含不凝氣體蒸汽直接接觸冷凝傳熱及其在汽水引射器中的應(yīng)用研究.pdf

1、蒸汽和水直接接觸冷凝時(shí)冷熱兩種流體直接混合換熱，因而在小溫差下即有較高傳熱速率，目前在電廠混合式加熱器、除氧器、蒸汽引射器以及核電廠非能動(dòng)安全系統(tǒng)中都有應(yīng)用。近年隨著進(jìn)一步提高能源利用效率的需求，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界逐漸開始研究使用蒸汽引射器來回收低參數(shù)余熱蒸汽。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)含不凝氣體蒸汽射流與水直接接觸冷凝的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并分析了蒸汽中含不凝結(jié)氣體對(duì)汽水引射器性能的影響。
　

2、　搭建了蒸汽噴射實(shí)驗(yàn)臺(tái)，不凝氣體為空氣，含量在10％以內(nèi)。研究了氣羽含氣率的分布受其中空氣含量的影響。使用高速攝像機(jī)連續(xù)拍攝冷凝氣羽，并提出了使用MATLAB處理圖像獲得含氣率分布狀況的方法，同時(shí)指出這種方法得到的含氣率與傳統(tǒng)含氣率的區(qū)別，為下文與使用數(shù)值計(jì)算獲得的含氣率作對(duì)比提供修正方法。研究發(fā)現(xiàn)氣羽可分為射流區(qū)和羽翼區(qū)，兩個(gè)區(qū)域?qū)嶋H都由若干小氣泡組成;當(dāng)水箱中水溫升高或者入射氣體中空氣含量升高時(shí)，含氣率在軸向和徑向的下降趨勢(shì)都變得平

3、緩，這是因?yàn)椴荒龤怏w會(huì)惡化冷凝傳熱從而使氣羽變大變長(zhǎng);流場(chǎng)中的含氣率分布具有自相似特性，本文給出了實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的自相似形狀因子和發(fā)散率。
　　基于純蒸汽直接接觸冷凝的一維模型，結(jié)合幾種合理假設(shè)提出了含不凝氣體蒸汽直接接觸冷凝的一維模型，進(jìn)而得出了氣羽長(zhǎng)度和平均冷凝傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式中含有需由實(shí)驗(yàn)確定的未知常數(shù)。在100-330kg/m2/s的出口質(zhì)流密度范圍內(nèi)和15％的空氣含量范圍以內(nèi)，測(cè)量了流場(chǎng)中的溫度分布。發(fā)現(xiàn)空氣的加入導(dǎo)

4、致流場(chǎng)中軸向和徑向的溫度升高，這是由于蒸汽含空氣時(shí)冷凝速率下降，氣羽變大變長(zhǎng)所致。冷凝氣羽不存在明顯的冷凝結(jié)束邊界，不能以此確定氣羽長(zhǎng)度，因此提出使用軸向溫度下降90％處作為冷凝結(jié)束的標(biāo)志進(jìn)而確定氣羽長(zhǎng)度，并與文獻(xiàn)中純蒸汽氣羽長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式做對(duì)比，驗(yàn)證了該種方法的合理性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了關(guān)聯(lián)式中的未知常數(shù)，得出的關(guān)聯(lián)式可以在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)預(yù)測(cè)氣羽長(zhǎng)度和平均冷凝傳熱系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的無量綱氣羽長(zhǎng)度l/d處于3-17之間，冷凝傳熱系數(shù)在0

5、.7-2MW/m2/K之間。
　　對(duì)含不凝氣體蒸汽直接接觸冷凝過程中的潛熱和顯熱傳遞進(jìn)行了數(shù)量級(jí)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸汽中空氣含量不高時(shí)，即使混合氣體過熱，相比潛熱傳遞，顯熱傳遞很小，為方便建立模型，氣側(cè)的顯熱傳遞可忽略不計(jì)。使用商業(yè)軟件ANSYS CFX，基于其中的歐拉-歐拉兩流體模型，建立了含不凝氣體蒸汽直接接觸冷凝的數(shù)值模型，將水和混合氣體分別視為連續(xù)相和離散相，并使用顆粒模型計(jì)算兩者之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞，使用組分傳遞方程計(jì)算

6、氣相成分變化，同時(shí)分析了使用熱相變模型計(jì)算冷凝速率的合理性，與純蒸汽的熱相變模型不同，本文提出使用氣相中蒸汽分壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度作為氣液界面溫度，用以計(jì)算冷凝速率。對(duì)于氣液兩相，數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別給出一組溫度分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模型可以合理地預(yù)測(cè)溫度分布。為了將實(shí)驗(yàn)含氣率和數(shù)值計(jì)算得到的含氣率進(jìn)行對(duì)比，提出了修正數(shù)值計(jì)算含氣率的方法，發(fā)現(xiàn)修正的含氣率結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，表明了數(shù)值模型可以用于預(yù)測(cè)含氣率分布。通過數(shù)值計(jì)算獲得了不同

7、不凝氣體含量下的壓力分布，發(fā)現(xiàn)由于噴嘴出口存在壓縮波和膨脹波，壓力出現(xiàn)兩次波動(dòng)，射流含不凝氣體時(shí)，軸線上的壓力波動(dòng)會(huì)明顯減小，且隨不凝氣體含量的升高冷凝壓縮波變?nèi)?。?jì)算獲得的軸向速度先增大后減小，而徑向速度一直減小，不凝氣體的加入使距離噴嘴較近處速度變小而距噴嘴較遠(yuǎn)處速度變大，表明不凝氣體使流場(chǎng)速度分布變得均勻。
　　制作了小型引射器，搭建了蒸汽引射水實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)的工作參數(shù)下研究了蒸汽中含不凝性氣體（空氣）對(duì)引射器性能的影響。

8、實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著蒸汽中空氣含量從零開始增加，被引射水流量先增加后減小，主要原因是空氣加入后使混合室內(nèi)氣羽增大，導(dǎo)致了二次流的剪切作用增強(qiáng)，但同時(shí)也使二次流流通面積減小，當(dāng)空氣含量較小時(shí)前者作用較強(qiáng)，二次水流量增大，當(dāng)空氣含量較大時(shí)，后者作用較強(qiáng)，二次水流量減小。不同一次流空氣含量下，蒸汽流量增大、噴嘴直徑減小和二次流水溫升高均起到增大二次流流量的作用;空氣含量較低時(shí)，小喉嘴距引射器產(chǎn)生較大引射流量，空氣含量較高時(shí)，大喉嘴距引射器產(chǎn)生較大引射

9、流量。由于二次水側(cè)使用固定高度和總阻力系數(shù)的方式，所以二次流入口壓力的變化趨勢(shì)與二次水流量的變化趨勢(shì)相反;由于二次流流速較小，理想吸入高度在不同條件下的變化趨勢(shì)與二次水流量相同。引射系數(shù)隨蒸汽流量的增大而減小，但受其他條件影響的規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。
　　使用前述含不凝氣體蒸汽與水直接接觸冷凝的模型，首先建立了與實(shí)驗(yàn)相同的引射器三維數(shù)值模型，在一二次流入口和引射器出口都使用與實(shí)驗(yàn)相同的流量條件，計(jì)算所得的二次流入口壓力隨空氣含量變

10、化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)一致，表明數(shù)值模型可以預(yù)測(cè)引射器性能。然后通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)不同空氣含量下二次流進(jìn)口水溫的升高會(huì)使進(jìn)口壓力變小，與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致;空氣含量的增加一方面使氣液剪切面積增大，另一方面使液相通流面積減小，因而存在最佳空氣含量;進(jìn)口水流量的升高導(dǎo)致進(jìn)口水壓力升高的同時(shí)也使最佳空氣含量降低;引射器喉部直徑增大使進(jìn)口水壓力升高，同時(shí)，最佳空氣含量升高;空氣含量增加，二次流進(jìn)口水溫升高或流量增加，引射器喉部直徑增大都使引射器內(nèi)壓力波動(dòng)減小;空