Reducing energy costs for gas preheating through gas-dynamic stratification in the Leontiev tube

Abstract

The main objectives of this study are to reduce the energy consumption for gas preheating and improve the efficiency of compression systems using gas-dynamic temperature stratification in the Le-ontiev tube. In order to achieve these objectives, the following tasks were carried out: a numerical anal-ysis was performed using the finite volume method (RANS) and the k–ω SST turbulence model, and the Navier–Stokes equations were discretized on a multi-block mesh of 3 million cells, with local re-finement in the nozzle and separation wall zones. Particular attention was paid to the influence of the inlet nozzle geometry on the temperature distribution, flow velocity, and heat transfer through the sep-aration wall, as well as the stability of the flow under different pressure differentials. The most signifi-cant results include the superior performance of the bell-shaped nozzle design over the annular one: modelling showed a 60 K temperature difference between supersonic and subsonic flows (110.5% higher than the baseline), a 20–25 K increase in hot flow temperature at the outlet, stable flow without pressure surges, and effective gas heating prior to throttling using pipeline pressure drops, preventing condensation and reducing costs. The significance of these results lies in demonstrating the superiority of machine-free energy separation technologies, such as gas-dynamic stratification in the Leontiev tube with a bell-shaped nozzle, over traditional energy-intensive heating methods, leading to more rational resource utilization and reduced environmental impact under strict energy efficiency and ecological standards.

Obiectivele principale ale studiului sunt reducerea costurilor energetice pentru preîncălzirea gazului și îmbunătățirea eficienței sistemelor de comprimare prin stratificare termică gazodinamică în tubul Leontiev. Pentru atingerea acestor scopuri, au fost rezolvate următoarele sarcini: s-a efectuat o analiză numerică utilizând metoda volumelor finite (RANS) și modelul de turbulență k–ω SST, ecuațiile Navier–Stokes fiind discretizate pe o rețea multibloc de 3 milioane de celule, rafinată în zona duzei și a peretelui separator, cu accent pe influența geometriei duzei de intrare asupra distribuției temperaturii, vitezei și fluxului termic, precum și pe stabilitatea curgerii la diferențe de presiune variate. Cele mai importante rezultate evidențiază superioritatea designului cu duză în formă de clopot față de cel inelar: modelarea a arătat o diferență de temperatură de 60 K între fluxurile supersonice și subsonice (cu 110,5% mai mare decât modelul de bază), o creștere de 20–25 K a temperaturii fluxului fierbinte la ieșire, curgere stabilă fără salturi de presiune și încălzirea eficientă a gazului înainte de strangulare folosind diferențele de presiune din conducte, prevenind condensarea și reducând costurile. Importanța rezultatelor constă în demonstrarea avantajelor tehnologiilor de separare a energiei fără mașini, precum stratificarea gazodinamică cu duză în formă de clopot în tubul Leontiev, față de metodele tradiționale energointensive, favorizând utilizarea eficientă a resurselor și reducerea impactului ecologic al sistemelor de transport al gazelor conform standardelor stricte de eficiență energetică și ecologie.

Основные цели исследования — снижение энергозатрат на подогрев газа и повышение эффективности компримирующих систем с помощью газодинамической температурной стратификации в трубе Леонтьева. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: проведён численный анализ с использованием метода конечных объёмов (RANS) и модели турбулентности k–ω SST, выполнена дискретизация уравнений Навье–Стокса на многоблочной сетке из 3 миллионов ячеек с локальным утончением в зонах сопла и разделительной стенки. Особое внимание уделялось влиянию геометрии входного сопла на распределение температуры, скорости потока и теплового потока через разделяющую стенку, а также оценке устойчивости течения при различных перепадах давления. Наиболее важными результатами являются установление значительного преимущества конструкции трубы Леонтьева с колоколообразным соплом над вариантом с простым коническим соплом: численное моделирование показало, что разность температур между сверхзвуковым и дозвуковым потоками достигает в среднем 60 К, что превышает показатели базовой модели на 110,5%, демонстрируя высокую эффективность энергоразделения. Температура горячего потока в зоне выхода возрастает на 20–25 К относительно исходных параметров, при этом течение сохраняет стабильность без локальных скачков давления, что подтверждено анализом распределения давления и скорости. Кроме того, использование естественных перепадов давления в магистральных трубопроводах позволяет эффективно нагревать газ перед процессом дросселирования, предотвращая образование конденсата и снижая эксплуатационные расходы на поддержание работоспособности системы. Значимость полученных результатов состоит в демонстрации преимуществ безмашинных технологий энергоразделения, таких как газодинамическая стратификация в трубе Леонтьева с колоколообразным соплом, над традиционными энергоёмкими методами подогрева, что обеспечивает более рациональное использование ресурсов и снижение экологического следа газотранспортных систем в условиях строгих стандартов энергоэффективности и экологии.