Modeling of multiphase flow and heat transfer in an ejector-condenser system

Abstract

Rozprawa przedstawia wyniki badań numerycznych skraplacza strumienicowego. będącego dwufazową strumienicą zasilaną cieczą i pracującą jako skraplacz bezpośredniego kontaktu w elektrowni gazowej o ujemnej emisji CO2. Celem pracy było opracowanie wiarygodnego modelu numerycznego, umożliwiającego analizę zjawisk cieplno-przepływowych oraz ocenę efektywności wykraplania pary wodnej z mieszaniny gazów spalinowych. Opracowano stacjonarny, osiowosymetryczny model CFD w oparciu o podejście Euler-Euler Mixture, uwzględniający trójskładnikowy przepływ dwufazowy. Przetestowano różne typy i wartości warunków brzegowych. Zbadano wpływ parametrów modelów, takich jak średnia średnica kropli oraz liczba Nusselta, na przewidywaną intensywność kondensacji. Działanie podstawowego modelu geometrycznego oceniono za pomocą skalibrowanego i zweryfikowanego modelu CFD, wykazującego dobrą zgodność z danymi eksperymentalnymi, z błędami do 15,6% dla stopnia rozprężania oraz do 3,7% dla pozostałych parametrów. Uzyskana sprawność wykraplania mieściła się w zakresie od 61,6% do 83,9% i została oceniona jako niewystarczająca. Wykorzystując przesłanki wynikające z przeprowadzonej analizy wpływu parametrów geometrycznych, zaproponowano konstrukcję zapewniającą pełne wykroplenie pary wodnej.

This work presents the results of a numerical investigation of a spray-ejector condenser, a liquid-driven, two-phase ejector operating as a direct contact condenser in a gas power plant with negative CO2 emission. The study aims to develop a reliable numerical model for investigating thermal-flow phenomena and performance analysis to ensure efficient steam condensation from exhaust gases. A steady-state, axisymmetric CFD model was developed using the Euler-Euler Mixture approach to account for the two-phase, three-component flow. Various types and values of boundary conditions were tested. The impact of key modeling parameters, such as the assumed average droplet diameter and Nusselt number values, was investigated to determine their effect on the predicted condensation intensity. The performance of the basic geometrical design was assessed using a calibrated and verified CFD model, which agreed well with experimental data, with deviations of up to 15.6% for the expansion ratio and less than 3.7% for other parameters. The obtained condensation efficiency ranged from 61.6% to 83.9%, which was considered insufficient. Taking into account the results of the geometrical parameter impact study, a final geometrical model was proposed, providing complete steam condensation.