HAT循环中加填料饱和器的实验研究

1、HAT循环中加填料饱和器的实验研究第27卷第1期2007年2月动力工程JournalofPowerEngineeringV01.27No.1Feb.2【x)7文章编号:1000.6761(2007)0109005HAT循环中加填料饱和器的实验研究邱超,宋华芬,王龙文(上海交通大学叶轮机械研究所,上海200030)摘要:建立了饱和器实验台,对空心饱和器和加填料饱和器进行了对比性实验.分析了喷雾颗粒直径对饱和器性能的影响,比较了空心饱和器和加填料饱和器的热力性能,同时对饱和器内压力损失进行了实验研究.图17参4关键词:动力机械工程;加填料饱和器;实验研究;性能中图分类号:TK263.6文献标识码:

2、AExperimentStudyofPackedSaturatorinHATCyclesQlUC,hao,SONGHua-fen,WANGLong-wen(InstituteofTurbomachinery,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Comparativeexperimentsofsprayandpackedsaturatorswereperformedwithasaturatortestrig.TheinfluenceofatomizeddropsizesonthesaturatorSperformanc

3、ehasbeenanalyzedandtheeffectonthethermalperformanceofsprayandpackedsaturatorscomparedwithoneanother.Simultaneously,experimentalstudiesconcerningpressurelossesinsaturatorswerebeenconducted.Figs17andrefs4.Keywords:powerandmechanicalengineering;packedsaturator;experimentstudy;performance饱和器是HAT循环中的关键部件

4、,其性能优劣直接影响到循环的性能,而目前对饱和器的研究大多限于理论阶段,因此对饱和器性能进行实验研究十分必要.1加填料饱和器的介绍饱和器根据传热,传质方式不同可分为空心饱和器和加填料的饱和器.图1是加填料饱和器示意图,它与空心饱和器的主要区别在于饱和器内部增加了一段填料.填料增加了水,气之间的接触面,使得水,气之间的传热,传质比较充分;同时在饱和器的顶部增加了一个水滴去除器,以防止较大的水滴颗粒随着压缩空气进入燃烧室.加填料饱和器中的填料可分为散堆填料和规整填料.其形式如图2和图3所示.散堆填料因其阻除嚣冷水图l加填料饱和器glPackedsaturator力大,热效率低,逐渐被规整填料所代替

5、.考虑到饱和器的主要目的是降低水温,提高空气的温度和含湿量,同时也要保持饱和器内较低的压损.本文的实验研究就是采用规整填料来研究饱和器的热力性能.收稿日期:2006.04-25;修订日期:2006.06.27作者简介:邱超(1981),男.湖北随州人,在读博士生.研究方向为:HAT循环及变几何涡轮.第1期邱超,等:HAT循环中加填料饱和器的实验研究图2散堆填料图3规整填料Fig2RandomlydumpedpackingFig3Structuredpackingpacking2加填料饱和器实验台介绍图4是饱和器实验的系统图.空气从锥形集流器进入压缩机,经过加压通过空气输送管道由饱和器底部进入.

6、在空气输送管道上,安装有温度,压力和湿度测量装置.进口空气的流量测量是通过压差测量的.星筒及磅秤ci】+Tf0l+Tl0温度计压力表单向阀三通温度计调节阀I璺l4饱和器实验台流程Fig4SaturatortestrigSprocessflow水在水箱内被加热,由高压水泵送入管路,经流量调节阀进入饱和器.其温度可由温度控制系统控制.水,气分离器之后,安装了热电偶温度计和湿度计用来测量空气的温度和相对湿度.3实验数据分析3.1喷雾颗粒直径对饱和器性能的影响雾化片是饱和器的关键部件.在气,液两相热,质传递过程中,喷雾颗粒的直径大小直接影响到其传热,传质系数,从而对加湿过程中的热,质传递产生较大影响.

7、雾化颗粒的直径太大,会导致同体积下饱和器内的水,气接触面积减小,使传热效果变差;雾化颗粒直径太小,则大量小液滴会随气流进入回热器和燃烧室吸收高品质的热,从而会降低系统的效率.本实验利用不同孔径的雾化片,来研究不同喷雾颗粒粒径对饱和器出口空气温度和含湿量的影响.实验选用的雾化片小孔直径分别为0.3mnl和0.7mm,它们的喷雾颗粒直径绝大多数都在lO一100tam范围内儿.实验进口条件:t=80oC,t=26oC,F=0.9.图5和图6是不同水,气比(ww)下的空心饱和器的实验数据,其中雾化片小孔直径为D.芝jww图5与ww,Dd的关系(空心饱和器)Fig5mtvs.wwandDd(sprays

8、atumtor)墓07mml/.-o_.一:.WWI璺l6Xt与WW,Dd的关系(空心饱和器)Fig6XtVS.WWDd(spraysaturator)从图5和图6中可以看出:对于空心饱和器,在相同的ww条件下,D增加,t,X.都减小.在实验时可以发现:大直径雾化片喷出的颗粒明显较大,在饱和器下部已经有部分颗粒相互融合成雨滴状下落,这必然导致水气之问的接触时间较短.而且,对大颗粒喷雾而言,相同体积下饱和器内的颗粒表面积变小,从而减小了水,气接触面积.因此,D较大必然会导致空心饱和器出口的空气参数t,X.,.的减小.图7和图8是不同ww下的加填料饱和器的实验数据.从图中可以看出,在相同的ww下,

9、对于两种不同的D,t和.的变化不大.这是因为加填料饱和器中热水附在填料表面,水,气之间的传热,传质是通过水膜传递的.在实验条件下,由于喷雾颗粒的大小对水膜的厚度没有影响,水,气之间的传热,传质面积,接触时间基本也没有变化.所以喷雾颗粒大小对加填料饱和器空气出口参数的影响没有空心饱和器那么大.为此在后面的实验中均选用了小孔直径为0.3mm的雾化片来进行研究.3.2加填料饱和器性能实验(1)加填料饱和器性能的实验研究图9和图1O为加填料饱和器的实验结果.它动力工程第27卷WW图7t.与ww,Dd的关系(加填料饱和器)Fig7ttv8.wwandDd(packedsaturator)WW图8X与ww

10、,Dd的关系(加填料饱和器)Fig8XtV8.WWandDd(packedaturator)们的实验条件为:进I=I空气温度t=26C,进I=I空气相对湿度F山=0.9,进I=I水温ti在5080C之间变化.343l282726WW图9f与t,ww的关系Fig9tIv8.tandWW图10.与t,ww的关系Fig10.V8tandWW从图9和图l0中可以看出:随着水,气比,tww的增加,饱和器出I=I空气温度f一.和空气出I=I含湿量.都增加.而且,从曲线的斜率可以看出,在进I=I水温fi较低时,t,X.的增长速度较慢,随着fi上升,t,X的增长速度增大.这说明,进I=I水温越高,水,气比对饱

11、和器出I=I空气温度,出I=I空气含湿量的影响越明显.(2)进口空气相对湿度对加填料饱和器性能的影响图11图l4的实验条件为:t=26C,t=60C,Li=0.056kg/s,w=0.130.2,进I=I空气的相对湿度F分别为:0.8和0.5.图11一.与,.in,ww的关系Fig11tlV8.FandWW图12m.与,ww的关系Fig12X.uIV8.FiandWW由图l3图l4可以看出:增加进口空气的湿度虽然可使出口空气的湿度增加,但是湿度的增量却明显减小,而湿空气的温度t,水的出I=I温度t.有所增加,因而水的进出口温差也是降低的,从热量回收的角度来看,这是不利的.这主要是由于增加进口空

12、气的湿度会减少饱和器内的传质推动力.水蒸发量减少造成水降温幅度减少从而使得蒸发到空气中的水蒸汽温度提高,进而提高了空气的出口温度.因此,从整个循环角度来考虑,增加进口空气的湿度对循环效率不利.3.3空心饱和器和加填料饱和器热力性能对比实验时饱和器的进I=I条件为:t;=26C,F;=0.9,t=80oC,Li=0.0045ks.图l5是空心饱和器和加填料饱和器的实验数据.从图中可以看出:加填料的饱和器中湿空气的出I=I温度和湿度都较空心饱和器高,最高可分别提高4.2%和8.5%.而且加填料饱和器随着水,气比O0OO0O0O000第1期邱超,等:HAT循环中加填料饱和器的实验研究?93?的增加,

13、上升的幅度较大,这说明由于填料的加入增大了水,气之间的接触面积,达到很好的热,质传递效果.27.527.O26.5j26.025.5图14X.一X_n与,-in,ww的关系Fig14XtXiv8.FandWW翌j33o129280.03700.03500.0330o.O310O.029O0.O27000250(8)*ttrout与ww的关系(b)X与WW的关系图152种饱和器的性能对比ng15Performancecomparisonbetweenthe2kindsofsaturators从图中还可以看出空心饱和器出El空气的温度和湿度随着水,气比的变化是不均匀的.实验通过改变风机的频率达到改

14、变空气的流量,从而改变水,气比,这就造成了空心饱和器内传热,传质不稳定;而加填料饱和器由于热水是附着在填料表面的,过程相对稳定.3.4饱和器压力损失对比饱和器内的加湿过程是在较高速度的气流中进行的,同时还要保证工作稳定及良好的掺混,因此压力损失较大.图l6是饱和器压力损失与空气流量的关系.从图可以看到,饱和器内的压力损失随着进气量的增加而增大,加填料饱和器内的压损比空心饱和器内的压损要大.这是由于填料的加入增加了空气流动的阻力.同时,为了提高空气和水之间的传热,传质能力,减小了填料片之间的距离,从而可以增加单位体积内填料总表面积.所以在加强传热,传质的同时,填料层的阻力也增加了,这也带来了不利

15、的一面,我们可以通过合理选择和布置填料使压损降低到较小的程度.:21.O一无填料A一有填料/.G/kg?s一图16压力损失与空气流量的关系ng16Totalpressurelossv8.airnlagSflow图l7是加填料饱和器在改变进口水流量时,测得不同空气流速下,饱和器进出El的压损.图中i=0kg/s,表示没有喷水的情况下,饱和器本体结构对气流的阻碍作用.由于填料对气流的阻力较大,即使在没有喷水的情况下饱和器的总压降仍然较大.从图中我们可以看到,当进口水流量较大时,其总压损也相应增大.一厶=O,【J1145kg,s一Lin=O0045keJsOLin=Okg/s00200.0250.0

16、300.0350.0400.045G/kg?Sl图l7进121水流量对加填料饱和器内压力损失的影响Fig17Totalpressurelossvs.waterIIlkSSflowatinlet4结论(1)喷雾颗粒大小对空心饱和器影响较大,对于实验中两种大小不同的小孔孔径雾化片,其出口空气温度变化幅度在2%左右,而出口空气含湿量变化更可高达30%.加填料饱和器的热力性能受喷雾颗粒大小的影响较小.(2)饱和器的水,气比,进口水温是影响饱和器热力性能的重要参数,随着水,气比,进口水温增加,饱和器出口空气温度和含湿量单调上升.瑚瑚m姗mmm6呻舛舛5O5O5O5O5O554433221l?94?动力工

17、程第27卷(3)加填料饱和器的热力性能优于空心饱和三进121水流量器,在实验工况下,加填料饱和器出口空气温度和含.出口水流量湿量最高分别可提高4.2%和8.5%.G干空气流量(4)饱和器总压损随饱和器内空气流量增大而ww进口水流量/干空气流量=厶IG增大.相对于加填料饱和器,空心饱和器的压降较参考文献:小.随着进I=I水量增加,饱和器内总压损增加.符号说明.进口空气古湿量出口空气古湿量l进I=1水温一出I=1水温进I=1空气温度#.出口空气温度F进1=1空气的相对湿度1王玉璋,翁史烈,等.模型饱和器冷态喷雾场的实验研究J.动力工程,2003,23(1):22102214.2王玉璋,李一兴,等.

18、逆流喷雾式饱和器内两相速度场的实验研究【J.动力工程,2OO5,9_5(2):188192.3赵丽风,张世铮,等.HAT循环关键部件一空气湿化器的初步试验性能J.工程热物理,1999,20(6):677680.4XiaoY,CaiR.ModelingHATcycleandthermodynamicevaluationJ.EnergyconversionandManagement,1997,38(15):16051612.?征文通知?加快我国生物质能利用技术发展和应用研讨会征文可再生能源法的出台,将大大加快我国生物质能利用技术发展和应用.为了提高我国生物质能的利用率,迅速改变农村城镇能源生产结构和消费方式,加快农村城镇现代化发展