ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΗΣ ΤΥΠΟΥ ΚΟΙΛΟΤΗΤΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΑΕΡΑ-ΝΕΡΟΥ

Transcript

1 10 η Επιστημονική Συνάντηση Πανελλήνιο Συνέδριο για τα Φαινόμενα Μηχανικής Ρευστών Πάτρα,2-3 Δεκεμβρίου, 2016 ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΗΣ ΤΥΠΟΥ ΚΟΙΛΟΤΗΤΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ ΑΕΡΑ-ΝΕΡΟΥ Νικόλαος Α. Πανόπουλος 1, Διονύσιος Π. Μάργαρης 2 1 Υποψήφιος Διδάκτωρ, 2 Αναπληρωτής Καθηγητής Εργαστήριο Μηχανικής των Ρευστών και Εφαρμογών Αυτής, Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Ελλάδα panopoulos@mech.upatras.gr, margaris@upatras.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία διερευνώνται πειραματικά και υπολογιστικά η ροϊκή συμπεριφορά και η απόδοση διαχωρισμού ενός διφασικού μίγματος αέρα-νερού σε οριζόντια και κατακόρυφη ροή. Ο διαχωριστής είναι μια ορθογωνική κοιλότητα διαστάσεων 25x55mm με οπή εξόδου διαμέτρου Ø10 στο άνω μέρος όπου διαφεύγει ποσοστό της ελαφριάς φάσης. Η εργαστηριακή διάταξη κατασκευάστηκε ώστε να παροχετεύει νερό και αέρα σε ορθογωνικό αγωγό από Plexiglas μήκους 1020mm. Διάφοροι συνδυασμοί σταθερής παροχής νερού με αυξανόμενη παροχή αέρα εξετάστηκαν σε 5 θέσεις (5, 10, 15, 20 και 25 φορές την τιμή της υδραυλικής διαμέτρου), μεμονωμένα, σε συνδυασμό μεταξύ τους καθώς και όλες μαζί ταυτόχρονα. Από τα αποτελέσματα προέκυψε το εύρος βέλτιστης λειτουργίας του διαχωριστή. Οι καλύτερες περιπτώσεις εξετάστηκαν υπολογιστικά με το ANSYS Fluent και προέκυψε πολύ καλή σύγκλιση πειραματικών και υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Επιπλέον, σχεδιάστηκε ροϊκός χάρτης για το διφασικό μίγμα. Τρία ήταν τα κύρια είδη ροής (stratified, wavy και slug ροή). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι υψηλές αποδόσεις επιτυγχάνονται για στρωματοποιημένη ροή με χαμηλή φαινομενική ταχύτητα αέρα. Επίσης, οι κοιλότητες στις θέσεις 5 και 10D h συνεισφέρουν περισσότερο στο διαχωρισμό. Τέλος, πραγματοποιείται αρχική υπολογιστική διερεύνηση της συμπεριφοράς του διαχωριστή σε κατακόρυφο αγωγό με μίγμα νερού-αέρα. Αντιθέτως, ο διαχωρισμός σε αυτή την περίπτωση απαιτεί υψηλή ταχύτητα αέριας φάσης. Λέξεις Κλειδιά: Διφασική ροή, Διαχωρισμός, Απόδοση, Ροϊκός χάρτης 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πολυφασικές ροές υγρού-αερίου συναντώνται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές στην πετρελαϊκή βιομηχανία, στην χημική επιστήμη, στην εξόρυξη υδρογονανθράκων, σε εφαρμογές μεταλλουργίας καθώς και στην ίδια την φύση με χαρακτηριστικά παραδείγματα τα κοιτάσματα πετρελαίου-φυσικού αερίου. Το εύρος εφαρμογών είναι μεγάλο και είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν τεχνικές μεταφοράς που θα εξασφαλίζουν την ασφάλεια και εφόσον γίνεται τον αποδοτικό διαχωρισμό κατά τη μεταφορά. Όμως οι συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό των συστημάτων μεταφοράς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των φάσεων δημιουργούν απλές και πιο συχνά πολύπλοκες πολυφασικές ροές. Πολλοί αγωγοί σωληνώσεις δημιουργούν μεταξύ τους γεωμετρίες τύπου Τ όπου η αλληλεπίδραση των φάσεων μεταξύ του κυρίως αγωγού (run) και της διακλάδωσης (branch) δημιουργεί φαινόμενα που πρέπει να μελετηθούν (Das G. et al. 2005; Wren E. and Azzopardi B.J. 2004). Στην βιβλιογραφία υπάρχει πλήθος εργασιών που αφορούν την πολυφασική μελέτη της ροής σε διαχωριστή τύπου Τ, με θεωρητική προσέγγιση της ροής (Margaris 2006), για μίγμα νερού-αέρα (Stacey T. 2000) καθώς και για διαχωρισμό νερού κηροζίνης (Yang L. et al. 2006). Στους περισσότερους διαχωριστές που συναντώνται στην βιβλιογραφία συναντώνται χαμηλές ταχύτητες αέριας φάσης ώστε οι διαχωριστές 1

2 να είναι στην ουσία ένα δοχείο για να πραγματοποιείται διαχωρισμός μέσω βαρύτητας. Αυτή η διαδικασία ωστόσο είναι σχετικά χρονοβόρα καθώς απαιτεί την είσοδο των φάσεων στο δοχείο και την στρωματοποίησή τους. Επίσης, όταν αναπτύσσονται υψηλές πιέσεις το δοχείο έχει υψηλό κόστος κατασκευής (Yang et al. 2010). Με βάση τις προσπάθειες αποδοτικού διαχωρισμού προτείνεται ένα νέο είδος διαχωριστή που χρησιμοποιεί την διαφορά πυκνότητας και ωθεί την ελαφρύτερη φάση στην προκαθορισμένη έξοδο μιας κοιλότητας-διαχωριστή. Σύμφωνα με τα συμπεράσματα από προηγούμενες μελέτες προτείνεται συμμετρική κοιλότητα με λόγο επιμήκους (Aspect Ratio) AR = ύψος/πλάτος = 1 (Panopoulos N., Margaris D. 2014), τοποθετημένη κάθετα στη ροή ώστε να παγιδεύει ποσότητα ελαφριάς φάσης και λόγω περιστροφής και διαφοράς πίεσης να διαχωρίζει το μίγμα. Έχει πραγματοποιηθεί υπολογιστική μελέτη για διάφορες κοιλότητες και συνθήκες ροής καθώς και πειραματική διερεύνηση διαχωρισμού της διφασικής ροής (Panopoulos N. et al., 2014, 2015, 2016). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια σύνοψη των βέλτιστων πειραμάτων και προσομοιώσεων, προτάσεις τροποποιημένων γεωμετριών που επιτυγχάνουν υψηλότερη απόδοση διαχωρισμού καθώς και αρχικές εφαρμογές του διαχωριστή σε κατακόρυφη ροή μίγματος νερού-αέρα. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Η πειραματική εγκατάσταση για τη μελέτη διαχωρισμού διφασικού μίγματος αέρα-νερού σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής των Ρευστών και Εφαρμογών Αυτής, του τμήματος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών. Στην Εικόνα 1α απεικονίζεται η εργαστηριακή εγκατάσταση. Παρουσιάζονται τα μετρητικά όργανα και ο αγωγός πάνω στον οποίο προσαρμόζονται οι κοιλότητες-διαχωριστές από Plexiglas. Στη συνέχεια στην Εικόνα 1β απεικονίζεται σκίτσο της εγκατάστασης με αρίθμηση όλων των βασικών οργάνων και εξαρτημάτων. Η επεξήγηση των στοιχείων της Εικόνας 1β είναι η εξής: 1) Δεξαμενή νερού, 2) Αντλία νερού, 3) Αγωγός Plexiglas, 4) Ροόμετρα νερού, 5) Ροόμετρα αέρα, 6) Μετατροπέας πίεσης, 7) Βάνα ρύθμισης παροχής νερού, 8) Μείκτης τύπου Ταυ, 9) Μεταλλικό εξάρτημα σύνδεσης σωληνώσεων μεταφοράς αέρα, 10) Συλλέκτης υγρασίας, 11) Ροόμετρο μέτρησης μάζας αέρα, 12) Διαχωριστής και 13) Αεροσυμπιεστής. Εικόνα 1: Εργαστηριακή εγκατάσταση (α), Σκίτσο εργαστηριακής εγκατάστασης με αρίθμηση βασικών εξαρτημάτων (β) (Πηγή: Panopoulos et al. 2015) Στην Εικόνα 2α απεικονίζεται το τρισδιάστατο σχέδιο καθώς και ο κατασκευασμένος από Plexiglas συμμετρικός διαχωριστής με λόγο επιμήκους ίσο με τη μονάδα. Στην Εικόνα 2β απεικονίζεται το τρισδιάστατο μοντέλο του ορθογωνικού αγωγού με τους 5 διαχωριστές τοποθετημένους ανά απόσταση ίση με 5 φορές την τιμή της υδραυλική διαμέτρου του σωλήνα (D h = 34 mm). Για τη διεξαγωγή των πειραμάτων η δεξαμενή νερού (Εικ. 1β. 1) είναι γεμάτη νερό. Επιλέχθηκε η διερεύνηση με ανοικτό καπάκι, δηλαδή με πίεση 1 atm στην ελεύθερη επιφάνεια του ρευστού. Σημειώνεται ότι ο σωλήνας εκροής του μίγματος μέσα στη δεξαμενή νερού είναι βυθισμένος κατά 300mm με σκοπό την ύπαρξη υπερπίεσης στην έξοδο. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις διαφορετικές στάθμες υπερπίεσης και απέδειξαν ότι όσο πιο βυθισμένος ο αγωγός τόσο μεγαλύτερος ο βαθμός διαχωρισμού (Εικόνα 3). Παρατηρείται ότι η μέγιστη στάθμη νερού στη δεξαμενή επιτυγχάνει μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης σε όλο το εύρος παροχών αέρα. Συνεπώς όλα τα πειράματα διεξάγονται με γεμάτη τη δεξαμενή νερού. 2

3 Εικόνα 2: (α) Διαχωριστής μίγματος τύπου κοιλότητας, (β) Τμήμα μετρήσεων με τις πέντε κοιλότητες (Πηγή: Panopoulos et al. 2015) Εικόνα 3: Διερεύνηση επίδρασης ύψους στάθμης υπερπίεσης σε σχέση με το επίπεδο του αγωγού εκροής στη δεξαμενή νερού Εικόνα 4: Υπολογιστικό πλέγμα στην περιοχή του διαχωριστή 3. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ CFD ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΕΣ Με γνωστές τις οριακές τιμές του πειράματος πραγματοποιήθηκε και υπολογιστική μελέτη του ίδιου φαινομένου. Αρχικά σχεδιάστηκε το ροϊκό πεδίο στο σχεδιαστικό πακέτο της Ansys, δημιουργήθηκαν διάφορα υπολογιστικά πλέγματα και επιλέχθηκε αυτό που μέσω του CFD πακέτου Fluent κατόρθωσε να επιτύχει τον ίδιο βαθμό απόδοσης διαχωρισμού με το πείραμα. Το πλήθος των υπολογιστικών κελιών που χρησιμοποιήθηκαν για τις προσομοιώσεις ήταν εξάεδρα κελιά (Εικόνα 4). Ως οριακές συνθήκες ορίστηκαν οι είσοδοι ταχύτητας αέρα και νερού, η έξοδος του διαχωριστή από την οποία είχε επιλεχθεί να καταγράφεται η παροχή της μάζας εξερχόμενου αέρα, η κύρια έξοδος πίεσης στο δεξιό άκρο του σωλήνα και τέλος τα τοιχώματα του αγωγού. Επιλέχθηκε το πολυφασικό μοντέλο Volume Of Fluid (VOF) ώστε να εξαχθούν λεπτομερείς εικόνες της ροής των δύο φάσεων και για να συγκριθούν με το πειραματικό φωτογραφικό υλικό. Η σύγκριση αυτή οδήγησε στο σχεδιασμό ενός ροϊκού χάρτη για οριζόντια διφασική ροή σε αγωγό ορθογωνικής διατομής. Μια χαρακτηριστική σύγκριση υπολογιστικής και πειραματικής ροής παρουσιάζεται στην Εικόνα ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Ορατοποίηση ροής και κλάσμα όγκου αέρα Στην Εικόνα 5 παρουσιάζεται μια χαρακτηριστική περίπτωση προσομοίωσης όπου απεικονίζεται η slug οριζόντια ροή. Στο άνω μέρος του αγωγού λόγω διαφοράς πυκνότητας παρατηρείται με κόκκινο χρώμα ο αέρας (Εικ.5α). Αντίστοιχα στην Εικόνα 5β παρουσιάζεται η πειραματική ροή στις ίδιες συνθήκες στην περιοχή του διαχωριστή. Για κάθε πείραμα επιτεύχθηκε το ίδιο είδος οριζόντιας διφασικής ροής υπολογιστικά και πειραματικά. Εικόνα 5: α) Βήματα προσομοίωσης με απεικόνιση του κλάσματος όγκου, β) πειραματική slug ροή 3

4 4.2 Πειραματική απόδοση διαχωρισμού με χρήση 1 διαχωριστή Το εύρος των παροχών νερού που χρησιμοποιήθηκαν στην πειραματική εγκατάσταση είναι m³/h με βήμα 0.5 και το εύρος της παροχής αέρα είναι L/min ( m³/h). Στην Εικόνα 6α παρουσιάζεται η απόδοση διαχωρισμού η(%) συναρτήσει της αυξανόμενης παροχής αέρα για το διαχωριστή στη θέση 5D h (170mm). Παρατηρείται ότι όσο αυξάνεται η ταχύτητα της υγρής φάσης τόσο μειώνονται οι τιμές της απόδοσης μέχρι την τιμή των 70 L/min. Αντίστοιχα στην Εικόνα 6β παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα για το διαχωριστή στη θέση 10D h (340mm). Παρατηρείται ότι και σε αυτή την περίπτωση με την αύξηση της παροχής του ρευστού μειώνεται η απόδοση για τις παροχές 2 και 2.5 m³/h ενώ για τις μικρότερες παρατηρείται μια σταθεροποίηση της απόδοσης λίγο πάνω από το 50% μέχρι την παροχή των 25L/min αέρα. Στη συνέχεια, από τα 60 L/min αέρα και έπειτα οι αποδόσεις δεν επηρεάζονται από την αύξηση της παροχής του ρευστού και μειώνονται με την αύξηση της παροχής του αέρα. Αξίζει να σημειωθεί επίσης ότι για κάθε πείραμα ύστερα από την αρχική τιμή παρουσιάζεται αύξηση του διαχωρισμού, η απόδοση αποκτά μέγιστη τιμή και στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά. Εικόνα 6: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστής 5D h, β) Διαχωριστής 10D h Στην Εικόνα 7α παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για το διαχωριστή στη θέση 15D h (520mm) που βρίσκεται στο μέσον περίπου του αγωγού. Παρατηρείται διαφορετική συμπεριφορά των τιμών της απόδοσης σε αυτή τη θέση. Συγκεκριμένα, για τις παροχές νερού 0.5, 1 και 1.5 m³/h παρατηρείται υψηλότερη απόδοση στις χαμηλότερες παροχές αέρα και στη συνέχεια μείωση. Αντίθετα, για τις παροχές 2, 2.5 αλλά και 3 m³/h (μόνο σε αυτή την περίπτωση) παρατηρείται ότι η απόδοση αρχικά είναι χαμηλή, σταδιακά αυξάνεται μέχρι τη μέγιστη τιμή και στη συνέχεια οι αποδόσεις μειώνονται. Περίπου ίδια είναι η κατανομή των τιμών της απόδοσης και για την περίπτωση 20D h (680 mm) όπως απεικονίζεται στην Εικόνα 7β καθώς και για τη θέση των 25D h (850 mm) (Εικόνα 8). Εικόνα 7: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστής 15D h, β) Διαχωριστής 20D h 4

5 Εικόνα 8: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου. Διαχωριστής 25D h 4.3 Πειραματική απόδοση διαχωρισμού με χρήση 2 διαχωριστών Η πειραματική εγκατάσταση σχεδιάστηκε έτσι ώστε να μπορούν να συνδυαστούν ταυτόχρονα έως 5 διαχωριστές τοποθετημένοι στο εμπρός τοίχωμα του αγωγού. Οι παροχές για την υγρή φάση σε αυτή την περίπτωση είναι τέσσερις και είναι οι εξής: 0.5, 1, 2 και 3 m³/h. Επίσης, το εύρος των παροχών αέρα είναι από L/min ( m³/h). Αυτές είναι οι ακραίες τιμές και ανάλογα με τις συνθήκες πιέσεων και τις ταλαντώσεις εφαρμόστηκαν σε όσα πειράματα κρίθηκε ότι ο αγωγός δεν κινδυνεύει από κάποια αστοχία υλικού. Στην Εικόνα 9α παρουσιάζεται η απόδοση για τους διαχωριστές σε θέσεις 5 και 10D h και παρατηρείται μέγιστη απόδοση για 2 m³/h και στην Εικόνα 9β παρουσιάζεται η περίπτωση 5 και 15D h όπου παρατηρείται μέγιστη απόδοση για 0.5 m³/h. Και στις 2 περιπτώσεις η max 45%. Παρόμοια είναι τα αποτελέσματα για τις περιπτώσεις 5-20D h (Εικόνα 10α) και 5-25D h (Εικόνα 10β). Εικόνα 9: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστές σε θέσεις 5 και 10D h, β) Διαχωριστές σε θέσεις 5 και 15D h Εικόνα 10: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστές σε θέσεις 5 και 20D h, β) Διαχωριστές σε θέσεις 5 και 25D h Στα προηγούμενα σετ πειραμάτων ο πρώτος διαχωριστής βρισκόταν πιο κοντά στην είσοδο τοποθετημένος στη θέση 5D h. Στη συνέχεια τοποθετείται στην αμέσως επόμενη, αυτή των 10D h και εξετάζεται κατά πόσο επηρεάζεται ο διαχωρισμός. Ο βαθμός απόδοσης και σε αυτή την περίπτωση έχει χαμηλές αρχικές τιμές, αυξάνεται, φθάνει στη μέγιστη τιμή και τέλος μειώνεται σταδιακά. Στην 5

6 Εικόνα 11α απεικονίζονται τα αποτελέσματα για την περίπτωση 10-15D h με μέγιστη απόδοση η 46% (Q w: 0.5 m³/h) και στην Εικόνα 11β για την περίπτωση 10-20D h με μέγιστη απόδοση η 53% (Q w: 0.5 m³/h). Παρατηρείται ξανά ότι η αύξηση της παροχής του νερού μειώνει την απόδοση μέχρι να επιτευχθεί η μέγιστη τιμή. Εικόνα 11: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστές σε θέσεις 10 και 15D h, β) Διαχωριστές σε θέσεις 10 και 20D h Στην περίπτωση 10-25D h επιτυγχάνεται μέγιστος βαθμός απόδοσης η 48% (Εικόνα 12α) ενώ για την τελευταία περίπτωση 2 διαχωριστών των 15-20D h (Εικόνα 12β), η μέγιστη απόδοση είναι υψηλότερη και περίπου ίση με 55%. Σημειώνεται ότι και στις 2 προαναφερθείσες περιπτώσεις η μέγιστη απόδοση σημειώθηκε για την ελάχιστη παροχή νερού (Q w: 0.5 m³/h). Εικόνα 12: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστές σε θέσεις 10 και 25D h, β) Διαχωριστές σε θέσεις 15 και 20D h 4.4 Πειραματική απόδοση διαχωρισμού με χρήση 3 διαχωριστών Η διερεύνηση εύρεσης της βέλτιστης απόδοσης για διάφορους συνδυασμούς κοιλοτήτων-διαχωριστών συνεχίζεται με την τοποθέτηση τριών διαχωριστών ταυτόχρονα. Θεωρητικά η αύξηση του βαθμού των διαχωριστών θα προκαλούσε και αύξηση του βαθμού απόδοσης, ωστόσο παρατηρείται ότι ο μέγιστος βαθμός απόδοσης όταν τοποθετηθούν τρεις διαχωριστές διαδοχικά είναι περίπου ίσος με 54% (Εικόνα 13α). Όταν τοποθετείται ο τρίτος διαχωριστής στην επόμενη θέση (20D h) ο βαθμός απόδοσης μειώνεται στο 52% (Εικόνα 13β). Όπως και στα περισσότερα πειράματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως έτσι και σε αυτή την περίπτωση ο μέγιστος διαχωρισμός επιτυγχάνεται στη μικρότερη παροχή νερού (0.5 m³/h) Εικόνα 13: Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου α) Διαχωριστές σε θέσεις 5, 10 και 15D h, β) Διαχωριστές σε θέσεις 10, 15 και 20D h 6

7 4.5 Πειραματική απόδοση διαχωρισμού με χρήση 5 διαχωριστών Η διερεύνηση με την ταυτόχρονη τοποθέτηση 5 διαχωριστών μαζί έχει μελετηθεί πειραματικά και υπολογιστικά στις εργασίες Panopoulos et al. (2015, 2016). Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διερεύνησης των 5 διαχωριστών με μεγαλύτερο εύρος παροχών νερού (0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 και 3 m³/h). Η μέγιστη τιμή διαχωρισμού είναι περίπου 48% και επιτυγχάνεται για τα 0.5 m³/h νερού. Εικόνα 14 Απόδοση διαχωρισμού συναρτήσει της παροχής αέρα εισόδου - Διαχωριστές σε θέσεις 5, 10, 15, 20 και 25D h 4.6 Ροϊκός χάρτης Παράλληλα με την καταγραφή των επιθυμητών μεταβλητών για εξαγωγή αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε και δημιουργία ροϊκού χάρτη για οριζόντια ροή σε αγωγό ορθογωνικής διατομής. Τα ροϊκά είδη που παρατηρήθηκαν στο πείραμα ήταν τέσσερα: plug, stratified, stratified-wavy και semi slug ροή όπως έχουν οριστεί από τους Mandane et al. (1974). Στην Εικόνα 15 παρουσιάζεται ο ροϊκός χάρτης που έχει κατασκευαστεί σε προηγούμενη εργασία τους Panopoulos et al. (2016). Οι φαινομενικές ταχύτητες των δύο φάσεων (J L νερό, J G αέρας) χρησιμοποιήθηκαν ως μεταβλητές στους δύο άξονες για πιο άμεση ανάγνωση του χάρτη. Παρατηρείται ότι όταν οι ταχύτητες και των 2 φάσεων είναι χαμηλές τότε η ροή είναι στρωματοποιημένη (stratified). Στη συνέχεια αυξάνοντας την J G με χαμηλή J L η ροή είναι στρωματοποιημένη με έντονους κυματισμούς. Το ίδιο μοτίβο παρατηρείται μέχρι η J G 0.6 m/s. Τέλος όταν αυξηθούν και οι δύο ταχύτητες των φάσεων παρατηρείται ροή semi slug. Για τον υπολογισμό των ταχυτήτων χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις Q J G G A και Q J w L A (ύψος) = 0,001375m 2, όπου, Α ορίζεται η ορθογωνική διατομή του αγωγού: Α = W (πλάτος) x Η Εικόνα 15: Ροϊκός χάρτης Φωτογραφίες πειραματικής ροής (Πηγή Panopoulos et al. 2016) 7

8 5. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑ Ο παθητικός διαχωρισμός της ελαφριάς φάσης επιτεύχθηκε σε ικανοποιητικό βαθμό τοποθετώντας από 1 έως 5 διαχωριστές στην ίδια επιφάνεια του αγωγού. Η επόμενη διερεύνηση αφορά την τοποθέτηση 2 διαχωριστών αντικριστά ή διαδοχικά σε παράλληλα τοιχώματα του αγωγού για διερεύνηση αύξησης του βαθμού απόδοσης. Στην Εικόνα 16α παρουσιάζεται η κατανομή του κλάσματος όγκου του αέρα όταν τοποθετηθούν δύο διαχωριστές αντικριστά μεταξύ τους, σε απόσταση 340mm (10D h) από την είσοδο. Στην Εικόνα 16β ο ένας διαχωριστής τοποθετείται διαδοχικά από τον άλλο σε απόσταση 10Dh + H, όπου Η είναι η διάσταση μήκους της κοιλότητας (Η=25mm). Εικόνα 16: (α) Αντικριστοί διαχωριστές, (β): Διαχωριστές τοποθετημένοι παράλληλα διαδοχικά με απόσταση Η: 25mm μεταξύ τους Σε παλαιότερες εργασίες (Zoga et al. 2014, Panopoulos et al. 2014), έχει εξεταστεί η χρήση διαχωριστή στην πάνω επιφάνεια αγωγού ωστόσο τα αποτελέσματα δεν ήταν ικανοποιητικά. Συνεπώς πραγματοποιήθηκε τροποποίηση της γεωμετρίας και τοποθετήθηκε πτερύγιο κάτω από τον διαχωριστή που κατευθύνει ένα ποσοστό της ελαφριάς φάσης στο εσωτερικό του διαχωριστή. Η ορατοποίηση ροής επιτεύχθηκε μέσω του κλάσματος όγκου στο Fluent και τα αποτελέσματα για τις δύο καλύτερες αποδόσεις παρουσιάζονται στην Εικόνα 17. Στην Εικόνα 17α παρατηρείται ότι επιτυγχάνεται ο υψηλότερος διαχωρισμός συγκριτικά με όλα τα πειράματα καθώς ο βαθμός απόδοσης είναι σχεδόν 98%. Παρατηρείται ότι όταν η ταχύτητα του αέρα είναι χαμηλή (0.10 m/s) τότε το 98% του όγκου διαχωρίζεται και εξέρχεται από την έξοδο του διαχωριστή. Εξίσου μεγάλο είναι και το ποσοστό διαχωρισμού για ταχύτητα αέριας φάσης 0.30 m/s (Εικ. 17β) όπου διαχωρίζεται περίπου το 95% του όγκου του εισερχόμενου αέρα. Εικόνα 17: Πτερύγιο κατεύθυνσης ροής Διαχωριστής στο πάνω μέρος του αγωγού Στην Εικόνα 18 παρουσιάζεται το συγκριτικό διάγραμμα απόδοσης παροχής αέρα των παραπάνω τροποποιημένων περιπτώσεων. Αν η εφαρμογή απαιτεί ή επιτρέπει τοποθέτηση διαχωριστή στο πάνω μέρος αγωγού μεταφοράς μίγματος (μαζί με το πτερύγιο που ωθεί καλύτερα την ελαφριά φάση στο διαχωριστή) τότε η περίπτωση αυτή είναι μακράν αποδοτικότερη. Αν δεν είναι δυνατή η τοποθέτηση διαχωριστή στο πάνω μέρος και η ταχύτητα της αέριας φάσης είναι σχετικά χαμηλή, στην περίπτωση του πειράματος είναι χαμηλότερη των 0.4 m/s, τότε προτείνεται η χρήση αντικριστών διαχωριστών. 8

9 Για ενδιάμεσες ταχύτητες (0.4 < U air < 0.7 m/s) τότε προτείνεται η χρήση των παράλληλων και διαδοχικών διαχωριστών (Εικ. 16β). Τέλος για μεγαλύτερες ταχύτητες η περίπτωση των αντικριστών διαχωριστών επιτυγχάνει οριακά καλύτερο διαχωρισμό όπως παρατηρείται στο διάγραμμα της Εικόνας 18. Εικόνα 18: Συγκεντρωτικό διάγραμμα περιπτώσεων διαχωριστών 6. ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ CFD ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΟΥ ΑΓΩΓΟΥ ΜΕ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΕΣ Εφόσον εξετάσθηκαν διάφορες περιπτώσεις διαχωρισμού διφασικής οριζόντιας ροής και επιβεβαιώθηκε ότι ο διαχωριστής επιτυγχάνει ικανοποιητικούς βαθμούς απόδοσης ανάλογα το εύρος των οριακών συνθηκών, πραγματοποιήθηκε υπολογιστική διερεύνηση διαχωρισμού διφασικής ροής αέρα-νερού σε κατακόρυφο αγωγό ίδιας γεωμετρίας με τον οριζόντιο. Η κύρια διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι η έξοδος βρίσκεται στο πάνω μέρος της κοιλότητας. Η επιλογή αυτή βασίζεται σε 2 λόγους. Αρχικά για να χρησιμοποιηθεί προς το όφελος του διαχωρισμού η δύναμη της βαρύτητας δηλαδή η ελαφριά φάση να καταλάβει το πάνω μέρος της κοιλότητας και δεύτερον για να μειωθεί όσο γίνεται η έξοδος της υγρής φάσης από την κοιλότητα. Εξετάστηκαν τρεις υπολογιστικές γεωμετρίες. Η πρώτη με τον διαχωριστή τοποθετημένο σε ύψος 10D h από την είσοδο, η δεύτερη με το διαχωριστή τοποθετημένο σε ύψος 20D h και η τρίτη με το συνδυασμό 10+20D h. Πραγματοποιήθηκε διερεύνηση μίγματος νερού αέρα με είσοδο φυσαλίδων στον αγωγό. Παρατηρείται ότι στην περίπτωση 10D h - ε air: οι φυσαλίδες ανυψώνονται σαν ενιαίες δομές και όχι μεμονωμένα. Αντιθέτως, όταν τοποθετηθεί ο διαχωριστής σε διπλάσιο ύψος από την είσοδο, 20D h - ε air: οι φυσαλίδες ενώνονται μεταξύ τους και δημιουργούν όγκους αέρα βληματοειδούς σχήματος. Τέλος, όταν τοποθετηθούν 2 διαχωριστές ταυτόχρονα οι φυσαλίδες ανυψώνονται μεμονωμένα σχηματίζοντας μικρούς όγκους αέρα σφαιρικού σχήματος (Εικόνα 19α). Η επόμενη περίπτωση αφορά την είσοδο αέρα από μεμονωμένη είσοδο, συνεπώς το κλάσμα όγκου στην είσοδο αέρα είναι μονάδα (ε air = 1) και ο διαχωριστής τοποθετείται σε ύψος 10D h από την είσοδο. Από τις προσομοιώσεις για την κατακόρυφη ροή προκύπτει ότι για ε air: και ανεξαρτήτως του σημείου τοποθέτησης του διαχωριστή, για ταχύτητα μίγματος μικρότερη των 1.5 m/s επιτυγχάνονται οι υψηλότερες αποδόσεις. Επίσης, η τοποθέτηση δύο διαχωριστών δεν επιτυγχάνει για U mix < 1.5 m/s υψηλότερες αποδόσεις σε σχέση με τον ένα διαχωριστή. Τέλος, τα ροϊκά μοτίβα που παρατηρούνται είναι: bubble, churn και slug. Αξίζει να σημειωθεί ότι λόγω των μοντέλων churn και slug δεν υπάρχει συνεχής όγκος αέρα να εισέρχεται στο διαχωριστή και το φαινόμενο παρουσιάζει μια περιοδική συμπεριφορά. Πιο συγκεκριμένα τα βήματα διαχωρισμού στην κατακόρυφη ροή είναι: 1) Σχηματισμός μεγάλης φυσαλίδας, 2) Διαχωρισμός όγκου φυσαλίδας, 3) Ποσοστό αέριας φάσης διαχωρίζεται και το υπόλοιπο ανυψώνεται στην κύρια έξοδο, 4) Επανάληψη διαδικασίας. 9

10 Εικόνα 19: (α) Κατακόρυφος αγωγός με φυσαλίδες αέρα και 3 διαφορετικές περιπτώσεις διαχωρισμού, (β) Διφασικό μίγμα νερού αέρα (ε air : 1) με μίξη των δύο φάσεων και διαχωριστή σε ύψος 10D h 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οριζόντια ροή Πειραματική εγκατάσταση και προσομοίωση Παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα της πειραματικής και αριθμητικής διερεύνησης διαχωρισμού διφασικού μίγματος αέρα νερού σε οριζόντιο αγωγό ορθογωνικής διατομής με χρήση ενός καινοτόμου διαχωριστή-κοιλότητας. Οι διαχωριστές τοποθετήθηκαν σε πέντε διαφορετικές θέσεις με βάση την τιμή της υδραυλικής διαμέτρου (D h: 34 mm). Η ελαφριά φάση καταλαμβάνει το άνω τμήμα του αγωγού. Ο σχεδιασμός της συμμετρικής κοιλότητας και το σημείο τοποθέτησης της εξόδου αναγκάζει τον αέρα να ξεκινήσει μια περιστροφική κίνηση με ταυτόχρονη ανοδική πορεία προς την έξοδο. Οι έξοδοι των κοιλοτήτων συνδέονται με σωληνάκια Ø10 που μεταφέρουν τον όγκο του αέρα που διαχωρίζεται από το μίγμα διαμέσου ενός μετρητή ροής μάζας. Οι βέλτιστες πειραματικές προσομοιώσεις προσομοιώθηκαν και υπολογιστικά στο CFD πρόγραμμα Ansys Fluent 16. Τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν είναι: Κατασκευή πρωτότυπου ροϊκού χάρτη για οριζόντια ροή σε αγωγό ορθογωνικής διατομής με ταυτόχρονο διαχωρισμό της ροής. Ροϊκά μοτίβα: stratified, stratified wavy, semi slug. Η τοποθέτηση παραπάνω του ενός διαχωριστή δεν εγγυάται υψηλότερη απόδοση η(%). η max = η 10Dh = 60% > η 5_10_15_20_25Dh = 49% Η φαινομενική ταχύτητα της υγρής φάσης δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση. Αντιθέτως, η φαινομενική ταχύτητα της αέριας φάσης είναι καθοριστικός παράγοντας καθώς στις χαμηλές ταχύτητες επιτυγχάνεται ο μέγιστος διαχωρισμός. Οριζόντια ροή Τροποποιημένη γεωμετρία Επιτυγχάνεται ο σκοπός της εργασίας καθώς οι βαθμοί απόδοσης με χρήση 2 διαχωριστών σε παράλληλα επίπεδα είναι υψηλότεροι από την αντίστοιχη μελέτη με 1, 2, 3 ή και 5 διαχωριστές. o Ο μέγιστος πειραματικός βαθμός απόδοσης ήταν η 10Dh = 60%. Η τοποθέτηση πτερυγίου συμβάλλει στον εγκλωβισμό του αέρα μέσα στην κοιλότητα και σε υψηλούς βαθμούς απόδοσης. Όταν ισχύει: 0.1 < U air 0.4 m/s τότε προτείνεται η χρήση της Περίπτωσης 1 (Εικ. 18- η 1). Όταν ισχύει: 0.4 < U air < 0.8 m/s τότε προτείνεται η χρήση της Περίπτωσης 2 (Εικ. 18- η 2). Σε μίγμα μεθανίου πετρελαίου η βέλτιστη περίπτωση είναι αυτή με τους παράλληλους διαδοχικούς διαχωριστές όπου ο ένας βρίσκεται σε απόσταση Η = 25mm σε σχέση με τον άλλο. Οι μεγαλύτερες αποδόσεις επιτυγχάνονται σε στρωματοποιημένη (stratified) ροή. 10

11 Κατακόρυφη ροή Ανεξαρτήτως κλάσματος όγκου και ύψους τοποθέτησης διαχωριστή, για U mixture<1.5 m/s επιτυγχάνονται οι μεγαλύτερες αποδόσεις. Για κλάσμα όγκου ε g =0.1 επιτεύχθηκε η μεγαλύτερη στιγμιαία απόδοση η Ενώ θεωρητικά η τοποθέτηση δύο κοιλοτήτων φαίνεται να εξυπηρετεί το διαχωρισμό, παρατηρείται πως για U mixture < 1.5 m/s ότι οι αποδόσεις δεν είναι το ίδιο ικανοποιητικές σε σχέση με αυτές που προκύπτουν στις περιπτώσεις που υπάρχει ένας διαχωριστής. Στη διφασική ροή για κλάσμα όγκου ε g =1 (είσοδος αέρα από μεμονωμένη είσοδο) τα ροϊκά μοτίβα που προκύπτουν είναι τα: bubble, churn και slug. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε οικονομικά από τις «Υποτροφίες Ανδρέας Μεντζελόπουλος του Πανεπιστημίου Πατρών». ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Das G., Das P.K. and Azzopardi B.J.(2005), The split of stratified gas-liquid flow at a small diameter T-junction, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 31, pp Mandane, J.M., Gregory, G.A., Aziz, K., (1974), A flow pattern map for gas-liquid flow in horizontal pipes, International Journal of Multiphase Flow, Vol 1, pp Margaris P. Dionissios. (2006), T-junction separation modelling in gas-liquid two-phase flow. Chemical Engineering and Processing 46, pp Panopoulos A. Nikolaos, Margaris P. Dionissios, (2014), Computational Study of Pipe with Street Canyon Cavities as an Air-Water Mixture Pathetic Separator, 9 th Greek National Conference Fluid Flow Phenomena, Athens, December. Panopoulos A. Nikolaos, Margaris P. Dionissios, (2015), Numerical Analysis of air-water separation in orthogonal pipe with parametrical outlet position, 6 th Intern. Conf. on Experiments/Process/ System Modelling/Simulation/Optimization, 6 th IC-EpsMsO, Athens, 8-11 July. Panopoulos A. Nikolaos, Margaris P. Dionissios, Andriopoulos K. Athanasios, (2016), Air Separation Investigation of Gas-Liquid Stratified - Slug Flow Along Horizontal Pipe: Simulation And Experiment, 7 th International Conference from Scientific Computing to Computational Engineering, Athens, 6-9 July. Panopoulos A. Nikolaos, Margaris P. Dionissios, Markos K. Kapetanakis and Ernesto K. Zagklis Tyraskis, (2014), CFD Simulation of Street Canyon Phenomenon as Gas-Liquid Two-Phase Flow Separation Mechanism, 6 th International Conference from Scientific Computing to Computational Engineering, Athens, July. Panopoulos, N. A., Margaris, D. P., Kostakontis, G. M., Styliaras, P. E., (2015), Numerical and experimental investigation of air-water two-phase flow in a pipe with three cavities of different aspect ratios, Intern. Review of Mechanical Engineering (I.R.E.M.E.), Vol. 9, No 2, March, pp Panopoulos, N. A., Margaris, D. P.,Charalambous A. Yiangos., Pipis P. Haris., (2015), Experimental Study of Two Phase Flow in a New Proposed Orthogonal Mixture Separator, International Review of Mechanical Engineering (I.R.E.M.E.), Vol. 9, No 6, November, pp Stacey T., B. J. Azzopardi, G. Conte (2000), The split of annular two-phase flow at a small diameter T-junction, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 26, pp Wren E. and Azzopardi B.J. (2004), The phase separation capabilities of two T-junctions plces in series, Chemical Engineering Research and Design, Vol 83(A3), pp Yang L., Azzopardi B. J. (2006), Phase separation of liquid-liquid two-phase flow at a T-junction, AIChE Journal, Vol. 52(1), pp Yang Limin, Zhenying Zhao, Pengcheng Qi,Lili Zhao, Barry J. Azzopardi (2010), Phase separation of gas-liquid two-phase flows in multi-tube T-junctions separators, The Second China Energy Forum. Zoga, D.A., Georgakis-Gavrilis, D.S., Margaris D.P. (2014), Experimental investigation of a twophase (air-water) flow in a pipe with street canyon cavities, International Review of Mechanical Engineering, Vol 8, n. 6, pp

12 CAVITY MIXTURE SEPARATOR EXPERIMENT AND CFD INVESTIGATION OF AIR WATER MIXTURE SEPARATION Panopoulos A. Nikolaos 1, Margaris P. Dionissios 2 1 PhD Student, 2 Associate Professor Fluid Mechanics Laboratory, Mechanical Engineering and Aeronautics Department, University of Patras, Greece panopoulos@mech.upatras.gr, margaris@upatras.gr ABSTRACT Experimental and numerical investigation of air water mixture flow has been executed in this study. The interesting flow phenomena and the air separation efficiency were monitored in horizontal and vertical transport pipe with a new kind of mixture separator. The separator is one orthogonal cavity (25mm x 55mm) with a circular outlet (Φ10) at the top surface. The laboratory facility was designed to supply a wide range of water and air volume flow rates inside the Plexiglas pipe test section. The cavity separators were tested each one alone, in combination of two, three and five at the same time. The best experimental sets were investigated with Fluent 16 results were in very good convergence with the experimental ones. Additionally, a flow map was created for the horizontal mixture flow inside the pipe and the observed flow patterns were the stratified, the wavy and the slug. The best separation efficiency results were achieved when the air superficial velocity was low and the flow was stratified. The separators at 5 and 10D h positions exported the best results. At the same time the separator was tested in vertical air-water flow and the best results were observed when the air superficial velocity was low. Keywords: Multiphase Flow, Flow separation, Air separation efficiency, Flow map 12