Comprehensive and multi-scale validation of wet steam modeling approach for steam ejectors

Decreasing human-related pollution due to the concern for environmental safety has brought the research to find different ways to improve the efficiency of industrial processes. For example, exploiting low grade heat from industrial processes with ejector-based refrigeration systems, which consume almost no power during operation, can increase the efficiency of these processes. Ejector-based system performance is closely related to the complex fluid-dynamic structure inside ejectors, which is usually optimized through CFD simulations. The rapid expansion through steam ejector’s primary nozzle leads to the condensation of the working fluid, which may affect the system’s performance and has to be accounted. In this study, the built-in wet steam model of the CFD software Ansys Fluent is used to simulate the non-equilibrium condensation inside steam ejectors. At first, a study on the accuracy of the most used turbulence models in ejector design have been conducted, and k-ω SST turbulence model has been selected. Usually, the condensation inside steam ejectors is not considered due to its complexity, hence the ideal gas model is generally used, without considering the presence of liquid affecting the thermodynamic profiles inside the ejector and therefore the system performances. To assess the performance of wet steam model from a local and global point of view, the entrainment ratio and pressure distribution of both wet steam and ideal gas models have been respectively compared. A set of experimental benchmarks from literature have been used to validate the model with different ejector geometries and operating conditions. The wet steam model can outperform the ideal gas model and predict entrainment ratios closer to experimental result in on-design conditions with errors lower than 10%. However, the wet steam model was found to be very dependent on the geometry of the suction chamber and the nozzle exit position, achieving the best results when the nozzle was placed near the constant area mixing section or with suction chamber with not abrupt changes in its cross-sectional area. The effects of the superheating on the performance of ejectors have been analyzed, and an equal superheating of 10° C for the two inlets can prevent the formation of a liquid film on the walls of the ejector, that can cause the simulation to diverge. Moreover, the superheating of both inlets does not affect the entrainment ratio, even thou the mass flow rates at the two inlets decrease by 2% on average. The maximum level of condensation does not affect the entrainment ratio as long as most of the condensation process is allowed to occur, meaning that the amount of condensation can be tuned to improve simulation stability or lower simulation time.

La preoccupazione per la sicurezza ambientale e la diminuzione di inquinamento dovuto ad attività umane ha portato la ricerca a cercare nuovi modi di aumentare l’efficienza dei processi industriali. Un esempio è l’utilizzo di calore di basso grado da processi industriali attraverso sistemi di refrigerazione basati su eiettori, che consumano pochissima energia durante il funzionamento. Le prestazioni di questi sistemi sono strettamente collegate alla fluidodinamica interna all’eiettore, solitamente ottimizzata attraverso simulazioni CFD. La rapida espansione del flusso attraverso l’ugello primario può portare alla condensazione del fluido di lavoro, che può influenzare le prestazioni del sistema e deve essere presa in considerazione. In questo studio, il modello wet steam compreso nel software CFD Ansys Fluent è utilizzato per simulare la condensazione in condizioni di non equilibrio all’interno di eiettori a vapore. Da uno studio preliminare sull’accuratezza dei modelli di turbolenza più utilizzati nella simulazione di eiettori, è stato scelto il modello di turbolenza k-ω SST. La condensazione non è solitamente considerata a causa della sua complessità, viene usata l’ipotesi di gas ideale senza quindi considerare la presenza di liquido che può influenzare le prestazioni del sistema. Le prestazioni dei modelli di gas ideale e wet steam sono state valutate attraverso la comparazione di parametri globali e locali. Un gruppo di esperimenti presi dalla letteratura è stato utilizzato per validare il modello con diverse geometrie e condizioni operative. Il modello wet steam può performare meglio del gas ideale prevedendo rapporti di trascinamento, in condizioni di on-design, con errori inferiori al 10%. Però, questo modello è molto sensibile alla geometria della camera aspirazione e dal posizionamento dell’ugello, funzionando al meglio quando questo è posizionato in prossimità della zona a sezione costante o con camere di aspirazione senza rapidi cambi di sezione. Il surriscaldamento del fluido in entrambi gli ingressi di 10°C può prevenire la formazione di uno strato liquido sulle pareti dell’eiettore, che può causare la divergenza della simulazione. Inoltre, il rapporto di trascinamento rimane invariato, anche se le portate massiche sono diminuite in media del 2% per entrambi gli ingressi. Il massimo livello di condensazione concesso non influenza il rapporto di trascinamento ottenuto purché venga permessa la maggior parte della condensazione. Quindi il livello di condensazione può essere regolato per migliorare la stabilità o diminuire il tempo necessario alla simulazione.