船用蒸汽蓄热器快速充汽过程的数值模拟研究

船用蒸汽蓄热器快速充汽过程的数值模拟研究

利用蒸汽蓄热装置是利用特定压力和热量在极短时间内产生大量蒸汽的能源装置。虽然它的储存方法类似于一般的工业湿式蒸汽蓄热器，但它的充热蒸汽特点是高压热蒸汽、短充热时间和高积累热水。这与许多文献的研究对象有很大不同。目前还没有关于研究成果的报告。为了满足短时间耗汽量极大用汽设备的用汽需求,在充汽过程中,以水部蓄热为主的蒸汽蓄热器就必须具备从充热蒸汽中充分、快速地吸收大量热量的能力,这直接取决于充热蒸汽与水部之间混合程度的好坏,即蒸汽蓄热器的吸热特性。如果船用蒸汽蓄热器的吸热特性很好,则进入水部的充热蒸汽中,仅有小部分未凝结蒸汽流到汽空间以提升内部压力,而绝大部分蒸汽会在上升和扩散过程中,被冷凝为水而释放热能,同时也加热了水部。充汽过程结束后,蒸汽蓄热器的上部汽空间温度与下部水空间平均温度相差很小,吸热效果好。反之,若吸热混合进行得不充分,则大量未凝结蒸汽将会流入到汽部空间,使得内部压力迅速上升到规定压力值,充汽过程很快结束,但是水部由于温度分布的不均匀,处于过冷状态,所吸收的热量将远远满足不了用汽设备的用汽要求。因此,以测量吸热特性为目的,对船用蒸汽蓄热器的充汽过程展开热力学研究,探讨有效提高吸热能力的途径,具有重要的意义。本文应用变质量热力学理论,选取平均过冷度和吸热系数作为评价吸热特性的性能参数,对船用蒸汽蓄热器的快速充汽过程进行数学建模和实验研究,以期针对吸热特性提出一种有效可行的测量方法。1蒸汽压力和温度分布船用蒸汽蓄热器充汽系统主要包括蒸汽蓄热器、充汽调节阀、锅炉汽源以及连接它们所布置的过热蒸汽管路,如图1所示。其中,τ为时间变量(s),P1、T1和h1、ρ1分别为截面1-1处供热汽源出口的过热蒸汽压力、温度和比焓、密度;Q为瞬时充汽流量;截面3-3处的P和T分别为蒸汽蓄热器内湿蒸汽压力和温度,h、ρ和V、a分别为蒸汽蓄热器内工质的比焓、密度和体积、充水系数;TW和TiW分别为金属壁和内壁温度;上标′和″分别代表湿蒸汽的水部和汽部参数;下标0和sub分别代表初始时刻参数和过冷状态下水部参数。1.1普遍过冷度的计算由吸热混合所引起的水温不均匀性可以用平均过冷度ΔTsub来评价,它定义为汽部压力所对应的饱和温度T与水部平均温度Tsub的差值,如公式(1)所示:1.2个吸热系数i的计算充汽过程结束时(t=tover),蒸汽蓄热器的最终吸热特性可以用吸热系数φi来评价,φi定义为从锅炉流入的实际蓄热能量ΔEact与混合完全的理想条件下达到同样压力水平时蒸汽蓄热器的蓄热量ΔEideal之比,如公式(2)所示:2变质量力学根据变质量热力系统的基本工作原理,在允许的范围内按以下假设条件建立数学模型:系统中各组成单元依次水平串联,忽略工质势能和动能以及在充汽过程中的泄漏;蒸汽蓄热器为刚性容器,内部参数采用集总参数法处理,其中汽部的特性参数由内部压力P来确定,而处于过冷状态的水部特性参数则由平均温度来表示;蒸汽蓄热器金属壁外敷以较厚的热绝缘层,可忽略外壁与环境换热。由于水部空间所占比例高达80%,内部工质与金属壁之间的换热主要为水部与金属壁的自然对流换热,该部分换热量很小,可以忽略。在以上假设的基础上,应用变质量热力学进行建模。取蒸汽蓄热器空间作为一个控制容积来进行热力学分析,该控制容积内工质状态变化规律同时满足如下所示的质量守恒方程、能量守恒方程和体积守恒方程:根据水和水蒸气热力性质可知,过热蒸汽状态参数由温度和压力共同确定,而蒸汽蓄热器内湿蒸汽的汽部和水部状态函数都仅是压力或温度的单值函数,可通过水蒸气热力计算函数计算给出,即:由式(1)~(8)整理可得:从式(9)可以看出:平均过冷度ΔTsub、蒸汽蓄热器内蒸汽压力P、充汽流量Q以及锅炉过热蒸汽出口压力P1和温度T1等参数之间存在着对应的关系。特别的,在充热蒸汽与水部之间混合完全的理想条件下,平均过冷度为0,则式(9)可进一步推导为:由式(11)可得:在理想条件下,当P1和T1确定后,蒸汽蓄热器内蒸汽压力P与充入蒸汽蓄热器的蒸汽流量Q存在着一一对应的关系,因此ΔEideal可由P得到,进而得到吸热系数φi。3实验系统设计依据建立的数学模型,通过实验测得P、Q以及P1和T1后,将其实验数据输入到数学模型中,就可以计算出平均过冷度ΔTsub和吸热系数φi,从而形成一种吸热特性测量方法。为达到这一目的,建立了实验系统,其基本构成图如图2所示。实验系统包括全尺寸的船用蒸汽蓄热器、蒸汽汽源锅炉装置、充汽调节阀、用汽调节阀、主停汽阀、减温减压装置以及其它附属装置。充热工质采用工业实用的水和蒸汽。实验开始,由供热汽源流向蒸汽蓄热器水部内的过热蒸汽通过充汽调节阀的控制,与湿蒸汽水部混合,并在蒸汽蓄热器内外重度差及蒸汽射流动量的双重作用下,形成水循环,从而加热内部压力和温度到规定值。与此同时,为了消除充汽流量的剧烈波动对汽源压力的影响,通过减压减温装置的跟随调节,将多余的高温高压蒸汽进行安全排放。充汽过程完成后,打开用汽阀,将蒸汽蓄热器蓄积的能量释放给用汽设备,结束后关闭用汽阀,同时开始准备下一次充汽。为了对动态过程进行分析,实验系统还安装有基于PC的数据采集系统,并且在一些重要部位的入口和出口处都设置有温度和压力传感器。其中就包括用来确定蒸汽蓄热器吸热状态的蒸汽压力P、充汽流量Q以及锅炉充热蒸汽的压力P1和温度T1等参数。考虑到充汽过程中,蒸汽流量处于不断变化状态,故选用均速管式流量计来测量流量,并通过误差校正,使得精度达到2%。作为实验系统的关键部件,蒸汽蓄热器主要以热水的方式蓄能和供汽,它主要由容积为32m3水平圆柱体和足够厚度的不锈钢封盖构成。蒸汽蓄热器的长径比为3.8。在蒸汽蓄热器内部的蒸汽加热配管上,还设计安装了若干组蒸汽入射喷头及循环对流套管,使得过热蒸汽由此进入到水部。显然,这种混合扰动方式对温度均匀分布起着至关重要的作用。基于所建立的实验系统,分别针对不同的充汽时间和充汽流量进行了三组实验,得到了相应参数的实验数据,分别用实验1、实验2和实验3来表示。表1给出了三组实验下充汽时间和最大充汽流量的无量纲数据。从表1可以看出,实验1和实验2的充汽时间相差不大,但是后者充汽流量要大于前者;实验3的最大流量与实验2相同,但是后者的充汽时间要远远大于前者。4结果分析4.1储汽压力和汽压通过三组不同的实验,分别得出了锅炉出口过热蒸汽压力P1、蒸汽流量Q和蒸汽蓄热器压力P的性能参数,而过热蒸汽温度T1变化很小,可视为恒定。图3(a)分别给出了三组不同实验下,无量纲充汽流量Q*随无量纲充汽时间t*的变化关系曲线。可以看出,开始充汽时,实验1和实验2的充汽流量增速要远大于实验3;当t*=0.15时,实验1和实验2的充汽流量随着充汽阀的关小已经开始下降,而实验3的充汽流量仍在增加;到t*=0.5时,实验3的充汽流量也随着充汽阀的关小开始下降,而第1、2组实验的充汽过程已经结束。除此之外,实验2和实验3的最大充汽流量几乎相等,其无量纲值都为1;实验1的最大充汽流量要小于后两组,其无量纲值为0.813。图3(b)给出了三组不同实验下,无量纲过热蒸汽压力P1*随无量纲充汽时间t*的变化关系曲线。可以看出,充汽时间较短的两组曲线(实验1和实验2),其过热蒸汽压力在开阀的过程中变化幅度较大,其无量纲值变化范围分别为0.931~1和0.934~0.995;而对于充汽时间较长的实验3,其过热蒸汽压力则相对比较稳定,其无量纲值变化范围为0.955~0.975。这也对应于图3中对充汽流量增速的分析结果,即实验1和实验2的流量增速相对较大,其用于排放多余蒸汽量的减压减温装置控制不能及时跟随关小排量,引起锅炉用汽负荷增加,锅炉汽压随之下降;对于充汽时间较长的实验3,充汽流量增速相对较慢,因此对减压减温装置控制的扰动较小,锅炉汽压也相对较稳定。图4给出三组实验下储汽筒内蒸汽压力P*无量纲量随无量纲充汽时间t*的变化关系曲线。可以看出,筒内压力变化趋势与充汽流量随时间的累积量变化基本一致,实验3由于累积流量最大,因此整个充汽过程中,筒内压力增幅也最大(从0.812增加到0.993),实验2次之(从0.823增加到0.969),而实验1最小(f从0.868增加到0.982)。从而证实累积充汽量与筒内压力之间存在一定的关系。4.2充汽流量对吸热特性的影响将已测得的相关参数实验数据代入数学模型中,便可计算出平均过冷度ΔTsub和吸热系数φi。图5给出了三组实验下平均过冷度ΔTsub随无量纲充汽时间t*的变化关系曲线。从图中平均过冷度的变化规律可以看出,蒸汽蓄热器在充汽过程中,水部存在着明显的温度分布不均匀,其程度可用平均过冷度来衡量;在三组实验的充汽前期,随着充汽流量的增加,进入汽部空间的未冷凝蒸汽迅速增加,汽部压力也随之增大,最终造成平均过冷度的增加。而在充汽后期,随着充汽流量的不断减小,平均过冷度也开始减小,但存在着一定的时滞,这也反映出水部在吸热过程中存在着一定的吸热惯性。通过对比图3(a)和图5也可以发现,时滞值随着充汽流量增速的提高而增加,其无量纲值在实验1、2、3中分别为0.16、0.22和0,这说明实验2的吸热惯性最大,实验1次之,而实验3最小。另外,对于充汽时间相差不大的实验1和实验2,前者的平均过冷度要明显大于后者,这是由于前者的充汽流量要大于后者的缘故。相比而言,三组实验中平均过冷度在充汽过程的中期都达到最大值,分别为2.6、3.6和2.8,而在充汽结束时,平均过冷度分别降为2.1、2.9和0。值得注意的是,通过对比三组实验数据的时滞值与充汽结束时的平均过冷度发现,两者之间为线性关系。考虑到实验次数的有限,这种关系仅代表着一种可能性,涵待在后续实验中进行进一步的验证。表2给出了三组实验下吸热系数φi的计算值。从表2中可知:实验3的吸热系数最高,这也与前面平均过冷度的分析结果相一致,在充汽时间延长的情况下,蒸汽蓄热器的吸热特性更好,但也应该注意到,过分的延长充汽时间,会使得用汽设备的使用频率大大降低,从而影响到用汽设备的正常使用,因此需要权衡考虑。同时,对比分析充汽时间相差不大的实验1和实验2可以看出,前者的吸热系数要高于后者,这也是由于前者的充汽流量要小于后者的原因。通过对比充汽时平均过冷度的变化规律可知,充汽效率与充汽结束时的平均过冷度有关,因而可直接用于评价充汽结束后的船用蒸汽蓄热器吸热特性。5蒸汽蓄热器热特性的测量方法针对不同充汽时间和充汽流量,对船用蒸汽蓄热器快速充汽过程的吸热特性进行了数学建模和实验研究。通