Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations
The results of experimental research of minimum closeness of irrigation in channels with net coverage of walls heat and mass transfer equipment of preparation technological and fuel gas of the systems of gas industry enterprises are resulted.
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/364 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103646162223104 |
|---|---|
| author | Tuz V.E. Bilodid V.D. Lebed N.L. |
| author_facet | Tuz V.E. Bilodid V.D. Lebed N.L. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Tuz V.E.",
"institution": null
},
{
"author": "Bilodid V.D.",
"institution": null
},
{
"author": "Lebed N.L.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Tuz V.E. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:37Z |
| description | The results of experimental research of minimum closeness of irrigation in channels with net coverage of walls heat and mass transfer equipment of preparation technological and fuel gas of the systems of gas industry enterprises are resulted. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:01:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
46
ДОСЛІД ЖЕННЯ ТА оптимізація технологічних об'єктів і систем
46 ©© Туз В.Е., Белодед В.Д., Лебедь Н.Л., 2009
Введение
Наряду с созданием новых мощных и эко-
номичных ГТУ актуальными являются задачи
повышения экономичности и надёжности экс-
плуатации существующего парка газоперека-
чивающих агрегатов. Повышению надёжности
работы агрегата способствует соответствую-
щая подготовка циклового воздуха и топлив-
ного газа. Для реализации поставленной зада-
чи была разработана система подготовки топ-
ливного газа, основными элементами которой
являются рекуперативный теплообменный и
контактный тепломассообменный аппараты.
Использование в процессах подготовки газа
тепломассообменного оборудования требует
снижения массогабаритных показателей, что,
возможно, выполнить путём интенсификации
тепломассообменных процессов при непос-
редственном контакте жидкости и газа. Пер-
спективным методом пассивной интенсифи-
кации процессов тепло- и массообмена между
плёнкой жидкости и газом является использо-
вание поверхностей контакта с регулярной ше-
роховатостью, либо с пористым или сеточным
покрытием стенок каналов.
Важным условием обеспечения эффек-
тивности работы аппаратов контактного типа,
имеющих определённую гидравлическую схе-
му, является использование особенностей вза-
имодействия жидкости и газа, а также диапа-
зона изменения рабочих параметров, в преде-
лах которых реализуется устойчивое течение
плёнки жидкости.
Выбранный способ пассивной интенсифи-
кации процессов тепло- и массообмена в кон-
тактных насадочных аппаратах путём нане-
сения сеточного покрытия на стенки каналов
существенно изменил характер плёночного те-
чения, что привело к значительному расшире-
нию рабочего диапазона нагрузки тепломассо-
обменного аппарата.
Динамика взаимодействия плёнки жид-
кости и газового потока в двухфазных
кольцевых системах
Верхняя граница, определяемая процессом
начала захлёбывания, для гравитационно сте-
кающей плёнки в вертикальном канале с се-
точным покрытием при противоточном дви-
жении газа либо пара, находится значительно
выше по сравнению с процессами, происходя-
щими в каналах с гладкими стенками.
Нижняя граница рабочего диапазона оп-
ределяется не только физическими и физи-
ко-химическими свойствами жидкости и по-
верхности контакта, но и геометрическими ха-
рактеристиками сеточного покрытия, которые
непосредственно влияют на адгезию, смачи-
вание, толщину плёнки и оцениваются мини-
мальной плотностью орошения Гmin 2. Динами-
ческое взаимодействие гравитационной плён-
УДК 532.529
Туз В.Е., канд. техн. наук, ст. научн. сотр., доцент
Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев
Белодед В.Д., канд. техн. наук, ст. научн. сотр.
Институт общей энергетики НАН Украины, Киев
Лебедь Н.Л., канд. техн. наук
Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев
Динамика взаимодействия плёнки жидкости
и газового потока в вертикальных каналах
тепломассообменного оборудования ГТУ
компрессорных станций
Представлены результаты экспериментального исследования минимальной плотности орошения в
каналах с сеточным покрытием стенок тепломассообменного оборудования систем подготовки тех-
нологического и топливного газа предприятий газовой промышленности.
ДОСЛІД ЖЕННЯ ТА оптимізація технологічних об'єктів і систем
47
ки и газового потока в канале приведёт к тому,
что возникшее при этом касательное напряже-
ние на свободной поверхности плёнки изменит
баланс сил, действующих на неё и при этом,
очевидно, изменится значение Гmin 2.
Нанесённый на вертикальные стенки слой
сеточного покрытия можно рассматривать как
регулярную шероховатость. В этом случае на-
личие этого покрытия приводит к более ран-
нему переходу от ламинарного течения в тур-
булентное из-за дополнительных возмущений.
При небольшой толщине сеточного слоя, ко-
торая определяется диаметром проволоки dпр,
возмущения лежат ниже уровня, определяе-
мых степенью турбулентности внешнего тече-
ния. В этом случае сеточный слой не оказыва-
ет влияния на переход ламинарного течения в
турбулентный. С другой стороны, при очень
крупных размерах ячейки и диаметрах прово-
локи сетки переход может произойти непос-
редственно в ячейке при низких скоростях га-
зового потока.
В литературе отсутствуют данные о влия-
нии геометрических размеров сеточного пок-
рытия на переход от ламинарного режима те-
чения в плёнке к турбулентному. Однако по
характеру воздействия на поток газа наиболее
близки случаи использования регулярной ше-
роховатости в виде рядов поперечных прово-
лок с круглым сечением на гладкой поверхнос-
ти и поверхностей с искусственными каверна-
ми или лунками различной формы.
Исследования гидродинамики течения в
каналах с искусственной шероховатостью в
виде проволок [1,2] позволили определить ус-
ловия перехода ламинарного режима течения
в турбулентное в области, прилегающей не-
посредственно к элементу шероховатости. Это
происходит при:
*
1 5 . . . 2 0,к к рu k⋅
≈
ν
где kкр – характерный размер шероховатости.
Полученные результаты важны не толь-
ко для объяснения причины интенсификации
процессов тепло- и массообмена, но и выясне-
ния механизма воздействия газового потока в
ячейке сеточного покрытия.
В [3–5] описаны сложные вихревые тече-
ния и изменения их структуры в зависимости
от режимных параметров и геометрии углубле-
ний на гладкой стенке. Сравнительный анализ
эволюции вихревого течения в элементарной
каверне [4, 5] подтвердил существенное вли-
яние пространственного характера движения
жидкости. Увеличение числа Рейнольдса при-
водит к существенной интенсификации вих-
ревого течения в каверне, что вызывает усиле-
ние интенсивности циркуляционного течения
основного крупномасштабного вихря, а также
увеличивает размеры вторичных угловых вих-
рей.
Анализ полученных результатов по иссле-
дованию движения жидкости по стенкам ка-
верны позволил определить наличие особых
точек типа фокус и линии стекания. При до-
стижении Re ≈ 400 отмечено, что на дне кавер-
ны постепенно формируется срединная зона
квазидвумерного отрывного течения. Было так
же отмечено, при небольших числах Re ≈ 100
на боковых стенках формируется закрученный
струйный поток, который направлен к оси ка-
верны. Таким образом, наличие сложного вих-
ревого движения в элементарной ячейке сеточ-
ного покрытия канала, фокусирующих точек и
линий стоков даже при небольших числах Re
повлияет на гидродинамику плёночного тече-
ния при плотностях орошения близких к ми-
нимальным.
Методика проведения экспериментов
Влияние динамического воздействия пото-
ка газа на процесс нарушения сплошности те-
чения, сопровождающееся разрывом плёнки и
переходом в ручейковое течение, исследовался
на экспериментальном стенде. Стенд представ-
ляет собой гидродинамический контур, состо-
ящий из экспериментального участка, при-
ёмного коллектора, сборного бака, насоса, се-
тевого коллектора, бака конденсата, системы
подачи, регулирования и замера расхода воз-
духа, соединительных трубопроводов регули-
ровочных вентилей и измерительной системы.
Измерительная система состоит из двух пос-
ледовательно соединённых ротаметров РС-3 с
различным диапазоном расходов и с перекры-
тием шкал измерений, термопар с вторичным
прибором Щ-300 либо А-565. Погрешность оп-
ределения толщины плёнки в момент её разры-
ва при различных скоростях газового потока
контактным методом может оказаться значи-
тельной из-за нарушения гидродинамики по-
тока в элементарной ячейке сеточного покры-
тия, вызванного измерительным щупом, а так-
Туз В.Е., Белодед В.Д., Лебедь Н.Л. Динамика взаимодействия плёнки жидкости и газового потока
в вертикальных каналах тепломассообменного оборудования ГТУ компрессорных станций
48
ДОСЛІД ЖЕННЯ ТА оптимізація технологічних об'єктів і систем
Проблеми загальної енергетики ∙ 19 (2009)
www.ienergy.kiev.ua
же сложностью точной юстировки его в ячейке
сетки. Поэтому момент разрыва плёнки опре-
делялся косвенным способом по изменению
показаний термопар, фиксирующих значения
температур плёнки жидкости и газового пото-
ка, вследствие изменения площади плёнки при
переходе от плёночного режима течения в ру-
чейковый.
Методика определения минимальной
плотности орошения состояла в следующей
последовательности действий. Первоначаль-
ный расход жидкости выбирался таким обра-
зом, чтобы на поверхности канала отсутство-
вали сухие пятна, т.е. пленочное течение было
сплошным. Наружные стенки канала были
теплоизолированы. После стабилизации ре-
жима течения плёнки в нижнюю часть экспе-
риментального участка подавался воздух при
помощи двух компрессоров СО-7Б, произво-
дительностью V ≈ 30 м3/ч. Используя регули-
ровочные вентили и измерительные устройс-
тва (два параллельно установленных ротамет-
ра РС-5 и один РМ-7) подавался необходимый
расход воздуха. Затем производился нагрев
воздуха до температуры на входе t'
r = 50 °C и
жидкости tм до такой температуры, чтобы она
была близка к температуре мокрого термомет-
ра при соответствующей средней температуре
воздуха в канале. После наступления термоди-
намического равновесия системы “жидкость –
газ” фиксировались все параметры процесса.
В ходе экспериментов ступенчато изменялся
расход жидкости с определением параметров
на каждом этапе. Момент разрыва плёнки со-
провождался монотонным ростом температу-
ры воздуха на выходе из канала t"r при посто-
янстве температур жидкости на входе и выходе
и воздуха на входе в экспериментальном кана-
ле. Монотонный рост температуры воздуха на
выходе вызван уменьшением площади тепло-
и массообмена вследствие перехода от плёноч-
ного режима течения к ручейковому. Темпера-
турный диапазон нагрева воздуха и жидкости
выбирался из соображений минимизации пог-
решности определения минимальной плотнос-
ти орошения, которая связана с убылью массы
плёнки за счёт её испарения. Процедура изме-
рений повторялась несколько раз до получе-
ния необходимой статистики. После получе-
ния соответствующих результатов, исследова-
ния проводились при другом значении расхода
воздуха.
Результаты физического моделирования
процесса
Результаты исследования по определению
влияния скорости газового потока на мини-
мальную плотность орошения в канале с се-
точным покрытием представлены на рис.1.
Рис. 1 Разрыв плёнки с образованием сухих пятен на
поверхности канала при переходе плёночного течения
жидкости в ручейковое в зависимости от скорости газа.
Размер ячейки в свету S = 0,5 ∙ 10–3 м
1 - w = 12,0 м/с; 2 – 10,12 м/с; 3 – 6,57 м/с; 4 – 4,68 м/с;
5 – 2,01 м/с
В отличие от [6], где отмечалось, что при
скоростях w ≤ 4 м/с динамическое воздействие
газового потока не оказывает влияния на ус-
тойчивость плёночного течения, полученные
экспериментальные данные свидетельствуют
о существенном вкладе касательного напряже-
ния на поверхности плёнки на процесс перехо-
да плёночного течения жидкости в ручейковое.
Касательное напряжение вызвано газовым по-
током и усиленно вихревой структурой в эле-
ментарной ячейке сеточного покрытия. Как
видно из рис.1, во всём исследуемом диапазоне
скоростей газового потока, чем скорость выше,
тем при больших значениях Гmin 2 наступа-
ет разрыв плёнки. Анализ полученных экспе-
риментальных значений, с учётом результатов
исследования гидродинамики гравитационно-
го течения плёнок по вертикальным стенкам
каналов с сеточным покрытием, позволил по-
лучить эмпирическую зависимость минималь-
ной плотности орошения от скорости газового
потока и геометрических характеристик сетки:
Frmin 2 = 0,0067 · Re0,4 · Bo1,44 · (1 – cosq).
На рис. 2 представлена зависимость чис-
ла Фруда Frmin 2, которое соответствует мини-
ДОСЛІД ЖЕННЯ ТА оптимізація технологічних об'єктів і систем
49Туз В.Е., Белодед В.Д., Лебедь Н.Л. Динамика взаимодействия плёнки жидкости и газового потока
в вертикальных каналах тепломассообменного оборудования ГТУ компрессорных станций
торый влияет на работу контактного тепломас-
сообменного аппарата в области допустимых
потерь давления, является температура топ-
ливного газа на входе в аппарат.
При постоянной концентрации жид-
ких углеводородов в топливном газе, равной
0,08...0,09 кг/нм3, и температуре топливной
смеси 175 °С количество отсепарированной
жидкости достигало 43% от общего количества
газового конденсата, а при температуре 270 °С
оно составляло всего 9%. В последнем случае
температура топливной смеси и паров газово-
го конденсата составляла 234 °С при давлении
0,39 МПа. Таким образом, в аппарате испаря-
лись фактически только бензиновые и керо-
синовые фракции, попадание которых в паро-
вой фазе в камеру сгорания не снижают надёж-
ность работы ГТУ.
Рис. 2. Минимальная плотность орошения при
переходе плёночного течения жидкости в ручейковое в
зависимости от скорости газа
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя : пер. с нем. / Г.Шлихтинг. — М. : Наука, 1974. — 711 с.
2. Касилов В.Ф. Справочное пособие по гидродинамике для теплоэнергетиков: [справочник] / В.Ф.Касилов.
— М.: МЭИ, 2000. — 370 с.
3. Кесарев В.С. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления
турбулизированным потоком воздуха / В.С.Кесарев, А.П.Козлов // Вестник МГУ. — Серия Машино-
строение.— 1993. — № 1. — С. 106–115.
4. Исаев С.А. Численный анализ влияния вязкости на вихревую динамику при ламинарном отрывном об-
текании лунки на плоскости с учётом её ассиметрии / С.А.Исаев, А.И.Леонтьев, П.И.Баранов // ИФЖ.
— 2001. — Т. 74, № 2. — С. 635–645.
5. Халатов А.А. Тепломассообмен и гидродинамика околоповерхностных углублений (лунок) /
А.А.Халатов. — К.: Ин-т технической теплофизики НАН Украины, 2005. — 140 с.
6. Живайкин Л.Я. Течение плёнок жидкости по вертикальной поверхности / Л.Я.Живайкин, В.П.Волгин
// Журнал прикладной химии. — 1961. т.34 — № 6. — С.1236–1243.
Выводы
1. В отличие от гладкой поверхности, где
условия разрыва плёнки определяются фи-
зическими свойствами жидкости, смачивае-
мостью поверхности и зависят от баланса сил,
действующих на элементарный объём плёнки,
для поверхности с сеточным покрытием необ-
ходимо дополнительно учитывать капилляр-
ные эффекты в ячейке сетки.
2. Динамическое взаимодействие гравита-
ционной плёнки и газового потока приводит к
изменению баланса сил, действующих на неё.
Наличие сложного вихревого движения в эле-
ментарной ячейке сеточного покрытия, фоку-
сирующих точек и линий стоков приводит к
более раннему нарушению сплошности тече-
ния, сопровождающееся разрывом плёнки и
переходом в ручейковое течение. В результате
обобщения экспериментальных данных была
получена зависимость минимальной плотнос-
ти орошения от скорости газового потока и
геометрических характеристик сетки.
3. Опытно-промышленные испытания сис-
темы подготовки топливного газа ГПА ГТ‑750‑6
показали, что использование контактных ап-
паратов с сеточным покрытием поверхностей
теплообмена позволило:
— расширить диапазон работы по скоро-
сти газа, что обеспечило требования к качеству
топливного газа в системе топливоприготовле-
ния ГТУ ГПА;
— снизило расход топливного газа на 0,3–
0,5% от номинального расхода путём его нагре-
ва в рекуперативном теплообменном аппарате
за счёт частичной утилизации теплоты уходя-
щих газов.
мальной плотности орошения от скорости га-
зового потока Re.
Опытно-промышленные испытания систе-
мы подготовки топливного газа ГПА ГТ-750-6
показали, что определяющим параметром, ко-
|
| id | systemreorg-article-364 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:11:30Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/db/8edccc2bcce3bd182e51fd2275ba41db.pdf |
| spelling | systemreorg-article-3642026-07-18T12:57:37Z Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations Динаміка взаємодії плівки рідини та газового потоку у вертикальних каналах тепломасообмінного обладнання ГТУ компресорних станцій Tuz V.E. Bilodid V.D. Lebed N.L. heat and mass transfer, closeness of irrigation, net coverage of channels, pellicle regime of stream, compressor station. тепломасообмін, щільність зрошення, сіткове покриття каналів, плівковий режим потоку, компресорна станція. The results of experimental research of minimum closeness of irrigation in channels with net coverage of walls heat and mass transfer equipment of preparation technological and fuel gas of the systems of gas industry enterprises are resulted. Наведені результати експериментального дослідження мінімальної щільності зрошення в каналах з сітковим покриттям стінок тепломасообмінного обладнання систем підготовки технологічного та паливного газу підприємств газової промисловості. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2009-11-02 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/364 System Research in Energy; No. 1 (19) (2009): The Problems of General Energy; 46-49 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (19) (2009): Проблеми загальної енергетики; 46-49 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/364/305 Copyright (c) 2009 Tuz V.E., Bilodid V.D., Lebed N.L. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | heat and mass transfer closeness of irrigation net coverage of channels pellicle regime of stream compressor station. Tuz V.E. Bilodid V.D. Lebed N.L. Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title | Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title_alt | Динаміка взаємодії плівки рідини та газового потоку у вертикальних каналах тепломасообмінного обладнання ГТУ компресорних станцій |
| title_full | Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title_fullStr | Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title_full_unstemmed | Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title_short | Dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment GTU of the compressor stations |
| title_sort | dynamics of interaction of fluid film and gas flow in the uptakes of the heat and mass exchange equipment gtu of the compressor stations |
| topic | heat and mass transfer closeness of irrigation net coverage of channels pellicle regime of stream compressor station. |
| topic_facet | heat and mass transfer closeness of irrigation net coverage of channels pellicle regime of stream compressor station. тепломасообмін щільність зрошення сіткове покриття каналів плівковий режим потоку компресорна станція. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/364 |
| work_keys_str_mv | AT tuzve dynamicsofinteractionoffluidfilmandgasflowintheuptakesoftheheatandmassexchangeequipmentgtuofthecompressorstations AT bilodidvd dynamicsofinteractionoffluidfilmandgasflowintheuptakesoftheheatandmassexchangeequipmentgtuofthecompressorstations AT lebednl dynamicsofinteractionoffluidfilmandgasflowintheuptakesoftheheatandmassexchangeequipmentgtuofthecompressorstations AT tuzve dinamíkavzaêmodííplívkirídinitagazovogopotokuuvertikalʹnihkanalahteplomasoobmínnogoobladnannâgtukompresornihstancíj AT bilodidvd dinamíkavzaêmodííplívkirídinitagazovogopotokuuvertikalʹnihkanalahteplomasoobmínnogoobladnannâgtukompresornihstancíj AT lebednl dinamíkavzaêmodííplívkirídinitagazovogopotokuuvertikalʹnihkanalahteplomasoobmínnogoobladnannâgtukompresornihstancíj |