического вихревого регулятора давления // Уфа. Вестник УГАТУ. Т. 15. № 4 (44). 2011. С. 149-153.

72. Кашина И.А. Влияние диссипативных свойств конструктивных элементов РДТТ на амплитуду колебаний давления в камере сгорания при продольной акустической неустойчивости: дис. ... к.т.н. Казань. Пермский политехнический университет. 2015. 163 с.

73. Литвинов И.В., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Экспериментальное исследование сильно-закрученного течения в тангенциальном завихрителе // Вестник КузГТУ. Теплофизика. Кузбасс. КузГТУ, № 3. 2012. С. 129-135.

74. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Состояние и перспективы // Сборник докладов // Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Казань, Научтехлитиздат, 2015. С. 135155.

75. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно-вихревых камер // Владивосток. Дальневосточный университет. 1985. 199 с.

76. Гольцман А.Е. Динамика профилей скоростей и касательных напряжений в пульсирующем потоке: диссертация кандита технических наук, Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева, 2015. 179 с.

77. Борисенко А.И., Высочин В.А., Сафонов В.А. О связи внешних характеристик вихревой трубы с видами воздействия на поток в ее горячем участке // Материалы II Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев. КуАИ. 1976. С. 6267.

78. Меркулов А.П. От редактора // Материалы V Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев. КуАИ. 1988. С. 3-8.

79. Кирпиченко В.Е. Исследование рабочего процесса крупномасштабной вихревой трубы: автореферат диссертации кандидата технических наук, Харьков, Харьковский политехнический институт, 1992. 19 с.

80. Горелик Г.С. Колебания и волны // Физмалит. Москва. 1959. 572 с.

81. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Теория, эксперимент, численное моделирование // URL. http://www.sworld.com/ua/index.php/ru/-conference/the-content-of-conferences/archives-of-indi-vidual-conferen-ces/oct (Дата обращения 10.10.2020).

82. Лукачев С.В., Матвеев С.Г. Некоторые результаты экспериментального исследования регулярных колебания давления, возникающих при работе вихревой трубы Ранка // Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его промышленное применение». Куйбышев. КуАИ. 1981. С. 109-112.

83. Лукачев С.В. Образование вихревых когерентных структур в вихревой трубе Ранка // Материалы IV Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев. КуАИ. 1984. С. 38-44.

84. Трехпоточная вихревая труба - эффективное газодинамическое устройство для подготовки природного газа к транспорту / Жидков М.А., Гусев А.П. и др. // Нефтегазовые технологии. №11. 2006. С. 3-7.

85. Исследование работы трёхпоточной вихревой трубы на нефтяном газе / А.Н. Чернов [и др.] // Труды ВНИИОЭНГ «Переработка нефтяных газов». Москва. ВНИИОЭНГ. № 7. 1981. С. 115-123.

86. Целищев А.В. Методика расчета и моделирования процесса фазоразделения газожидкостного потока в противоточной вихревой трубе: автореферат дис. ... к.т.н. Уфа. 2012. 16 с.

87. Температурная эффективность высокорасходных ТВТ на установке подготовки нефтяного газа Комсомольского месторождения (опыт пусконаладки) / Д.А. Жидков [и др.] // Нефть. Газ. Новации, № 5, 2012. С. 46-52.

88. Жидков М.А., Жидков Д.А. В России заработали ТВТ рекордной производительности по схеме смешения стратифицированных потоков, ч. 1 // Oil&Gas EURASIA. №7-8. 2012. С. 38-42.

89. Жидков М.А., Жидков Д.А. В России заработали ТВТ рекордной производительности по схеме смешения стратифицированных потоков, ч. 2 // Oil&Gas EURASIA. № 9. 2012. С. 42-46.

90. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой трубы на природном газе / Д.А. Жидков [и др.] // Нефтегазовые технологии. № 2. 2008. С. 2-6.

91. Неадиабатные вихревые трубы в системах низкотемпературного разделения газовых смесей / Бетлинский В.Ю., Жидков М.А. и др. // Газовая промышленность. № 5. 2008. С. 83-86.

92. Хинце И.О. Турбулентность //Москва. Изд-во физ.-мат. Лит. 1963.

680 с.

93. Ranque G.J. Experiences sur la détente girataire avec productions simultanees dun echappement d'air chaud et d'air froid // Journal de Physique et la Radium. vol. 7. № 4. 1933. P. 112.

94. Hilsch R. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kalteprocess //

Zeitschrift fur Naturforschung. 1946. S. 203-208.

95. Sprenger H. Beobachtung an Wirbelrohren // Zeitschrift fuer Mathematik und Physik. 1951. T. 2. № 4. S. 293.

96. Using of Triple-Flow Vortex Tubes in Associated Petroleum Gas Preparation Units / V.S. Vlasenko [at al.] // Proceedings of the Twenty-sixth (2016). International Ocean and Polar Engineering Conference Rhodes. Greece. June 26-July 1. 2016. P. 46-52.

97. Volkan Kirmaci, Huseyin Kaya, Ismail Cebeci An experimental and exergy analysis of a thermal performance of a counter flow Ranque-Hilsch vortex tube with different nozzle materials // International journal of refrigeration. № 85. 2018. S. 240-254.

98. Erdelyi J. Wirkung des Zentrifugalkraffeldes auf des Warmerustand dtr Gase, Erklarung der Ranque-Enscheinung-Forchund // Ingenierwesens, Bd. 28. № 6. 1962. S. 181-186.

99. Fulton C.D. Ranque's Tube // Refrigerating Engineering. Mau. 1950.

100. Schults-Grunow F. Die Wirkungwaise des Ranque-wirbelrohres // Kaltetechnik, Bd. 2. 1950. S. 273-284.

101. Beliavsky Y. Experimental investigation of a temperature separation effect inside a short vortex chamber // Proceedings of the 9-th International Conference on Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics, Malta, 2012. P. 1482.

102. Otten E.H. Vortex tube // Engineering. Aug. 1958. P. 4821.

103. Aljuwayhel N.F., Nellis G.F., Klein S.A. Parametric and internal study of the vortex tube using a CFD model // Int J Refrig, № 28, 2005. P. 442-450.

104. Mohammad Ameri, Behrooz Behnia. The study of key design parameters effects on the vortex tube performance // Jornal of Thermal Scienct, Vol. 18. № 4. 2009. P. 370-376.

105. Beliavsky Y. Experimental arguments in favour of heat transfer in compressible by fluids Pressure Gradient Elastic Waves // International Journal of Heat and Mass Transfer, № 107, 2017. P. 723-728.

106. Kotelnikov V.I. High-Efficiency Vortex Pipes // TIEES-96, Trabzon,

Turkey, ISBN 975-95505-8-X.

107. Kotelnikov V.I. The Vortex Effect in Transfer of Energy // Sustainable Energy and Environmental Technology, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, ISBN 981-02-2829-5, Singapore, 1996.

108. Sprenger H. Beobachtung an Wirbelrohren // Zeitschrift fuer Mathematik und Physik. t. 2. № 4, 1951. S. 293.

109. Sprenger H.S. Uber thermische Effekte in Resonanzrohren // Mitteilungen aus dem Institut fur Aerodynamik. E.T.H. Zurich, № 21, 1954. S. 18-35.

110. Parulekar B.B. Shot vortex tube // J. of Refrigeration, V. 4. №. 4, 1961.

P. 74.

111. Bo Zhang, Xiangji Guo, Zhuqiang Yang. Analysis on the fluid flow in vortex tube with vortex Periodical oscillation characteristics // International Journal of Heat and Mass Transfer. № 103, 2016. S. 1166-1175.

112. Bo Zhang, Xiangji Guo, Zhuqiang Yang. Analysis on the fluid flow in vortex tube with vortex Periodical oscillation characteristics // International Journal of Heat and Mass Transfer, № 103, 2016. S. 1166-1175.

113. Mot ant Cold Running Air // Popular Science. 1969. P. 32-33.

114. Sprenger H. Beobachtung an Wirbelrohren // Zeitschrift fuer Mathematik und Physik, T. 2. № 4. 1951. S. 293.

115. Kuroda H. Ph.D. Thesis Knoxville // The University of Tennessee, 1983.

116. Hartmann J. The Hartmann acoustic generators // Engineering. 1936/ V. 142. P. 491.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица П. 2. Эксперимент с воздушной ДВТ с двумя слоями теплоизоляции

м л Рвх, бри Рх, барн Рг, бари Твх, °С Тх, °С Тг.«С ЛТх ДТг V*. л/мин VI-. л/мнн Тсмсш Лросесль .«С Твх - ЛМ 0,56 X

0 3 2 0.05 21,5 18,9 21,4 2.6 -0,1 0 85 20,94 -1.18

4 3 0,06 21.2 20.2 20,8 1 -0,4 0 115 20,35 0.85 -1.47

5 4 0,1 21 21.5 20,3 -0.5 -0,7 0 140 19.87 из -1.62

5 0,15 20,5 22,2 19,6 -1.7 -0.9 0 161 19,09 1.41 -1.64

7 6 0,2 20.1 22 5 19 -2,4 -1.1 0 180 18.4 1.7 -1,65

0,3 3 2 0,04 0,35 19.8 2.7 28.1 17.1 8.3 30 60 19.59 19.3 0.5 -0.58

4 3 0,01 0.45 19,3 0.9 25.1 18.4 5,8 40 90 17.58 18.44 0.86 1,00

4 0,025 0,65 19 -3.4 26.1 22.4 7.1 45 ПО 17,43 17.86 1.14 0.38

5 0.025 0,8 18,6 -7.9 27,4 26,5 8,8 53 122 16.59 17,17 1,43 0,41

7 6 0.04 1 20 -10.4 31.8 30.4 11,8 60 132 18.48 18.3 1,7 -0.11

0,4 3 2 ||,(С 0,35 211.5 2,9 28.9 17.4 8.6 40 60 18.46 0.57 2.2.1

4 3 0,03 0,55 20.1 -2,6 31.9 22.7 11,8 48 80 18,9 19.25 0.85 0.41

5 4 0,04 0.75 19.6 -6,6 32.9 26.2 13.3 55 94 18.24 18,46 1.14 0.19

5 0,05 1 19.5 -9.9 37.9 29.4 18.4 66 102 19.03 18,08 1,42 -0,67

7 6 0.05 1.15 19 -12.3 37.7 31.3 18.7 78 120 17.89 17.29 1,71 -0.35

0,5 3 2 0,03 0.45 20.9 3,7 39,8 17.2 18.9 50 50 21.73 20.33 0.57 -2,46

4 3 0,04 0.7 20.5 -1.5 43,9 22 23.4 60 60 21.17 19.65 0.85 -1.79

5 4 0,05 0,9 20.7 -5.2 45,2 25,9 24.5 72 72 19.96 19,57 1.13 -0,35

5 0,06 1.16 20.3 50.2 27.8 29.9 84 80 211.6 18.89 1.41 -1.21

7 6 0,07 1,35 19,9 -9,8 50.1 29.7 30.2 95 95 20,11 18,2 1.7 -¡,12

0,6 3 2 0,02 0.55 21.3 7.9 50.3 13.4 29 60 40 24.68 20,74 0,56 -7.04

4 3 0,04 0,8 21,1 2 2 54,9 18,9 33,8 72 48 23,28 20,25 0,85 -3,56

5 4 0.05 1,05 20,5 -1.9 58,4 22,4 37,9 87 55 21,46 19,37 1.13 -1,85

5 0,06 1,25 20 -4,2 61,1 24.2 41,1 101 61 20.4 18.58 1.42 -1.28

7 6 0.1 1,5 19,7 -4.8 62.5 24.5 42,8 112 67 20,38 18 1,7 -1.40

3 2 0,02 0.5 19.3 7 46.9 12.3 27.6 60 30 20.3 18.73 0.57 -2.75

4 3 0,05 0,85 19.4 3,7 59,7 15,7 40.3 80 40 22.38 18,54 0.86 4,47

0.7 5 4 0,06 1.05 19,4 2.8 69.4 16.6 50 100 43 22.86 18.26 1.14 4.04

5 0.09 1,35 19 -0,1 69,4 19.1 50.4 116 48 20.27 17,57 1.43 -1,89

7 6 0.13 1,75 21,7 3,4 75,2 18.3 53,5 130 50 23,36 20,02 1.68 -1.99

1 3 ■> 0.05 0,65 21,1 18,4 22.6 2.7 1.5 79 0 20,54 0.56 3,82

4 3 0.06 ! 21 17,3 27,1 3.7 6,1 96 0 20,15 0.85 3,35

5 4 0,1 1,4 20,8 16,3 32.1 4.5 11,3 115 0 19,67 1.13 2,98

6 5 0.15 1,8 20.5 15.4 36.5 5,1 16 140 0 19.09 1.41 2,62

7 6 20,1 5.6 18,4 1.7 2,29

H PQ H

о S И

(D

И

(D §

S

a с

о

U H

Д

(D

X

О

cd н

:(D F о ä a

cd §

о X U

en

с

«

о

и

^

о

s рц

Холодопроизводительность по холодному потоку

140

120

100

80

сТ60

40

20

-20

0 0 10 20 3 0 40 5 0 60 7 0 80 9

м

п=3

п=4

п=5

п=6

0

Рисунок П.4.1. График холодопроизводительности по холодному потоку

Холодопроизводительность

30

20

10

3 0 сз

-10

-20

-30

-40

#

/

/

1 0 20 30 40 5 V 6 0 7 0 8 / 0 9

/

■п=5 - смешанныйпоток Ц —•—п=5 - вибрации

Рисунок П.4.2. График дополнительной холодопроизводительности вибраций

Холодопроизводительность по смешанному потоку

40

30

20

10

36

сТ 0Г

-10

-20

-30

-40

)

/

/ 7

/ £

г

10 20 30 40 у 0 ' / 8 0 9

//

м

Рисунок П.4.3

График холодопроизводительности по смешанному потоку

?

1 1 1 6 йЗ^*"

71=3

л>3

го?

А 1*2,5

4 1 1 а

ли

ЛТ,=-ОА

AM.es .

ЛТг № 50 40 £ Я ■.. ®

' я

X 40

1 слои изоляции

Д1--0.6

ы

ы

ж=5

2 слоя изоляции

* /

> /

- лыг

/

/

у

1—

АТА5

льм ¿МП,

к=5

ж=6

ж=6

ДЫ1

/

У г

1—■( 1—< 6—;

ж=7

¿1-й

ЛМ7

71=7

Я

* /

/

-- У 1

■—Ь £—ч г :

,лш

<1

Рисунок П.5. Графики результатов экспериментов воздушной ДВТ