Mathematical modeling of the heating process in a vortex tube at the gas distribution stations

Abstract

In all sectors of the national economy of Ukraine, issues of energy efficiency and saving of fuel and energy resources are important. Legislative changes in the branches and scientific developments of scientists allow reducing the energy dependence of Ukraine on imported fuels. One of the energy-saving measures for the transportation of natural gas is the use of a vortex tube for heating natural gas at gas distribution stations. Natural gas is heated before the process of reducing it in the gas pressure regulator to prevent the formation ofcrystalline hydrates within the gas pressure regulator. The complexity of the implementation of such a measure is the explosion of the fire hazard of natural gas, which makes it impossible to conduct a sufficient number of experimental studies to determine the required characteristics of the vortex tube for operation at the gas distribution station. Therefore, for the wide introduction of a vortex tube at gas distribution stations, a generalized mathematical model should be developed that would allow describing the process of heating the vortex tube of a working gas with different thermophysical parameters. In this paper, the thermodynamic and physical bases of the process of heating the compressed gases in the vortex tube are considered and the main parameters that influence the operation of the vortex tube are determined. The mathematical model of the process of heating the natural gas in a vortex tube is scientifically substantiated and improved. To improve the mathematical model of the natural gas heating process in the vortex tube, loss of dynamic pressure was determined on each characteristic section of the vortex tube and the degree of heating therein. Moreover, the mathematical model proposed by the authors allows us to determine the thermal power of the vortex tube and the amount of heat needed to heat the working gas in the vortex tube. У всiх галузях народного господарства України важливе мiсце займають питання енергоефективностi та економiї паливно-енергетичних ресурсiв. Законодавчi змiни у галузях та науковi розробки вчених дозволяють зменшити енергетичну залежнiсть України вiд iмпортного палива. Одним iз енергоощадних заходiв пiд час транспортування природного газу є використання вихрової труби для нагрiвання природного газу на газорозподiльних станцiях. Природний газ нагрiвають перед процесом його редукування у регуляторi тиску газу щоб запобiгти утворенню кристалогiдратiв всерединi регулятора тиску газу. Складнiсть впровадження такого заходу полягає у вибухо- та пожежонебезпечностi природного газу, що унеможливлює проведення достатньої кiлькостi експериментальних дослiджень для визначення необхiдних характеристик вихрової труби для роботи на газорозподiльнiй станцiї. Тому для широкого впровадження вихрової труби на газорозподiльних станцiях необхiдно розробити узагальнену математичну модель, яка би дала змогу описати процес нагрiвання у вихро- вiй трубi робочого тiла з рiзними теплофiзичними параметрами. У статтi розглянуто термодинамiчнi та фiзичнi основи процесу нагрiвання стиснених газiв у вихровiй трубi та визначено основнi показники, якi впливають на роботу вихрової труби. Науково обґрунтовано та удосконалено математичну модель процесу нагрiвання природного газу у вихровiй трубi. Для удосконалення математичної моделi нагрiвання природного газу у вихровiй трубi визначено втрати динамiчного тиску на кожнiй характернiй дiлянцi вихрової труби та ступiнь нагрiвання в нiй. Разом з тим запропонована мате- матична модель дає змогу визначити теплову потужнiсть вихрової труби та кiлькiсть теплоти, необхiдної для нагрiвання робочого тiла у вихровiй трубi.