含不凝气体蒸汽直接接触冷凝传热及其在汽水引射器中的应用研究

摘要

蒸汽和水直接接触冷凝时冷热两种流体直接混合换热，因而在小温差下即有较高传热速率，目前在电厂混合式加热器、除氧器、蒸汽引射器以及核电厂非能动安全系统中都有应用。近年随着进一步提高能源利用效率的需求，工业界和学术界逐渐开始研究使用蒸汽引射器来回收低参数余热蒸汽。本文采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的研究方法，对含不凝气体蒸汽射流与水直接接触冷凝的流动和传热特性进行了系统研究，并分析了蒸汽中含不凝结气体对汽水引射器性能的影响。
　　搭建了蒸汽喷射实验台，不凝气体为空气，含量在10％以内。研究了气羽含气率的分布受其中空气含量的影响。使用高速摄像机连续拍摄冷凝气羽，并提出了使用MATLAB处理图像获得含气率分布状况的方法，同时指出这种方法得到的含气率与传统含气率的区别，为下文与使用数值计算获得的含气率作对比提供修正方法。研究发现气羽可分为射流区和羽翼区，两个区域实际都由若干小气泡组成;当水箱中水温升高或者入射气体中空气含量升高时，含气率在轴向和径向的下降趋势都变得平缓，这是因为不凝气体会恶化冷凝传热从而使气羽变大变长;流场中的含气率分布具有自相似特性，本文给出了实验范围内的自相似形状因子和发散率。
　　基于纯蒸汽直接接触冷凝的一维模型，结合几种合理假设提出了含不凝气体蒸汽直接接触冷凝的一维模型，进而得出了气羽长度和平均冷凝传热系数的关联式，关联式中含有需由实验确定的未知常数。在100-330kg/m2/s的出口质流密度范围内和15％的空气含量范围以内，测量了流场中的温度分布。发现空气的加入导致流场中轴向和径向的温度升高，这是由于蒸汽含空气时冷凝速率下降，气羽变大变长所致。冷凝气羽不存在明显的冷凝结束边界，不能以此确定气羽长度，因此提出使用轴向温度下降90％处作为冷凝结束的标志进而确定气羽长度，并与文献中纯蒸汽气羽长度的实验关联式做对比，验证了该种方法的合理性。根据实验数据确定了关联式中的未知常数，得出的关联式可以在本实验范围内预测气羽长度和平均冷凝传热系数，本实验测得的无量纲气羽长度l/d处于3-17之间，冷凝传热系数在0.7-2MW/m2/K之间。
　　对含不凝气体蒸汽直接接触冷凝过程中的潜热和显热传递进行了数量级分析，发现当蒸汽中空气含量不高时，即使混合气体过热，相比潜热传递，显热传递很小，为方便建立模型，气侧的显热传递可忽略不计。使用商业软件ANSYS CFX，基于其中的欧拉-欧拉两流体模型，建立了含不凝气体蒸汽直接接触冷凝的数值模型，将水和混合气体分别视为连续相和离散相，并使用颗粒模型计算两者之间的质量、动量和能量传递，使用组分传递方程计算气相成分变化，同时分析了使用热相变模型计算冷凝速率的合理性，与纯蒸汽的热相变模型不同，本文提出使用气相中蒸汽分压对应的饱和温度作为气液界面温度，用以计算冷凝速率。对于气液两相，数值计算结果分别给出一组温度分布，与实验结果对比发现数值模型可以合理地预测温度分布。为了将实验含气率和数值计算得到的含气率进行对比，提出了修正数值计算含气率的方法，发现修正的含气率结果与实验结果符合良好，表明了数值模型可以用于预测含气率分布。通过数值计算获得了不同不凝气体含量下的压力分布，发现由于喷嘴出口存在压缩波和膨胀波，压力出现两次波动，射流含不凝气体时，轴线上的压力波动会明显减小，且随不凝气体含量的升高冷凝压缩波变弱。计算获得的轴向速度先增大后减小，而径向速度一直减小，不凝气体的加入使距离喷嘴较近处速度变小而距喷嘴较远处速度变大，表明不凝气体使流场速度分布变得均匀。
　　制作了小型引射器，搭建了蒸汽引射水实验平台，在实验的工作参数下研究了蒸汽中含不凝性气体（空气）对引射器性能的影响。实验发现随着蒸汽中空气含量从零开始增加，被引射水流量先增加后减小，主要原因是空气加入后使混合室内气羽增大，导致了二次流的剪切作用增强，但同时也使二次流流通面积减小，当空气含量较小时前者作用较强，二次水流量增大，当空气含量较大时，后者作用较强，二次水流量减小。不同一次流空气含量下，蒸汽流量增大、喷嘴直径减小和二次流水温升高均起到增大二次流流量的作用;空气含量较低时，小喉嘴距引射器产生较大引射流量，空气含量较高时，大喉嘴距引射器产生较大引射流量。由于二次水侧使用固定高度和总阻力系数的方式，所以二次流入口压力的变化趋势与二次水流量的变化趋势相反;由于二次流流速较小，理想吸入高度在不同条件下的变化趋势与二次水流量相同。引射系数随蒸汽流量的增大而减小，但受其他条件影响的规律还需要进一步研究。
　　使用前述含不凝气体蒸汽与水直接接触冷凝的模型，首先建立了与实验相同的引射器三维数值模型，在一二次流入口和引射器出口都使用与实验相同的流量条件，计算所得的二次流入口压力随空气含量变化规律与实验一致，表明数值模型可以预测引射器性能。然后通过数值模拟发现不同空气含量下二次流进口水温的升高会使进口压力变小，与实验规律一致;空气含量的增加一方面使气液剪切面积增大，另一方面使液相通流面积减小，因而存在最佳空气含量;进口水流量的升高导致进口水压力升高的同时也使最佳空气含量降低;引射器喉部直径增大使进口水压力升高，同时，最佳空气含量升高;空气含量增加，二次流进口水温升高或流量增加，引射器喉部直径增大都使引射器内压力波动减小;空气含量增加降低冷凝速率，从而使引射器中气羽变大变长。为进一步简化计算模型，建立了与实验一致的引射器二维数值模型，将引射器两个进口改为压力边界条件，发现在一定的二次流进口压力范围内，引射系数随空气含量增加先增大后减小，若进口压力过高，则引射系数随空气含量增加一直减小，若进口压力过低，则进口出现回流。最后进行了大尺寸引射器在较大工作参数下的数值计算，使用压力进出口边界条件，也发现了与小尺寸引射器相同的性能变化规律。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 混合气体冷凝研究进展

1．2．1 混合气体冷凝在相关领域的研究

1．2．2 混合气体壁面冷凝传热及其强化技术

1．2．3 直接接触冷凝传热研究概况

1．3 两相引射器研究概况

1．3．1 引射器在制冷领域的研究概况

1．3．2 引射器在蒸汽余热回收领域的研究概况

1．3．3 引射器在核电厂非能动安全领域的应用前景

1．4 本文研究内容

第二章 含不凝气体蒸汽射流直接接触冷凝的可视化实验研究

2．1 实验方法

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验范围和误差

2．1．3 实验步骤

2．1．4 图像处理方法

2．2 结果与分析

2．2．1 含气率分布云图

2．2．2 含气率分布的影响因素

2．2．3 含汽率分布的自相似特性

2．3 本章小结

第三章 含不凝气体蒸汽射流直接接触冷凝的传热特性研究

3．1 实验方法

3．1．1 实验装置

3．1．2 温度场测量方法

3．1．3 实验范围与误差

3．2 射流冷凝一维模型

3．3 结果与讨论

3．3．1 实验可靠性分析

3．3．2 温度分布受不凝气体的影响

3．3．3 气羽长度

3．3．4 冷凝传热系数

3．4 本章小结

第四章 含不凝气体蒸汽射流直接接触冷凝的数值模拟

4．1 数值模型

4．1．1 动量方程

4．1．2 连续性方程

4．1．3 能量方程

4．1．4 组分方程

4．1．5 相间传递模型

4．1．6 湍流模型

4．2 气泡冷凝传热中几种重要的量级分析

4．2．1 扩散层厚度

4．2．2 气相的显热和潜热

4．2．3 气相过热的影响

4．3 网格划分及数值求解

4．3．1 计算区域及网格

4．3．2 求解方法

4．4 结果及讨论

4．4．1 网格无关性

4．4．2 温度分布

4．4．3 含气率分布

4．4．4 压力分布

4．4．5 速度分布

4．5 本章小结

第五章 不凝气体对蒸汽引射器性能影响的实验研究

5．1 蒸汽引射器的结构设计

5．2 实验系统及方法

5．2．1 实验系统

5．2．2 测量仪表

5．2．3 实验范围及误差

5．2．4 实验步骤

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同喉嘴距下引射器的性能受空气含量的影响

5．3．2 不同喷嘴直径下引射器性能受空气含量的影响

5．3．3 不同蒸汽流量下引射器性能受空气含量的影响

5．3．4 不同水温度下引射器性能受空气含量的影响

5．4 本章小结

第六章 不凝气体对蒸汽引射器性能影响的数值模拟

6．1 数值模型

6．2 网格划分和求解方法

6．2．1 计算区域及网格

6．2．2 求解方法

6．3 模型验证

6．3．1 网格无关性验证

6．3．2 关于颗粒模型的粒径

6．3．3 与实验结果的对比

6．4 引射器三维数值模拟

6．4．1 进口水温的影响

6．4．2 进口水流量的影响

6．4．3 喉部直径的影响

6．4．4 引射器性能受不凝气体影响的机理分析

6．4．5 引射器内压力分布

6．4．6 引射器内冷凝速率分布

6．4．7 引射器内含汽率分布

6．5 引射器的二维数值模拟

6．5．1 小尺寸引射器二维数值计算

6．5．2 大尺寸引射器二维数值计算

6．6 本章小结

第七章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 主要创新点

7．3 不足与展望

参考文献

致谢

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