船用蒸汽蓄熱器快速充汽過程的數(shù)值模擬研究

船用蒸汽蓄熱器快速充汽過程的數(shù)值模擬研究

利用蒸汽蓄熱裝置是利用特定壓力和熱量在極短時間內(nèi)產(chǎn)生大量蒸汽的能源裝置。雖然它的儲存方法類似于一般的工業(yè)濕式蒸汽蓄熱器，但它的充熱蒸汽特點(diǎn)是高壓熱蒸汽、短充熱時間和高積累熱水。這與許多文獻(xiàn)的研究對象有很大不同。目前還沒有關(guān)于研究成果的報告。為了滿足短時間耗汽量極大用汽設(shè)備的用汽需求,在充汽過程中,以水部蓄熱為主的蒸汽蓄熱器就必須具備從充熱蒸汽中充分、快速地吸收大量熱量的能力,這直接取決于充熱蒸汽與水部之間混合程度的好壞,即蒸汽蓄熱器的吸熱特性。如果船用蒸汽蓄熱器的吸熱特性很好,則進(jìn)入水部的充熱蒸汽中,僅有小部分未凝結(jié)蒸汽流到汽空間以提升內(nèi)部壓力,而絕大部分蒸汽會在上升和擴(kuò)散過程中,被冷凝為水而釋放熱能,同時也加熱了水部。充汽過程結(jié)束后,蒸汽蓄熱器的上部汽空間溫度與下部水空間平均溫度相差很小,吸熱效果好。反之,若吸熱混合進(jìn)行得不充分,則大量未凝結(jié)蒸汽將會流入到汽部空間,使得內(nèi)部壓力迅速上升到規(guī)定壓力值,充汽過程很快結(jié)束,但是水部由于溫度分布的不均勻,處于過冷狀態(tài),所吸收的熱量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用汽設(shè)備的用汽要求。因此,以測量吸熱特性為目的,對船用蒸汽蓄熱器的充汽過程展開熱力學(xué)研究,探討有效提高吸熱能力的途徑,具有重要的意義。本文應(yīng)用變質(zhì)量熱力學(xué)理論,選取平均過冷度和吸熱系數(shù)作為評價吸熱特性的性能參數(shù),對船用蒸汽蓄熱器的快速充汽過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和實驗研究,以期針對吸熱特性提出一種有效可行的測量方法。1蒸汽壓力和溫度分布船用蒸汽蓄熱器充汽系統(tǒng)主要包括蒸汽蓄熱器、充汽調(diào)節(jié)閥、鍋爐汽源以及連接它們所布置的過熱蒸汽管路,如圖1所示。其中,τ為時間變量(s),P1、T1和h1、ρ1分別為截面1-1處供熱汽源出口的過熱蒸汽壓力、溫度和比焓、密度;Q為瞬時充汽流量;截面3-3處的P和T分別為蒸汽蓄熱器內(nèi)濕蒸汽壓力和溫度,h、ρ和V、a分別為蒸汽蓄熱器內(nèi)工質(zhì)的比焓、密度和體積、充水系數(shù);TW和TiW分別為金屬壁和內(nèi)壁溫度;上標(biāo)′和″分別代表濕蒸汽的水部和汽部參數(shù);下標(biāo)0和sub分別代表初始時刻參數(shù)和過冷狀態(tài)下水部參數(shù)。1.1普遍過冷度的計算由吸熱混合所引起的水溫不均勻性可以用平均過冷度ΔTsub來評價,它定義為汽部壓力所對應(yīng)的飽和溫度T與水部平均溫度Tsub的差值,如公式(1)所示:1.2個吸熱系數(shù)i的計算充汽過程結(jié)束時(t=tover),蒸汽蓄熱器的最終吸熱特性可以用吸熱系數(shù)φi來評價,φi定義為從鍋爐流入的實際蓄熱能量ΔEact與混合完全的理想條件下達(dá)到同樣壓力水平時蒸汽蓄熱器的蓄熱量ΔEideal之比,如公式(2)所示:2變質(zhì)量力學(xué)根據(jù)變質(zhì)量熱力系統(tǒng)的基本工作原理,在允許的范圍內(nèi)按以下假設(shè)條件建立數(shù)學(xué)模型:系統(tǒng)中各組成單元依次水平串聯(lián),忽略工質(zhì)勢能和動能以及在充汽過程中的泄漏;蒸汽蓄熱器為剛性容器,內(nèi)部參數(shù)采用集總參數(shù)法處理,其中汽部的特性參數(shù)由內(nèi)部壓力P來確定,而處于過冷狀態(tài)的水部特性參數(shù)則由平均溫度來表示;蒸汽蓄熱器金屬壁外敷以較厚的熱絕緣層,可忽略外壁與環(huán)境換熱。由于水部空間所占比例高達(dá)80%,內(nèi)部工質(zhì)與金屬壁之間的換熱主要為水部與金屬壁的自然對流換熱,該部分換熱量很小,可以忽略。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用變質(zhì)量熱力學(xué)進(jìn)行建模。取蒸汽蓄熱器空間作為一個控制容積來進(jìn)行熱力學(xué)分析,該控制容積內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)變化規(guī)律同時滿足如下所示的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和體積守恒方程:根據(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)可知,過熱蒸汽狀態(tài)參數(shù)由溫度和壓力共同確定,而蒸汽蓄熱器內(nèi)濕蒸汽的汽部和水部狀態(tài)函數(shù)都僅是壓力或溫度的單值函數(shù),可通過水蒸氣熱力計算函數(shù)計算給出,即:由式(1)~(8)整理可得:從式(9)可以看出:平均過冷度ΔTsub、蒸汽蓄熱器內(nèi)蒸汽壓力P、充汽流量Q以及鍋爐過熱蒸汽出口壓力P1和溫度T1等參數(shù)之間存在著對應(yīng)的關(guān)系。特別的,在充熱蒸汽與水部之間混合完全的理想條件下,平均過冷度為0,則式(9)可進(jìn)一步推導(dǎo)為:由式(11)可得:在理想條件下,當(dāng)P1和T1確定后,蒸汽蓄熱器內(nèi)蒸汽壓力P與充入蒸汽蓄熱器的蒸汽流量Q存在著一一對應(yīng)的關(guān)系,因此ΔEideal可由P得到,進(jìn)而得到吸熱系數(shù)φi。3實驗系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型,通過實驗測得P、Q以及P1和T1后,將其實驗數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)模型中,就可以計算出平均過冷度ΔTsub和吸熱系數(shù)φi,從而形成一種吸熱特性測量方法。為達(dá)到這一目的,建立了實驗系統(tǒng),其基本構(gòu)成圖如圖2所示。實驗系統(tǒng)包括全尺寸的船用蒸汽蓄熱器、蒸汽汽源鍋爐裝置、充汽調(diào)節(jié)閥、用汽調(diào)節(jié)閥、主停汽閥、減溫減壓裝置以及其它附屬裝置。充熱工質(zhì)采用工業(yè)實用的水和蒸汽。實驗開始,由供熱汽源流向蒸汽蓄熱器水部內(nèi)的過熱蒸汽通過充汽調(diào)節(jié)閥的控制,與濕蒸汽水部混合,并在蒸汽蓄熱器內(nèi)外重度差及蒸汽射流動量的雙重作用下,形成水循環(huán),從而加熱內(nèi)部壓力和溫度到規(guī)定值。與此同時,為了消除充汽流量的劇烈波動對汽源壓力的影響,通過減壓減溫裝置的跟隨調(diào)節(jié),將多余的高溫高壓蒸汽進(jìn)行安全排放。充汽過程完成后,打開用汽閥,將蒸汽蓄熱器蓄積的能量釋放給用汽設(shè)備,結(jié)束后關(guān)閉用汽閥,同時開始準(zhǔn)備下一次充汽。為了對動態(tài)過程進(jìn)行分析,實驗系統(tǒng)還安裝有基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并且在一些重要部位的入口和出口處都設(shè)置有溫度和壓力傳感器。其中就包括用來確定蒸汽蓄熱器吸熱狀態(tài)的蒸汽壓力P、充汽流量Q以及鍋爐充熱蒸汽的壓力P1和溫度T1等參數(shù)。考慮到充汽過程中,蒸汽流量處于不斷變化狀態(tài),故選用均速管式流量計來測量流量,并通過誤差校正,使得精度達(dá)到2%。作為實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,蒸汽蓄熱器主要以熱水的方式蓄能和供汽,它主要由容積為32m3水平圓柱體和足夠厚度的不銹鋼封蓋構(gòu)成。蒸汽蓄熱器的長徑比為3.8。在蒸汽蓄熱器內(nèi)部的蒸汽加熱配管上,還設(shè)計安裝了若干組蒸汽入射噴頭及循環(huán)對流套管,使得過熱蒸汽由此進(jìn)入到水部。顯然,這種混合擾動方式對溫度均勻分布起著至關(guān)重要的作用?；谒⒌膶嶒炏到y(tǒng),分別針對不同的充汽時間和充汽流量進(jìn)行了三組實驗,得到了相應(yīng)參數(shù)的實驗數(shù)據(jù),分別用實驗1、實驗2和實驗3來表示。表1給出了三組實驗下充汽時間和最大充汽流量的無量綱數(shù)據(jù)。從表1可以看出,實驗1和實驗2的充汽時間相差不大,但是后者充汽流量要大于前者;實驗3的最大流量與實驗2相同,但是后者的充汽時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。4結(jié)果分析4.1儲汽壓力和汽壓通過三組不同的實驗,分別得出了鍋爐出口過熱蒸汽壓力P1、蒸汽流量Q和蒸汽蓄熱器壓力P的性能參數(shù),而過熱蒸汽溫度T1變化很小,可視為恒定。圖3(a)分別給出了三組不同實驗下,無量綱充汽流量Q*隨無量綱充汽時間t*的變化關(guān)系曲線。可以看出,開始充汽時,實驗1和實驗2的充汽流量增速要遠(yuǎn)大于實驗3;當(dāng)t*=0.15時,實驗1和實驗2的充汽流量隨著充汽閥的關(guān)小已經(jīng)開始下降,而實驗3的充汽流量仍在增加;到t*=0.5時,實驗3的充汽流量也隨著充汽閥的關(guān)小開始下降,而第1、2組實驗的充汽過程已經(jīng)結(jié)束。除此之外,實驗2和實驗3的最大充汽流量幾乎相等,其無量綱值都為1;實驗1的最大充汽流量要小于后兩組,其無量綱值為0.813。圖3(b)給出了三組不同實驗下,無量綱過熱蒸汽壓力P1*隨無量綱充汽時間t*的變化關(guān)系曲線。可以看出,充汽時間較短的兩組曲線(實驗1和實驗2),其過熱蒸汽壓力在開閥的過程中變化幅度較大,其無量綱值變化范圍分別為0.931~1和0.934~0.995;而對于充汽時間較長的實驗3,其過熱蒸汽壓力則相對比較穩(wěn)定,其無量綱值變化范圍為0.955~0.975。這也對應(yīng)于圖3中對充汽流量增速的分析結(jié)果,即實驗1和實驗2的流量增速相對較大,其用于排放多余蒸汽量的減壓減溫裝置控制不能及時跟隨關(guān)小排量,引起鍋爐用汽負(fù)荷增加,鍋爐汽壓隨之下降;對于充汽時間較長的實驗3,充汽流量增速相對較慢,因此對減壓減溫裝置控制的擾動較小,鍋爐汽壓也相對較穩(wěn)定。圖4給出三組實驗下儲汽筒內(nèi)蒸汽壓力P*無量綱量隨無量綱充汽時間t*的變化關(guān)系曲線?？梢钥闯?筒內(nèi)壓力變化趨勢與充汽流量隨時間的累積量變化基本一致,實驗3由于累積流量最大,因此整個充汽過程中,筒內(nèi)壓力增幅也最大(從0.812增加到0.993),實驗2次之(從0.823增加到0.969),而實驗1最小(f從0.868增加到0.982)。從而證實累積充汽量與筒內(nèi)壓力之間存在一定的關(guān)系。4.2充汽流量對吸熱特性的影響將已測得的相關(guān)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)代入數(shù)學(xué)模型中,便可計算出平均過冷度ΔTsub和吸熱系數(shù)φi。圖5給出了三組實驗下平均過冷度ΔTsub隨無量綱充汽時間t*的變化關(guān)系曲線。從圖中平均過冷度的變化規(guī)律可以看出,蒸汽蓄熱器在充汽過程中,水部存在著明顯的溫度分布不均勻,其程度可用平均過冷度來衡量;在三組實驗的充汽前期,隨著充汽流量的增加,進(jìn)入汽部空間的未冷凝蒸汽迅速增加,汽部壓力也隨之增大,最終造成平均過冷度的增加。而在充汽后期,隨著充汽流量的不斷減小,平均過冷度也開始減小,但存在著一定的時滯,這也反映出水部在吸熱過程中存在著一定的吸熱慣性。通過對比圖3(a)和圖5也可以發(fā)現(xiàn),時滯值隨著充汽流量增速的提高而增加,其無量綱值在實驗1、2、3中分別為0.16、0.22和0,這說明實驗2的吸熱慣性最大,實驗1次之,而實驗3最小。另外,對于充汽時間相差不大的實驗1和實驗2,前者的平均過冷度要明顯大于后者,這是由于前者的充汽流量要大于后者的緣故。相比而言,三組實驗中平均過冷度在充汽過程的中期都達(dá)到最大值,分別為2.6、3.6和2.8,而在充汽結(jié)束時,平均過冷度分別降為2.1、2.9和0。值得注意的是,通過對比三組實驗數(shù)據(jù)的時滯值與充汽結(jié)束時的平均過冷度發(fā)現(xiàn),兩者之間為線性關(guān)系?？紤]到實驗次數(shù)的有限,這種關(guān)系僅代表著一種可能性,涵待在后續(xù)實驗中進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。表2給出了三組實驗下吸熱系數(shù)φi的計算值。從表2中可知:實驗3的吸熱系數(shù)最高,這也與前面平均過冷度的分析結(jié)果相一致,在充汽時間延長的情況下,蒸汽蓄熱器的吸熱特性更好,但也應(yīng)該注意到,過分的延長充汽時間,會使得用汽設(shè)備的使用頻率大大降低,從而影響到用汽設(shè)備的正常使用,因此需要權(quán)衡考慮。同時,對比分析充汽時間相差不大的實驗1和實驗2可以看出,前者的吸熱系數(shù)要高于后者,這也是由于前者的充汽流量要小于后者的原因。通過對比充汽時平均過冷度的變化規(guī)律可知,充汽效率與充汽結(jié)束時的平均過冷度有關(guān),因而可直接用于評價充汽結(jié)束后的船用蒸汽蓄熱器吸熱特性。5蒸汽蓄熱器熱特性的測量方法針對不同充汽時間和充汽流量,對船用蒸汽蓄熱器快速充汽過程的吸熱特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和實驗研究。通