船用蒸汽蓄热器充汽动态性能数值模拟

船用蒸汽蓄热器充汽动态性能数值模拟

0充汽模式下浮液对船舶蒸汽动力系统稳定运行的影响由于锅炉和热负荷频繁波动，用户应立即消耗大量蒸汽。本采用蒸汽蓄热器按时间顺序调整负荷大小，确保锅炉和船舶的负荷偏差。而蒸汽蓄热器充汽过程是极为复杂的汽、液两相流瞬态蒸发和冷凝过程,充汽负荷的升降变化速率将明显改变其流动结构与传热形式,对船用蒸汽蓄热器的动态性能造成很大影响。因此,研究在缓慢和快速充汽模式下船用蒸汽蓄热器动态性能对船舶蒸汽动力系统的稳定运行具有现实意义。由于实际船用蒸汽蓄热器的充汽过程所表现出的非平衡动态特性与公开文献所研究的储能设备区别极大,目前鲜有关于不同充汽模式下船用蒸汽蓄热器动态性能数值研究的报道。鉴于此,本文将应用CFX计算软件,引入两流体控制方程和热相变模型,通过数值模拟研究缓慢和快速充汽模式下船用蒸汽蓄热器的动态性能,揭示蒸汽蓄热器内压力场、速度场及温度场的变化规律,从而为船用蒸汽蓄热器热工结构、运行参数的优化提供支撑。1计算模型和边界条件1.1网格无关性验证蒸汽蓄热器筒体内部直径0.8m,长2m;过热蒸汽分配集管开孔均布4行,每行开24个进汽孔,充汽孔直径为0.012m;出口位于上筒体中点处,出口直径为0.08m,高度为0.25m。蒸汽蓄热器结构模型如图1所示。图2所示为蒸汽蓄热器的网格模型。三维计算域全部采用四面体非结构化网格,筒壁处添加边界层网格,网格近壁尺寸y+为25~31,基于网格无关性计算,确保近壁网格尺度满足壁面率要求。为验证蒸汽蓄热器网格模型的网格无关性,分别对3种数量的网格模型(250000,350000和500000)进行了计算,通过对比3种网格模型的压力计算结果可知,3种网格模型的计算结果均收敛,且250000与350000网格模型压力计算结果误差为4.1%,350000与500000网格模型压力计算结果误差为3.6%。考虑到计算机的性能和硬件配置,为提高计算效率和时间,采用350000的网格模型用于本文的数值计算。1.2优化运行条件采用两流体模型、热相变模型和k-ε湍流方程计算蓄热器的流动和传热规律。根据所建立的蒸汽蓄热器数学物理模型,结合船用蒸汽蓄热器缓慢和快速充汽过程的运行参数,建立如下边界条件:1)缓慢充汽条件。初始水位为300mm,初始压力为0.2MPa,充汽时间为100s,充汽温度为270℃,充汽流量为。2)快速充汽条件。初始水位为300mm,初始压力为0.2MPa,充汽时间为40s,充汽温度为270℃,充汽流量为。2对蒸汽蓄热器动态性能的研究2.1不同充汽时间时蓄热器蒸汽压力变化规律图3所示为缓慢充汽过程中蒸汽蓄热器压力随时间变化的曲线。从图中可以看出,蒸汽蓄热器的压力随充汽时间的推移呈先快速上升再逐渐下降的变化趋势。究其原因,主要是蒸汽集管的充汽孔直径很小,随着充汽流量的增大,蒸汽流速急剧升高,引起蒸汽射流现象,导致过热蒸汽仅与充汽集管周围的饱和水发生对流传热,在蒸汽蓄热器的热惯性作用下,汽水传热温差减小,对流换热强度降低,造成过热蒸汽以未凝结汽态直接充入汽空间,进而导致蒸汽压力逐渐升高。在80后,充入蒸汽的量对于压力增加的效应小于汽部过热蒸汽凝结对于压力下降的作用,最终导致蒸汽蓄热器压力逐渐降低。数值模拟得到的船用蒸汽蓄热器压力变化规律与文献中的试验结果吻合较好。如图4所示,在t=5s时,蒸汽蓄热器蒸汽压力波动很大,主要是由于在蒸汽射流的作用下,起始阶段充汽过程比较剧烈。但随着充汽时间的推移,从图5和图6可以看出,蒸汽蓄热器的蒸汽压力逐渐趋于稳定。图7所示的蒸汽温度曲线为蒸汽蓄热器出口面的平均温度。蓄热器出口蒸汽温度随充汽时间的增长呈先逐渐上升,再快速下降的变化规律,主要原因是,随着充汽流量快速增大,蒸汽流速不断升高,过热蒸汽未能与液空间的饱和水充分进行热质传递而以未凝结汽态形式进入汽空间,导致蒸汽蓄热器内部蒸汽温度逐渐升高。在t=60s后,充汽流量逐渐减少,过热蒸汽大部分以蒸汽冷凝的方式储存于液空间,同时,由于蓄热器的汽、液空间存在温差,饱和水不断吸收汽空间蒸汽的热量,促使蓄热器的蒸汽温度快速下降。t=50s时蓄热器的温度分布规律如图8所示。图9~图11给出了不同充汽时刻蒸汽蓄热器的水位变化云图。在t=1s时,在蒸汽射流的作用下,充汽过程比较剧烈,蒸汽蓄热器内部水位波动很大,但随着充汽时间的推移,蒸汽蓄热器水位趋于稳定。由图10和图11还可发现,蒸汽蓄热器的水位略有升高。主要原因是充入的部分过热蒸汽与饱和水充分换热后,蒸汽释放热量,凝结成饱和水,从而导致蒸汽蓄热器水位略有升高。2.2充汽流量对蒸汽温度的影响快速充汽过程中蒸汽蓄热器压力的动态变化规律如图12所示。从图中可以发现,在30s内,压力由初始值0.2MPa快速升至0.61MPa,然后出现了压力逐渐降低的变化过程。造成这种现象的主要原因是:在20s内,充汽流量不断增大,流速急剧升高,导致大部分过热蒸汽未在液空间发生冷凝而直接以汽态形式充入汽空间,促使蓄热器内部压力快速升高,如图13~图15所示。在20~30s的充汽过程中,充汽流量不断减少,充汽压头逐渐降低,导致蒸汽蓄热器压力缓慢升高。在30s至充汽结束的过程中,一方面,充汽流速低,促使大部分过热蒸汽冷凝于液空间;另一方面,由于蒸汽蓄热器汽、液空间热惯性的作用,汽空间部分蒸汽冷凝成饱和水储存于液空间,最终导致蒸汽蓄热器内部压力不断降低,直至充汽结束时,压力降至0.55MPa。数值计算的蒸汽蓄热器压力与试验结果吻合较好。图16示出了快速充汽过程中蒸汽蓄热器出口处蒸汽平均温度随时间的变化曲线。蒸汽温度呈现先增大再不断减小的变化规律,这主要是由于在20s内充汽流速快速升高,大部分过热蒸汽以未凝结汽态形式直接进入汽空间,导致蒸汽温度不断提升;随着充汽时间的推移,充汽流量快速减少,过热蒸汽与饱和水更充分地发生热质交换,导致大部分蒸汽凝结成饱和水,且汽空间的蒸汽温度高于液空间的饱和水温度,蒸汽不断释放热量给饱和水,最终导致蒸汽温度快速降低。从图17~图19可知,在快速充汽起始阶段,蒸汽蓄热器内部蒸汽温度场的分布并不均匀,但随着充汽时间的推移,温度场逐渐均匀。3蒸汽蓄热器水位变化规律本文采用CFX计算软件,对船用蒸汽蓄热器缓慢和快速充汽过程的动态性能进行了数值模拟,并分析了运行参数的特性及影响因素。1)缓慢充汽过程中,蒸汽蓄热器的压力和温度均呈先快速上升再下降的变化规律,模拟结果与试验数据基本吻合。2)缓慢充汽起始阶段,蒸汽蓄热