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用研究.pdf

1、蒸汽和水直接接觸冷凝時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安全系統(tǒng)中都有應用。近年隨著進一步提高能源利用效率的需求，工業(yè)界和學術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)值模擬和模型試驗相結(jié)合的研究方法，對含不凝氣體蒸汽射流與水直接接觸冷凝的流動和傳熱特性進行了系統(tǒng)研究，并分析了蒸汽中含不凝結(jié)氣體對汽水引射器性能的影響。
　

2、　搭建了蒸汽噴射實驗臺，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)值計算獲得的含氣率作對比提供修正方法。研究發(fā)現(xiàn)氣羽可分為射流區(qū)和羽翼區(qū)，兩個區(qū)域?qū)嶋H都由若干小氣泡組成;當水箱中水溫升高或者入射氣體中空氣含量升高時，含氣率在軸向和徑向的下降趨勢都變得平

3、緩，這是因為不凝氣體會惡化冷凝傳熱從而使氣羽變大變長;流場中的含氣率分布具有自相似特性，本文給出了實驗范圍內(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)合幾種合理假設提出了含不凝氣體蒸汽直接接觸冷凝的一維模型，進而得出了氣羽長度和平均冷凝傳熱系數(shù)的關聯(lián)式，關聯(lián)式中含有需由實驗確定的未知常數(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)，測量了流場中的溫度分布。發(fā)現(xiàn)空氣的加入導

4、致流場中軸向和徑向的溫度升高，這是由于蒸汽含空氣時冷凝速率下降，氣羽變大變長所致。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度，因此提出使用軸向溫度下降90％處作為冷凝結(jié)束的標志進而確定氣羽長度，并與文獻中純蒸汽氣羽長度的實驗關聯(lián)式做對比，驗證了該種方法的合理性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定了關聯(lián)式中的未知常數(shù)，得出的關聯(lián)式可以在本實驗范圍內(nèi)預測氣羽長度和平均冷凝傳熱系數(shù)，本實驗測得的無量綱氣羽長度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行了數(shù)量級分析，發(fā)現(xiàn)當蒸汽中空氣含量不高時，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。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，并使用顆粒模型計算兩者之間的質(zhì)量、動量和能量傳遞，使用組分傳遞方程計算

6、氣相成分變化，同時分析了使用熱相變模型計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應的飽和溫度作為氣液界面溫度，用以計算冷凝速率。對于氣液兩相，數(shù)值計算結(jié)果分別給出一組溫度分布，與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模型可以合理地預測溫度分布。為了將實驗含氣率和數(shù)值計算得到的含氣率進行對比，提出了修正數(shù)值計算含氣率的方法，發(fā)現(xiàn)修正的含氣率結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好，表明了數(shù)值模型可以用于預測含氣率分布。通過數(shù)值計算獲得了不同

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，射流含不凝氣體時，軸線上的壓力波動會明顯減小，且隨不凝氣體含量的升高冷凝壓縮波變?nèi)酢Ｓ嬎惬@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處速度變大，表明不凝氣體使流場速度分布變得均勻。
　　制作了小型引射器，搭建了蒸汽引射水實驗平臺，在實驗的工作參數(shù)下研究了蒸汽中含不凝性氣體（空氣）對引射器性能的影響。

8、實驗發(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，導致了二次流的剪切作用增強，但同時也使二次流流通面積減小，當空氣含量較小時前者作用較強，二次水流量增大，當空氣含量較大時，后者作用較強，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，小喉嘴距引射器產(chǎn)生較大引射流量，空氣含量較高時，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與二次水流量的變化趨勢相反;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，首先建立了與實驗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驗相同的流量條件，計算所得的二次流入口壓力隨空氣含量變

10、化規(guī)律與實驗一致，表明數(shù)值模型可以預測引射器性能。然后通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)不同空氣含量下二次流進口水溫的升高會使進口壓力變小，與實驗規(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;進口水流量的升高導致進口水壓力升高的同時也使最佳空氣含量降低;引射器喉部直徑增大使進口水壓力升高，同時，最佳空氣含量升高;空氣含量增加，二次流進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)壓力波動減小;空