船用蒸汽蓄熱器充汽動態(tài)性能數(shù)值模擬

船用蒸汽蓄熱器充汽動態(tài)性能數(shù)值模擬

0充汽模式下浮液對船舶蒸汽動力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響由于鍋爐和熱負荷頻繁波動，用戶應(yīng)立即消耗大量蒸汽。本采用蒸汽蓄熱器按時間順序調(diào)整負荷大小，確保鍋爐和船舶的負荷偏差。而蒸汽蓄熱器充汽過程是極為復(fù)雜的汽、液兩相流瞬態(tài)蒸發(fā)和冷凝過程,充汽負荷的升降變化速率將明顯改變其流動結(jié)構(gòu)與傳熱形式,對船用蒸汽蓄熱器的動態(tài)性能造成很大影響。因此,研究在緩慢和快速充汽模式下船用蒸汽蓄熱器動態(tài)性能對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有現(xiàn)實意義。由于實際船用蒸汽蓄熱器的充汽過程所表現(xiàn)出的非平衡動態(tài)特性與公開文獻所研究的儲能設(shè)備區(qū)別極大,目前鮮有關(guān)于不同充汽模式下船用蒸汽蓄熱器動態(tài)性能數(shù)值研究的報道。鑒于此,本文將應(yīng)用CFX計算軟件,引入兩流體控制方程和熱相變模型,通過數(shù)值模擬研究緩慢和快速充汽模式下船用蒸汽蓄熱器的動態(tài)性能,揭示蒸汽蓄熱器內(nèi)壓力場、速度場及溫度場的變化規(guī)律,從而為船用蒸汽蓄熱器熱工結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)的優(yōu)化提供支撐。1計算模型和邊界條件1.1網(wǎng)格無關(guān)性驗證蒸汽蓄熱器筒體內(nèi)部直徑0.8m,長2m;過熱蒸汽分配集管開孔均布4行,每行開24個進汽孔,充汽孔直徑為0.012m;出口位于上筒體中點處,出口直徑為0.08m,高度為0.25m。蒸汽蓄熱器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。圖2所示為蒸汽蓄熱器的網(wǎng)格模型。三維計算域全部采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,筒壁處添加邊界層網(wǎng)格,網(wǎng)格近壁尺寸y+為25~31,基于網(wǎng)格無關(guān)性計算,確保近壁網(wǎng)格尺度滿足壁面率要求。為驗證蒸汽蓄熱器網(wǎng)格模型的網(wǎng)格無關(guān)性,分別對3種數(shù)量的網(wǎng)格模型(250000,350000和500000)進行了計算,通過對比3種網(wǎng)格模型的壓力計算結(jié)果可知,3種網(wǎng)格模型的計算結(jié)果均收斂,且250000與350000網(wǎng)格模型壓力計算結(jié)果誤差為4.1%,350000與500000網(wǎng)格模型壓力計算結(jié)果誤差為3.6%。考慮到計算機的性能和硬件配置,為提高計算效率和時間,采用350000的網(wǎng)格模型用于本文的數(shù)值計算。1.2優(yōu)化運行條件采用兩流體模型、熱相變模型和k-ε湍流方程計算蓄熱器的流動和傳熱規(guī)律。根據(jù)所建立的蒸汽蓄熱器數(shù)學(xué)物理模型,結(jié)合船用蒸汽蓄熱器緩慢和快速充汽過程的運行參數(shù),建立如下邊界條件:1)緩慢充汽條件。初始水位為300mm,初始壓力為0.2MPa,充汽時間為100s,充汽溫度為270℃,充汽流量為。2)快速充汽條件。初始水位為300mm,初始壓力為0.2MPa,充汽時間為40s,充汽溫度為270℃,充汽流量為。2對蒸汽蓄熱器動態(tài)性能的研究2.1不同充汽時間時蓄熱器蒸汽壓力變化規(guī)律圖3所示為緩慢充汽過程中蒸汽蓄熱器壓力隨時間變化的曲線。從圖中可以看出,蒸汽蓄熱器的壓力隨充汽時間的推移呈先快速上升再逐漸下降的變化趨勢。究其原因,主要是蒸汽集管的充汽孔直徑很小,隨著充汽流量的增大,蒸汽流速急劇升高,引起蒸汽射流現(xiàn)象,導(dǎo)致過熱蒸汽僅與充汽集管周圍的飽和水發(fā)生對流傳熱,在蒸汽蓄熱器的熱慣性作用下,汽水傳熱溫差減小,對流換熱強度降低,造成過熱蒸汽以未凝結(jié)汽態(tài)直接充入汽空間,進而導(dǎo)致蒸汽壓力逐漸升高。在80后,充入蒸汽的量對于壓力增加的效應(yīng)小于汽部過熱蒸汽凝結(jié)對于壓力下降的作用,最終導(dǎo)致蒸汽蓄熱器壓力逐漸降低。數(shù)值模擬得到的船用蒸汽蓄熱器壓力變化規(guī)律與文獻中的試驗結(jié)果吻合較好。如圖4所示,在t=5s時,蒸汽蓄熱器蒸汽壓力波動很大,主要是由于在蒸汽射流的作用下,起始階段充汽過程比較劇烈。但隨著充汽時間的推移,從圖5和圖6可以看出,蒸汽蓄熱器的蒸汽壓力逐漸趨于穩(wěn)定。圖7所示的蒸汽溫度曲線為蒸汽蓄熱器出口面的平均溫度。蓄熱器出口蒸汽溫度隨充汽時間的增長呈先逐漸上升,再快速下降的變化規(guī)律,主要原因是,隨著充汽流量快速增大,蒸汽流速不斷升高,過熱蒸汽未能與液空間的飽和水充分進行熱質(zhì)傳遞而以未凝結(jié)汽態(tài)形式進入汽空間,導(dǎo)致蒸汽蓄熱器內(nèi)部蒸汽溫度逐漸升高。在t=60s后,充汽流量逐漸減少,過熱蒸汽大部分以蒸汽冷凝的方式儲存于液空間,同時,由于蓄熱器的汽、液空間存在溫差,飽和水不斷吸收汽空間蒸汽的熱量,促使蓄熱器的蒸汽溫度快速下降。t=50s時蓄熱器的溫度分布規(guī)律如圖8所示。圖9~圖11給出了不同充汽時刻蒸汽蓄熱器的水位變化云圖。在t=1s時,在蒸汽射流的作用下,充汽過程比較劇烈,蒸汽蓄熱器內(nèi)部水位波動很大,但隨著充汽時間的推移,蒸汽蓄熱器水位趨于穩(wěn)定。由圖10和圖11還可發(fā)現(xiàn),蒸汽蓄熱器的水位略有升高。主要原因是充入的部分過熱蒸汽與飽和水充分換熱后,蒸汽釋放熱量,凝結(jié)成飽和水,從而導(dǎo)致蒸汽蓄熱器水位略有升高。2.2充汽流量對蒸汽溫度的影響快速充汽過程中蒸汽蓄熱器壓力的動態(tài)變化規(guī)律如圖12所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在30s內(nèi),壓力由初始值0.2MPa快速升至0.61MPa,然后出現(xiàn)了壓力逐漸降低的變化過程。造成這種現(xiàn)象的主要原因是:在20s內(nèi),充汽流量不斷增大,流速急劇升高,導(dǎo)致大部分過熱蒸汽未在液空間發(fā)生冷凝而直接以汽態(tài)形式充入汽空間,促使蓄熱器內(nèi)部壓力快速升高,如圖13~圖15所示。在20~30s的充汽過程中,充汽流量不斷減少,充汽壓頭逐漸降低,導(dǎo)致蒸汽蓄熱器壓力緩慢升高。在30s至充汽結(jié)束的過程中,一方面,充汽流速低,促使大部分過熱蒸汽冷凝于液空間;另一方面,由于蒸汽蓄熱器汽、液空間熱慣性的作用,汽空間部分蒸汽冷凝成飽和水儲存于液空間,最終導(dǎo)致蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力不斷降低,直至充汽結(jié)束時,壓力降至0.55MPa。數(shù)值計算的蒸汽蓄熱器壓力與試驗結(jié)果吻合較好。圖16示出了快速充汽過程中蒸汽蓄熱器出口處蒸汽平均溫度隨時間的變化曲線。蒸汽溫度呈現(xiàn)先增大再不斷減小的變化規(guī)律,這主要是由于在20s內(nèi)充汽流速快速升高,大部分過熱蒸汽以未凝結(jié)汽態(tài)形式直接進入汽空間,導(dǎo)致蒸汽溫度不斷提升;隨著充汽時間的推移,充汽流量快速減少,過熱蒸汽與飽和水更充分地發(fā)生熱質(zhì)交換,導(dǎo)致大部分蒸汽凝結(jié)成飽和水,且汽空間的蒸汽溫度高于液空間的飽和水溫度,蒸汽不斷釋放熱量給飽和水,最終導(dǎo)致蒸汽溫度快速降低。從圖17~圖19可知,在快速充汽起始階段,蒸汽蓄熱器內(nèi)部蒸汽溫度場的分布并不均勻,但隨著充汽時間的推移,溫度場逐漸均勻。3蒸汽蓄熱器水位變化規(guī)律本文采用CFX計算軟件,對船用蒸汽蓄熱器緩慢和快速充汽過程的動態(tài)性能進行了數(shù)值模擬,并分析了運行參數(shù)的特性及影響因素。1)緩慢充汽過程中,蒸汽蓄熱器的壓力和溫度均呈先快速上升再下降的變化規(guī)律,模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。2)緩慢充汽起始階段,蒸汽蓄熱