Процесне перформансе суперсоничног гасног ејектора са конвергентно-дивегентном млазницом променљивог попречног пресека

Abstract

Суперсонични гасни ејектори су широко распрострањени у различитим деловима индустрије. Услед ограничених радних режима, примена суперсоничних гасних ејектора са константном геометријом не даје увек задовољавајуће резултате. Стога је у првом делу ове докторске дисертације представљена мотивација за истраживање перформанси и коришћење суперсоничног гасног ејектора са конвергентно- дивергентном млазницом променљивог попречног пресека, приказано на примеру примене ових уређаја у расхладном систему за десалинацију геотермалне воде. У другом делу дисертације приказан је развој модела за одређивање геометријских карактериситка конвергентно-дивергентне млазнице променљивог попречног пресека. Новоразвијена млазница се састоји од специјално профилисаног шиљка и цилиндра. Променом позиције шиљка мења се површина критичног пресека млазнице, а последично и масени проток гаса, док се однос између критичне и излазне површине попречног пресека одржава константним. Овај тип млазнице је искоришћен на примеру рада суперсоничног гасног ејектора. Валидација рада ејектора спроведена је нумерички, експериментално и упрошћеним аналитичким моделом. Добијени резултати нумеричког и упрошћеног аналитичког модела су поређени са експерименталним резултатима и исти показују задовољавајуће слагање. Просечна релативна грешка односа усисавања (ЕR) је у опсегу од 7% до 20%. Добијени резултати потврђују да су брзине погонског гаса на излазу из ејектора у сагласности са вредностим добијеним аналитичким путем. Иако се при струјању гасова у зони млазнице појављују коси ударни таласи, они немају значајнији ефекат на перформансе рада ејектора. Перформансе рада суперсоничних гасних ејектора представљене су посредством зависности ЕR за различите положаје шиљка и различите излазне притиске. Поред наведеног, сви недостаци који се тичу коришћења суперсоничног гасног ејектора са новоразвијеном млазницом променљивог попречног пресека су наглашене. У трећем делу дисертације поређене су перформансе предикције рада ејектора аналитичких модела. Криве рада и радни режими аналитичких модела су детаљно анализиране. На бази резултата добијених мерењима два суперсонична гасна ејектора са млазницом променљивог попречног пресека евалуиране су перформансе предикције коришћених аналитичких модела. Први ејектор као примарни гас користи природни гас, док други ејектор користи гас састављен комбинацијом алкана (R2 гас). За сваки од шест анализираних модела одређене су корелације ефикасности компонената. Сума апсолутних релативних грешака и корелациони однос су коришћени за процену перформанси анализираних модела. Резултати показују да је корелациони однос најбољих модела 0,76 и 0,64 за случај ејектора са природним и R2 гасом. У циљу побољшања резултата, комбиновани модел је формиран употребом алгоритма мешавине експерата. Поред тога, добијени резултати су приказани на графику чије координате представљају односе површина попречних пресека и притисака ејектора. Анализом је показано да је најбоље користити комбиновани модел у циљу предикције перформанси рада суперсоничног гасног ејектора са конвергентно- дивергентном млазницом променљивог попречног пресека.

Different applications of supersonic gas ejectors are found in various parts of the industry. Due to limited operating conditions, supersonic gas ejectors with fixed geometry cannot be successfully implemented in many applications. In the first part of this dissertation on the example of multi-objective optimization of a water desalination plant with ejector refrigeration system, motivation for using supersonic ejector with a variable area nozzle is presented. In the second part of the dissertation the development of a new design methodology for a variable area convergent-divergent nozzle, to maintain a constant nozzle area ratio for different values of mass flow rates is shown. The validation of the presented model was carried out on an example supersonic ejector using experimental, numerical and analytical data. Simplified analytical (one dimensional) and computational fluid dynamics models showed satisfactory prediction performance in comparison with the experiment. The average entrainment ratio error was between 7% and 20%, respectively. Results confirmed that the velocity of the primary fluid at the nozzle outlet is in accordance with the onedimensional analysis. Although disturbances (strong and weak shock waves) are visible, their effects are negligible. Also, supersonic ejector performances are presented through relations between entrainment ratio, outlet pressure and spindle position. Disadvantages of variable area nozzle utilization in ejector applications are emphasized. Due to the complicated flow geometry of supersonic gas ejector with a variable area nozzle, performance prediction is mainly focused on costly numerical simulations. In the third part of dissertation onedimensional models for performance prediction of variable area gas ejector with a specially designed nozzle were compared. Additionally, operational lines and corresponding modes were analyzed. Two different variable area ejectors were experimentally tested. The first ejector used natural gas as motive fluid, whereas in the second one motive gas was the composition of alkane (R2 gas). Six distinct correlations of ejector component efficiencies were evaluated. Sum of absolute relative errors and correlation ratio were used as the goodness of fit criteria. The results showed that the best model has correlation ratio of 0,76 and 0,64 in the case of natural and R2 gas as motive fluids, respectively. In order to improve the prediction performances of the entrainment ratio, the mixture of experts machine learning technique was used. Moreover, the results of obtained conditional probabilities of models are visualized in space spanned by area and pressure ratios. The presented analysis showed that one model is not generally better than others and can be improved by using an ensemble of models.