Исследование и обзор конструкций газотделителей
В различных технологических системах с жидкими рабочими средами часто встает задача очищения и стабилизации потока. Широко распространенным примером таких систем являются установки разлива топлива (бензин, дизельное или авиационное топливо, керосин и т.п.). Корректность показаний измерительного расходомерного оборудования, расположенного на выходе данных установок, напрямую зависит от чистоты и равномерности потока рабочей среды (необходим ламинарный поток), для очищения и стабилизации которого применяется различное ёмкостное оборудование. Фильтры жидкостные очищают топливо от механических примесей и включений, газоотделители удаляют из среды воздух и излишние пары, фильтры-газоотделители объединяют в себе функционал двух аппаратов. Каждый тип обладает рядом характеристик и в зависимости от завода-изготовителя имеет свои особенности.
Детальное рассмотрение представленных на рынке простейших из вышеописанных аппаратов – газоотделителей различных производителей показало постоянство геометрических параметров и заявленных технических характеристик. На рисунке 1 представлены конструкция и основные параметры классических газоотделителей.
Рисунок 1. Конструкция и основные параметры классических газоотделителей
Газоотделитель состоит из корпуса, входного и выходного штуцеров и клапанного устройства (поплавкового клапана). Принцип работы данного оборудования заключается в закручивании потока жидкости по касательной к стенке и создания вихревого течения. Для получения данного эффекта входной штуцер располагается максимально близко к касательной стенки, что обеспечивает тангенциальное закручивание потока. В процессе вращения жидкости воздух и пары рабочей среды концентрируются в центре вихря и поднимаются вверх. С течением времени воздушная шапка под верхней крышкой аппарата увеличивается и при достижении определенных размеров позволяет опуститься поплавку до уровня, при котором происходит срабатывание клапана и газ стравливается в гозоотводящий трубопровод.
Исследование конструкций газоотделителей
По опыту поставок ООО «РГК «Палюр» наиболее часто применяются аппараты с условным проходом 100 и 150, диаметрами обечайки 500 и 600 мм (ГУ-100-1,6-500, ГУ-100-1,6-600 и ГУ-150-1,6-600). Для оценки корректности работы данного оборудования, выяснения реальной картины течения и расчёта скорости потока жидкости в вихре было проведено моделирование процесса движения рабочей среды в сосудах при разных значениях расхода. Расчеты произведены в вычислительном пакете CFX ANSYS 16.2 по трем точкам: минимальный заявленный расход, средний (условно, рабочий) и максимальный. В модель газоотделителей включены корпус и штуцеры входа и выхода. Клапанное устройство, включая поплавок, исключены как оказывающие малое влияние на течение жидкости в сосуде. В расчётной модели принято полное заполнение сосуда жидкостью и исключение газовой среды. Модель представлена на рисунке 2. Расчетная сетка построена в сеткопостроителе ANSYS ICEM CFD 16.2, рисунок 3.
![]() Рисунок 2. Расчетная модель газоотделителя | ![]() Рисунок 3. Поперечный разрез сеточной модели ГУ в районе выходного патрубка |
Неструктурированная сетка имеет в основе тетраэдры, пограничный слой на стенке описан призмами. Принятая модель турбулентности - «k-e» со схемой High Resolution. Граничными условиями на входе в расчётную область являются поля полного давления, полной температуры, на выходе – массовый расход, граничное условие на стенке «Smooth Wall» (гладкая стенка). Значения параметров при задании граничных условий представлены в таблице 1.
Таблица 1 — граничные условия расчётных областей
Параметр | Значение | ||
ГУ-ПР 100-1.6 600 | ГУ-ПР 100-1.6-500 | ГУ-ПР 150-1.6-600 | |
Полное давление на входе, МПа | 1.6 | 1.6 | 1.6 |
Полная температура на входе, К | 293 | 293 | 293 |
Расход на выходе, м3/ч | 15-150 | 15-150 | 15-240 |
В качестве рабочей среды выбран бензин с характеристиками, заданными в граничных условиях:
Молярная масса -120 г/моль;
Плотность – 750 кг/м3;
Теплоемкость – 2093 Дж/кг*К;
Динамическая вязкость – 0,00053 Па*с;
Теплопроводность – 0,164 Вт/м*К.
Для анализа течения рабочей среды в газоотделителе построены 5 вспомогательных плоскостей перпендикулярных к оси корпуса, схема расположения указана на рисунке 4. В данных плоскостях показано распределение направления потока жидкости с абсолютными значениями скорости. В сечениях, проходящих через оси входных/выходных штуцеров, показаны изоповерхности скоростей потока. Также, дополнительно показаны линии тока в газоотделителе для представления общей картины течения. Выборочно отражены изоповерхности скорости в поперечном сечении, проходящем через оси входных/выходных штуцеров (сечения 1 и 5).
Рисунок 4. Схема расположения сечений для анализа течения
Визуализация 3D гидродинамических расчетов процессов движения рабочей среды в рассматриваемых сосудах представлена далее.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-500, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 5-12.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-500, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 13-20.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-500, расход 150 м3/ч представлены на рисунках 21-28.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-600, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 29-36.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-600, расход 100 м3/ч представлены на рисунках 37-44.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-600, расход 150 м3/ч представлены на рисунках 45-52.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-600, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 53-60.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-600, расход 130 м3/ч представлены на рисунках 61-68.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-600, расход 260 м3/ч представлены на рисунках 69-76.
Результаты гидравлических расчетов газоотделителей сторонних производителей показали, что с увеличением расхода повышается интенсивность вихревого движения жидкости в сосуде в районе входного штуцера, но в основной части корпуса оно отсутствует, что связано с низкой скоростью потока на входе в корпус. В зоне выходного штуцера наблюдается срыв потока – образование турбулентного течения, связанный с затеканием жидкости через «острый угол входа», что может негативно сказываться на работе расходомера и привести к существенной погрешности показаний. Во всех рассматриваемых сосудах наглядно отражается общая тенденция движения рабочей среды. Требуемый вихревой характер потока создается лишь на максимальных расходах и в узком диапазоне сечений в районе входного штуцера. Оборудование требует доработки.
Доработка конструкций газоотделителей
Специалистами ООО «РГК «Палюр» был определен ряд мер по внесению конструктивных изменений, направленных на решение возникших проблем, повышения качества работы и улучшения технических характеристик рассматриваемых сосудов:
· Уменьшение диаметров корпусов позволит повысить скорость вихревого течения рабочей среды и ускорить процесс газоотделения.
· Уменьшение высоты корпуса сосуда и расстояния между входным и выходным штуцерами обеспечит сокращение области отсутствия вихревого движения, а также снизит материалоёмкость изделия.
· Смещение выходного штуцера в центр обечайки позволит исключить срывы потока рабочей среды на выходе из сосуда.
Принято решение обечайки 500 и 600 мм газоотделителей с условным проходом Ду100 заменить на 400 мм, а обечайки 600 мм газоотделителей Ду150 заменить на 500 мм, уменьшить высотные размеры и расстояния между входным и выходным штуцерами.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-400, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 77-84.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-400, расход 90 м3/ч представлены на рисунках 85-92.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-400, расход 150 м3/ч представлены на рисунках 93-100.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-500, расход 15 м3/ч представлены на рисунках 101-108.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-500, расход 125 м3/ч представлены на рисунках 109-116.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-150-1.6-500, расход 240 м3/ч представлены на рисунках 117-124.
Визуализация произведенных гидравлических расчетов доработанных конструкций показала явный положительный эффект в части реализации эффекта вихревого характера течения рабочей среды в аппаратах. Тангенциальное закручивание потока жидкости наблюдается во всем объеме корпусов газоотделителей, что указывает на корректность работы оборудования по прямому назначению – удаление излишних паров и воздуха из рабочей среды.
Установка выходного штуцера в середину корпуса позволило существенно снизить вероятность образования срыва потока на выходе из аппарата, но вследствие существенного увеличения скорости течения жидкости в сосуде, не исключило его полностью, особенно при максимальных расходах. Решением данной проблемы стало применение внутреннего цилиндрического насадка длиной 3Ду, выравнивающего поток жидкости на выходе из аппарата.
Далее приведены результаты расчетов итоговой доработанной конструкции в визуальном представлении.
Картины течения жидкости в анализируемых плоскостях для ГУ-100-1.6-400, расход 150 м3/ч представлены на рисунках 125-137.
Произведенные доработки позволили оптимизировать конструкцию и добиться рабочих характеристик, при которых аппараты выполняют заявленный функционал. Вихревой характер движения потока рабочей среды наблюдается даже при минимальных значениях расхода. Исполнение выходного штуцера в виде внутреннего цилиндрического насадка без смещения посередине обечайки исключило срывы потока (образование турбулентного течения) на выходе из сосуда, а сокращение габаритных размеров позволило снизить металлоемкость, а значит и стоимость оборудования.
ООО «РГК «Палюр» ведет непрерывную работу по разработке нового и улучшению выпускаемого оборудования. Продукция производится по требованиям ГОСТ Р 52630-2012, ТУ 3683-003-37012564-2013 и имеет все необходимые разрешительные документы (декларации и сертификаты ТР ТС 010 и ТР ТС 032). Каждый аппарат комплектуется сопроводительной документацией – паспортом, выполненным согласно требованиям ГОСТ Р 52630-2012, включающим руководство по эксплуатации, а также сертификатами на используемые материалы.