Оптимизация геометрии газораспределительного устройства
Равномерное распределение исходной смеси или теплоносителя по сечению является основным из факторов, влияющих на степень превращения исходных веществ, выход продукта, селективность, производительность реакторов и эффективность работы теплообменного оборудования. Равномерное распределение исходной смеси достигается с помощью распределительного устройства.
Распределительное устройство выполняет функцию распределения потока по всему сечению.
Чем лучше распределение потока, например, по поверхности каталитических сеток или трубной решетки, тем более полно используется поверхность катализатора. А также больше выход и качественнее конечный продукт. Теплоноситель более равномерно распределяется, что предотвращает обратный поток теплоносителя в трубках, расположенных на периферии пучка.
Для решения поставленной гидродинамической задачи был использован открытый программный пакет OpenFOAM.
Он является некоммерческим продуктом, находится в открытом доступе, в нем нет ограничений, присущих коммерческим программам.
В составе программного решателя OpenFOAM, основанном на методе конечных элементов, имеются различные модели турбулентности, в том числе и k-ε модель, которая длительное время являлась фактическим промышленным стандартом.
Расчетная сетка из гексаэдров строилась с помощью подпрограммы blockMesh.
Обработка результатов расчета производилась в программе ParaView.
В качестве варианта газораспределительного устройства предлагается рассмотреть коническое устройство и его модифицированный вариант с дополнительными конусами, которые, как предполагается, должны обеспечить дополнительное перераспределение газа для выравнивания профиля скорости.
Были поведены вычислительные эксперименты, в ходе которых оценивалось влияние технологических параметров и конструктивных параметров на характер распределения движущийся среды в газораспределительном устройстве.
Результатами вычислительного эксперимента являлись массивы значений проекций скорости на оси X, Y, Z и значений давлений во всех точках газораспределительного устройства.
Некоторые результаты расчета представлены на рисунке ниже. На нем приведены два распределительных устройства, отличающихся количеством конусов. Как видно из рисунка, в первом распределителе с одним конусом газовый поток проходит в виде центральной струи, что приводит к неравномерному распределению потока по сечению аппарата.
Установка дополнительных конусов коаксиально основному приводит к более равномерному распределению газового потока, что видно из рисунка на втором распределителе.
В результате проведенных вычислительных экспериментов была получена функция отклонения максимальной от средней скорости в зависимости от размеров конусов, одно ее сечение представлено на рисунке ниже.
Зависимость отношения максимальной к средней скорости была использована для определения оптимальных размеров дополнительных конусов газораспределительного устройства. Сопоставление профилей скорости с одним и с дополнительными конусам представлены на рисунке выше.