矩形通道內(nèi)蒸汽射流凝結(jié)換熱面積的實(shí)驗(yàn)研究

宗瀟, 劉繼平, 楊赪石, 嚴(yán)俊杰

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 710075, 西安; 3.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

超聲速氣液兩相流升壓裝置利用超聲速蒸汽流作為動(dòng)力源,在受限的通道內(nèi)與低壓過冷水相遇發(fā)生汽水直接接觸凝結(jié)過程,氣液兩相流在流動(dòng)受阻的情況下產(chǎn)生凝結(jié)激波,實(shí)現(xiàn)壓力的突升,得到壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)口蒸汽壓力的高壓水流,在提升壓力的同時(shí)能夠加熱水流,是一種能夠快速啟動(dòng)、具有良好自調(diào)節(jié)性能、無運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件的特殊升壓加熱裝置,具有高效、節(jié)能、可靠性高等特點(diǎn),在電力、化工、軍工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

在超聲速氣液兩相流升壓裝置內(nèi)主要發(fā)生高速蒸汽射流在過冷水中的直接接觸凝結(jié)現(xiàn)象,從19世紀(jì)70年代開始,針對(duì)蒸汽射流凝結(jié)過程,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Simpson等對(duì)亞聲速蒸汽浸沒射流凝結(jié)進(jìn)行了可視化研究,觀察到了氣液界面的周期性運(yùn)動(dòng)[3]。Chun等在聲速蒸汽浸沒射流研究中觀察到了圓錐形和橢圓形兩種穩(wěn)定的射流凝結(jié)形態(tài),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了基于過冷水溫度和蒸汽質(zhì)量流率的射流流型圖[4]。Kerney等對(duì)聲速蒸汽在過冷水中的水平射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,假設(shè)氣液界面為一個(gè)光滑的表面,蒸汽的凝結(jié)全部發(fā)生在氣液界面上,得到了汽羽無量綱穿透長度關(guān)于蒸汽質(zhì)量流率和冷凝勢(shì)的半經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[5]。Weimer等利用積分形式的動(dòng)量、能量以及質(zhì)量守恒方程給出了汽羽穿透長度的表達(dá)式,并加入汽水密度比對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正[6]。Kim等提出了3種界面?zhèn)鬏斈Ｐ汀牧鲝?qiáng)度模型、表面恢復(fù)模型和剪切力模型以預(yù)測(cè)平均凝結(jié)換熱系數(shù)[7]。Eden等發(fā)現(xiàn)蒸汽射流凝結(jié)流場(chǎng)中靜壓的振蕩是由汽羽內(nèi)部產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波引起的[8]。Khan等對(duì)超聲速蒸汽浸沒射流凝結(jié)氣液界面不穩(wěn)定性的傳播以及耗散進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明氣液界面不穩(wěn)定性的傳播與耗散受過冷水溫度以及蒸汽入口壓力的影響,過冷水溫度對(duì)界面不穩(wěn)定性的影響更加顯著[9]。徐強(qiáng)等在蒸汽與低速過冷水豎直同向流動(dòng)的射流凝結(jié)實(shí)驗(yàn)中得到的平均凝結(jié)換熱系數(shù)在0.34～11.36 MW·m-2· ℃-1之間[10]。武心壯等使用熱平衡方法計(jì)算得到的超聲速蒸汽浸沒射流平均凝結(jié)換熱系數(shù)在0.7～2.5 MW·m-2· ℃-1之間[11]。李濤等對(duì)矩形通道內(nèi)高速蒸汽與過冷水直接接觸凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行了可視化研究,實(shí)驗(yàn)中觀察到了不穩(wěn)定射流、穩(wěn)定射流和發(fā)散射流[12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)方法成為研究蒸汽射流凝結(jié)過程的重要手段。Shah等采用熱平衡相變模型對(duì)蒸汽浸沒射流現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,以計(jì)算得到的汽羽形狀以及溫度分布與武心壯等人的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果吻合良好,從而驗(yàn)證了相變模型的正確性[13]。在此基礎(chǔ)上,周輪等研究了環(huán)境壓力對(duì)蒸汽射流凝結(jié)過程的影響,得到了環(huán)境壓力越高射流凝結(jié)穿透長度越短的結(jié)論[14]。

凝結(jié)換熱界面是氣液兩相進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換的關(guān)鍵區(qū)域,凝結(jié)換熱面積是影響局部空間內(nèi)換熱強(qiáng)度的重要因素,決定著超聲速氣液兩相流升壓裝置的升壓加熱性能。本文通過分析可視化流場(chǎng),結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,提出了計(jì)算蒸汽射流凝結(jié)過程中氣液兩相換熱面積的計(jì)算模型,給出了換熱面積隨實(shí)驗(yàn)條件的變化規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)揭示蒸汽射流凝結(jié)的升壓機(jī)理,以及超聲速氣液兩相流升壓裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

圖1為蒸汽射流凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由鍋爐、給水泵、冷卻塔、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)段、水箱、可視化系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽通過調(diào)節(jié)閥以及縮放型蒸汽噴嘴進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段,與溫度較低的流動(dòng)過冷水在矩形截面的混合腔中相遇,發(fā)生高速蒸汽射流與過冷水的直接接觸凝結(jié)過程。

圖2為可視化實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)布置示意圖。實(shí)驗(yàn)段采用矩形截面的蒸汽與水噴嘴,高速蒸汽射流的凝結(jié)只在與水噴嘴出口相鄰的蒸汽噴嘴上方進(jìn)行,因此其流場(chǎng)為準(zhǔn)二維流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)段前后壁面安裝耐高溫玻璃,其與混合腔上下壁面組成矩形混合腔。通過耐高溫玻璃構(gòu)成的可視化窗口可以觀察和拍攝混合腔內(nèi)的凝結(jié)流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)段主要尺寸和實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

圖2 可視化實(shí)驗(yàn)段示意圖

參數(shù)數(shù)值入口過冷水流率Gw/t·m-2·s-14～18入口蒸汽流率Gs/ kg·m-2·s-1200～600入口過冷水溫度/℃20～50蒸汽噴嘴喉部尺寸/mm×mm8×8蒸汽噴嘴出口尺寸/mm×mm10×10水噴嘴出口尺寸/mm×mm8×10混合腔尺寸/mm×mm19×10混合腔長度/mm250

本實(shí)驗(yàn)使用全自動(dòng)電熱鍋爐產(chǎn)生飽和蒸汽,其額定壓力為0.7 MPa,最大蒸發(fā)量為0.4 t·h-1;實(shí)驗(yàn)時(shí)高速攝像機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為20 μs,采樣頻率為10 kHz;溫度測(cè)量使用K型熱電偶,適用量程為0～150 ℃,溫度不確定度為1 ℃;入口過冷水流量使用電磁流量計(jì)測(cè)量,量程為0～10 t·h-1,測(cè)量精度為0.2級(jí),蒸汽質(zhì)量流量使用渦街流量計(jì)測(cè)量,量程為0～0.27 t·h-1,測(cè)量精度為1級(jí)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 蒸汽射流凝結(jié)流場(chǎng)

前人對(duì)蒸汽射流凝結(jié)的研究大多采用圓形截面噴嘴[7,10-11],其可視化流場(chǎng)如圖3a所示。圓形噴嘴射流凝結(jié)流場(chǎng)主要包括汽羽區(qū)、過冷水區(qū)、氣液兩相區(qū)和相界面4個(gè)區(qū)域。其中,汽羽為內(nèi)部純蒸汽連續(xù)流動(dòng)的區(qū)域,過冷水區(qū)為外部幾乎不受蒸汽凝結(jié)影響的單相液態(tài)過冷水流動(dòng)的區(qū)域;在汽羽和過冷水區(qū)之間為氣液兩相區(qū);汽羽與氣液兩相區(qū)由相界面隔開。使用圓形截面噴嘴時(shí),蒸汽的凝結(jié)在其流出噴嘴后與過冷水相遇的各個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行,因此其流場(chǎng)為三維流場(chǎng)。在三維流場(chǎng)中,由于氣液兩相區(qū)的包裹和遮擋,很難觀察到汽羽內(nèi)部與相界面。

本文使用矩形截面的蒸汽噴嘴、過冷水噴嘴以及混合腔,由于過冷水噴嘴布置在蒸汽噴嘴正上方,蒸汽的凝結(jié)僅在噴嘴上方進(jìn)行,形成了準(zhǔn)二維流場(chǎng),如圖3b所示。同樣地,流場(chǎng)也由汽羽、過冷水區(qū)、氣液兩相區(qū)和相界面4個(gè)區(qū)域組成。在汽羽內(nèi)部,蒸汽流速較高,能量較大。在高速蒸汽流出噴嘴進(jìn)入混合腔時(shí),噴嘴周圍會(huì)形成一個(gè)真空區(qū),對(duì)過冷水有引射作用,促使更多的過冷水進(jìn)入混合腔[13];過冷水區(qū)為溫度較低的單相液態(tài)水區(qū),隨著蒸汽的凝結(jié),其溫度沿流動(dòng)方向逐漸升高。

氣液兩相區(qū)為大量蒸汽霧化形成的小氣泡與被卷吸入此區(qū)域內(nèi)的液滴組成的蒸汽-水氣液兩相混合區(qū)。此區(qū)域內(nèi)蒸汽以氣泡的形式存在,氣液兩相均處于強(qiáng)烈的湍流狀態(tài),并形成大量的小旋渦,小旋渦會(huì)促進(jìn)氣液兩相間的換熱,同時(shí)還會(huì)使更多的過冷水液滴與蒸汽卷吸入氣液兩相區(qū),進(jìn)一步強(qiáng)化凝結(jié)換熱過程。因此,氣液兩相區(qū)是蒸汽凝結(jié)的主要區(qū)域,相界面為氣液兩相區(qū)與汽羽之間只有幾個(gè)分子或幾十個(gè)分子厚度的區(qū)域,界面的波動(dòng)特性對(duì)汽羽形狀和氣液兩相區(qū)內(nèi)蒸汽的凝結(jié)有很大影響[15]。

通過對(duì)比圖3a和3b可以看出,圓形噴嘴射流凝結(jié)流場(chǎng)和矩形噴嘴射流凝結(jié)流場(chǎng)均由汽羽、過冷水區(qū)、氣液兩相區(qū)和相界面組成,各區(qū)域流動(dòng)特征和形成機(jī)理也是相同的,矩形噴嘴形成的凝結(jié)流場(chǎng)相當(dāng)于圓形噴嘴時(shí)沿蒸汽流動(dòng)方向縱剖面的上半部分。它們的區(qū)別在于,使用圓形截面蒸汽噴嘴時(shí),形成的是一個(gè)三維流場(chǎng),使用矩形截面噴嘴時(shí),形成了準(zhǔn)二維流場(chǎng)。因此,蒸汽噴嘴截面形狀對(duì)射流凝結(jié)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響不大,由此可以推斷,不同截面形狀噴嘴的蒸汽射流凝結(jié)過程均遵守相同的凝結(jié)換熱機(jī)理,圓形噴嘴蒸汽射流凝結(jié)結(jié)果及結(jié)論均可用于研究矩形噴嘴的蒸汽射流凝結(jié)過程。

平均凝結(jié)換熱系數(shù)是表征射流凝結(jié)換熱特性的重要參數(shù),前人學(xué)者大多根據(jù)汽水間的熱平衡計(jì)算凝結(jié)換熱系數(shù)

have=mshfg/AaveΔtsub

(1)

式中:ms為蒸汽質(zhì)量流量;hfg為蒸汽凝結(jié)潛熱;Δtsub為換熱溫差;Aave為平均凝結(jié)換熱面積。

式(1)中蒸汽質(zhì)量流量、凝結(jié)潛熱以及換熱溫差均可由直接測(cè)量得到,而對(duì)于換熱面積,前人學(xué)者均假設(shè)蒸汽的凝結(jié)全部在相界面完成,穿過相界面,蒸汽全部凝結(jié)為液態(tài)水。因此,在實(shí)驗(yàn)中計(jì)算得到了較大的平均凝結(jié)換熱系數(shù),甚至達(dá)10 MW/(m2· ℃)[7,10-11]。由流場(chǎng)中各區(qū)域的分析可知,汽羽內(nèi)蒸汽的凝結(jié)并不是全部發(fā)生在相界面,而是在相界面處霧化成小氣泡進(jìn)入氣液兩相區(qū)逐漸凝結(jié)的,因此實(shí)際由蒸汽氣泡形成的換熱面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的相界面面積。由于氣液兩相區(qū)內(nèi)的蒸汽相為大量不同直徑的氣泡,因此目前很難通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量的方法獲得氣液兩相區(qū)內(nèi)的換熱面積。

(a)圓形噴嘴射流凝結(jié)流場(chǎng)[7]

(b)矩形噴嘴射流凝結(jié)流場(chǎng)圖3 蒸汽射流凝結(jié)流場(chǎng)

圖4 熱平衡相變模型示意圖

2.2 換熱面積的計(jì)算

近些年,一些學(xué)者使用熱平衡相變模型對(duì)蒸汽射流凝結(jié)過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,熱平衡相變模型示意如圖4所示。在此模型中,認(rèn)為氣液兩相區(qū)內(nèi)的蒸汽均為氣泡,在蒸汽側(cè),蒸汽和界面的能量交換為

Qg=qg-mfgHgi

(2)

式中:Qg為蒸汽傳遞到換熱界面的總能量;qg為蒸汽和界面的熱量交換;mfg為質(zhì)量交換速率;Hgi為蒸汽和界面的焓差。在過冷水側(cè)

Qf=qf+mfgHfi

(3)

式中:Qf為換熱界面?zhèn)鬟f給過冷水的總能量;Hfi為界面和過冷水的焓差;qf為界面和過冷水的換熱量

qf=hfAi(ti-tf)

(4)

其中ti為界面溫度,tf為過冷水溫度,hf為換熱界面和過冷水間的換熱系數(shù)。進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí),每一計(jì)算單元內(nèi)的換熱面積為

ai=6αg/dg

(5)

式中:αg為蒸汽空泡率;dg為氣泡直徑,其與水的過冷度θ=ti-tf有關(guān)

(6)

其中d0和d1分別為參考過冷度下的氣泡直徑,當(dāng)θ0=13.5 ℃時(shí),d0=1.5×10-4m,而當(dāng)θ1=0 ℃時(shí),d1=1.5×10-3m。界面和過冷水間的換熱系數(shù)可由下式計(jì)算

hf=kfNuf/dg

(7)

(8)

式中:kf為導(dǎo)熱系數(shù);Pr為過冷水的普朗特?cái)?shù);Rer為相對(duì)雷諾數(shù)

Rer=|Ug-Uf|dg/νf

(9)

此外,蒸汽和界面間的換熱量為

qg=hgAiαf(ti-tg)

(10)

將蒸汽看做氣泡的凝結(jié)過程時(shí),其換熱系數(shù)為

hg=104W/(m2·℃)

(11)

由能量平衡可知Qf=Qg,因此結(jié)合式(2)和(3)可得氣液間的質(zhì)量交換速率為

(12)

采用熱平衡相變模型,Gulawani等對(duì)聲速蒸汽射流凝結(jié)過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,并將模擬結(jié)果與Kim等的汽羽穿透長度、軸向和徑向溫度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果符合較好[16]。近兩年,周輪等將熱平衡相變模型以自定義函數(shù)的方式寫入流體力學(xué)計(jì)算軟件來模擬超聲速蒸汽浸沒設(shè)立現(xiàn)象,并將蒸汽空泡率的分布與Kim等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]進(jìn)行了對(duì)比,如圖5所示,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好[14]。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果[14]與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7]的對(duì)比

以上研究結(jié)果表明,采用熱平衡相變模型,并將蒸汽相看成氣泡可以得到很好的數(shù)值模擬結(jié)果。同時(shí),由式(7)和(8)計(jì)算得到的凝結(jié)換熱系數(shù)適用于蒸汽射流凝結(jié)過程。因此,在實(shí)驗(yàn)研究中,氣液兩相區(qū)內(nèi)總的換熱面積可由下式計(jì)算

Ai=mshfg/hfΔtsub

(13)

圖6 換熱面積隨蒸汽質(zhì)量流率的變化

圖7 換熱面積隨過冷水質(zhì)量流率的變化

圖8 換熱面積隨過冷水溫度的變化

圖6～圖8分別給出了換熱面積隨蒸汽質(zhì)量流率、過冷水質(zhì)量流率以及過冷水溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯?實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的換熱面積在2.4×10-3～7.8×10-3m2之間,換熱面積隨蒸汽質(zhì)量流率和過冷水溫度增大而增大,隨過冷水質(zhì)量流率增大而減小。這是由于隨著蒸汽質(zhì)量流率的增大,換熱系數(shù)保持不變,此時(shí)需要更多的換熱面積使蒸汽凝結(jié),同樣地,隨著入口過冷水溫度的升高,汽水間的換熱溫差減小,單位面積上的換熱總量減少,因此需要更多的換熱面積,故換熱面積增大。隨著過冷水質(zhì)量流率的增大,過冷水流速增大,氣液兩相區(qū)內(nèi)的擾動(dòng)增大,換熱系數(shù)隨之增加,因此單位面積上的換熱量增加,換熱面積隨著過冷水質(zhì)量流率的增大而減小。

使用蒸汽噴嘴喉部面積將換熱面積歸一化,得到歸一化換熱面積A=Ai/Acr,以水噴嘴出口雷諾數(shù)Rew表示過冷水質(zhì)量流率的影響,歸一化蒸汽質(zhì)量流率Gs/Gm表示蒸汽質(zhì)量流率的影響,冷凝勢(shì)B表示過冷水溫度的影響,得到預(yù)測(cè)歸一化換熱面積的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

(14)

式中:B=cpΔtsub/hfg,cp為過冷水比定壓熱容;Gm為臨界蒸汽質(zhì)量流率,Gm=275 kg·m-2·s-1。

圖9給出了歸一化換熱面積預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。從圖中可以看出,預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,預(yù)測(cè)誤差在±10%以內(nèi)。

圖9 歸一化換熱面積預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

3 結(jié) 論

本文針對(duì)矩形通道內(nèi)的蒸汽射流凝結(jié)過程進(jìn)行了可視化研究,采用熱平衡相變模型獲得了換熱面積及其隨汽水參數(shù)的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)蒸汽噴嘴的截面形狀對(duì)射流凝結(jié)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響不大,不同截面形狀噴嘴的蒸汽射流凝結(jié)過程均遵守相同的凝結(jié)換熱機(jī)理;

(2)流場(chǎng)中的氣液兩相區(qū)是蒸汽凝結(jié)的主要區(qū)域,蒸汽在氣液兩相區(qū)內(nèi)以小氣泡的形式與過冷水完成能量交換;

(3)蒸汽射流換熱面積隨隨蒸汽質(zhì)量流率和過冷水溫度的增加而增加,隨過冷水質(zhì)量流率的增加而減小,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的換熱面積在2.4×10-3～7.8×10-3m2之間,換熱面積關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在±10%以內(nèi)。