Suolasulan pumppaus kaasu-nestesuihkupumpulla

Abstract

Työssä kehitettiin kaasu-nestesuihkupumppua suolasulan pumppaukseen, jossa kaasuna on paineilma. Aiemmat tutkimukset kirjallisuudessa ovat keskittyneet kaasu-nestesuihkupumpun tutkimiseen numeerisesti tai semi-empiirisesti. Tässä työssä esitetään kaasu-nestesuihkupumpun toiminnan ymmärtämiseksi analyyttiset 1-dimensioiset liikemääräyhtälöt. Työn yleinen malli jättää sekoittumista kuvaavan parametrin kokeista määritettäväksi. Esitettyjä yleisiä liikemääräyhtälöitä validoitiin suihkupumpulla tehdyissä vesikokeissa. Tehdyt vesikokeet olivat adiabaattisia, koska stagnaatiolämpötiloissa ei ollut eroa paineilman ja veden välillä. Näissä kokeissa paineilma saavutti äänennopeuden paineilmaputken lopussa, jossa stagnaatiopaineet olivat 2,39 - 4,1 bar. Tehtyjen mittausten perusteella voitiin olettaa sekoitusosassa sekoittumattomat virtaukset. Lisäksi mittausten perusteella kehitettiin sovitteet ilmasuihkun nopeusprofiilin kehittymisestä ja kitkapainehäviöiden laskennasta sekoitusosassa. Kun kaikkia edellä kerrottuja oletuksia käytettiin, mittaukset vastasivat mallin antamia tuloksia melko hyvin nostokorkeuksilla alle 0,5 m. Nostokorkeuksien kasvaessa mittaukset antoivat suurempia tuloksia kuin malli. Malli on hyödyllinen sulasuihkupumpun optimoinnissa, kunhan faasien välinen lämmönsiirto sekoitusosassa huomioidaan.

Suihkupumpun toiminnan parantamiseksi paineilmaa voidaan lämmittää virtaavalla suolasulalla. Paineilmaputkeen tulevan lämmönsiirron osalta esitetään yleisimmät yhtälöt stationääritilassa. Lämmönsiirtoyhtälöitä yksinkertaistettiin sovelluksen kannalta käyttökelpoisiksi, jotta niitä voitiin käyttää suunnittelussa insinöörintarkkuudella. Lisäksi esitetään kirjallisuudesta löytyvät kaasudynamiikkaan liittyvät yhtälöt. Sulasuihkupumpun paineilmavirtauksen selvittämiseksi esitettiin laskenta-algoritmi. Tämä jäi työssä validoimatta, mutta mahdolliset keinot tämän tekemiseksi kerrottiin.

Jatkossa esitettyjen liikemääräyhtälöiden sopivuutta tulisi kokeilla nesteille, joiden aineominaisuudet ovat mahdollisimman lähellä suolasulaa. Lisäksi tulisi tehdä uusia lämmönsiirrollisia kokeita, joissa paineilman ja nesteen välisen lämmönsiirron vaikutus sekoitusosassa tulee huomioitua. Paineilmaputkeen tulevan lämmönsiirron laskenta tulisi laajentaa aikariippuvaksi faasinmuutoslämmön ja jähmettyneen kerroksen kylmeneminen huomioiden. Lisäksi tulisi kehittää pakotetun ja luonnollisen konvektion kytkettyä lämmön-siirron laskentaa pienillä suolasulan tilavuusvirroilla.