不同運行條件下船用蒸汽蓄熱器的充汽特性

孫寶芝，郭家敏，史智俊，楊龍濱，宋福元

（1哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱150001；2中國船舶重工集團公司第703研究所，黑龍江 哈爾濱150078）

引 言

船用蒸汽蓄熱器以其優(yōu)越的工作特性被應用于航空母艦蒸汽彈射系統(tǒng)，其作為能量存儲設備為艦載機的彈射提供所需蒸汽［1－3］，它的應用可以緩沖彈射過程帶給鍋爐的巨大擾動，為系統(tǒng)的平穩(wěn)運行提供有利條件［4－5］。由于船用蒸汽蓄熱器內同時存在蒸汽與水兩種相態(tài)工質，在極短時間的充汽過程中，蓄熱器內部存在多種復雜的熱量、質量傳遞與流動過程，在此過程中水和蒸汽的參數(shù)均會發(fā)生劇烈的變化，因此船用蒸汽蓄熱器內部工質狀態(tài)參數(shù)變化趨勢及機理的相關研究對于船用蒸汽蓄熱器的優(yōu)化及保障艦載機彈射過程的安全運行至關重要。

目前國內外學者對蒸汽蓄熱器系統(tǒng)已經(jīng)做了廣泛研究［6－15］，胡繼敏 等［8－11］根據(jù) 變 質 量 熱 力 學 與 黏性流體力學，針對蒸汽蓄熱器的充汽過程，建立了充汽數(shù)學及仿真模型，研究了蓄熱器系統(tǒng)的充汽動態(tài)特性及受汽源參數(shù)的影響情況。楊元龍等［12－13］根據(jù)船用蒸汽蓄熱器的運行特點，利用CFX計算軟件對蒸汽蓄熱器的充汽過程進行數(shù)值模擬，研究緩慢與快速兩種充汽模式下蓄熱器的動態(tài)特性，同時探討了蓄熱器水位及初始壓力對充汽過程系統(tǒng)內各物理參數(shù)的影響規(guī)律。Baldini等［14］針對蒸汽蓄熱器的實際工作特點，認為蓄熱器的筒體在工作過程中是絕熱的，同時不考慮金屬筒體蓄熱引起的工質溫度及蒸汽質量的變化，通過集總參數(shù)法建立了蓄熱器的計算模型。Shnaider等［15］通過一系列簡化處理搭建了可用于描述蓄熱器工作過程的數(shù)學模型，此模型中蓄熱器內部工質的狀態(tài)參數(shù)均由壓力決定，作者通過對比仿真結果與真實的實驗數(shù)據(jù)，證實了模型的準確性。

目前只有美國全面地掌握了蒸汽彈射器的設計與制造技術，由于其特殊的軍事應用背景以及相關國家出于對事關國防核心技術的封鎖，使得相關研究的文獻報道很少。鑒于此，本文借助小型船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)，以增壓鍋爐提供所需過熱蒸汽，在分析船用蒸汽蓄熱器的實際工作特性及控制邏輯后，通過控制變量法有針對性地對幾個可能影響蒸汽蓄熱器充汽性能的運行參數(shù)進行了研究，考察運行參數(shù)的改變對蓄熱器內部工質狀態(tài)參數(shù)影響規(guī)律，為系統(tǒng)優(yōu)化和控制提供技術依據(jù)。

1 船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)

本文所利用的船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)及其主要結構參數(shù)、技術指標以及測量儀器型號和誤差等參見文獻 ［16］。為了研究船用蒸汽蓄熱器在工作過程中內部工質的溫度分布情況，本文在文獻［16］ 中實驗系統(tǒng)基礎上，在船用蒸汽蓄熱器內部加裝了一個多點熱電偶 （測量精度為0.4%），多點熱電偶上設有10個不均勻分布的溫度測點，用以測量蒸汽蓄熱器內工質不同高度處的溫度分布，其中多點熱電偶上的第1～7點的間距均為50 mm，第7點與第8點的間距為140mm，第8～10測點間的間距為100mm。多點熱電偶上的第1點距離蓄熱器最低點的距離為60mm，即熱電偶上第1點測量的是蓄熱器水位為60mm處的溫度，多點熱電偶的具體安裝位置及測點分布如圖1所示。

圖1 多點熱電偶的安裝位置及測點分布Fig.1 Installation location and distribution of measuring points of multipoint thermocouple

2 實驗結果及分析

船用蒸汽蓄熱器為艦載機的彈射過程提供所需蒸汽，蒸汽的參數(shù)對于確保系統(tǒng)平穩(wěn)安全運行極其重要，而蒸汽參數(shù)主要受蓄熱器充汽特性與其內部工質熱力參數(shù)的影響，因此本文結合船用蒸汽蓄熱器的實際工作特點，借助船用蒸汽蓄熱器實驗臺進行不同條件下的充汽實驗，研究蓄熱器的充汽特性及其內部工質熱力參數(shù)的變化規(guī)律。

2.1 充汽過程中工質溫度分布

在船用蒸汽蓄熱器的充汽過程中，充入的過熱蒸汽會與蓄熱器內的低溫飽和水進行強烈的對流換熱，由于充入蒸汽的流量大、用時短，該混合過程能否充分、迅速地進行，直接關系到蓄熱器內部工質的溫度分布［17－19］，因此本文借助船用蒸汽蓄熱器實驗臺進行一組充汽實驗，以期解析船用蒸汽蓄熱器工質溫度分布的機理。實驗具體參數(shù)設置：蓄熱器的初始水位為380mm，充汽流量為0.17kg·s－1，蓄熱器充汽初壓與充汽終壓分別為0.79與1.2MPa，充汽閥后溫度及壓力分別為283℃與1.25MPa。所得實驗結果如圖2所示。

圖2 蓄熱器內工質的溫度變化Fig.2 Temperature of working medium curve of steam accumulator

圖2為蓄熱器上設有的多點熱電偶所測蓄熱器內部不同高度處的溫度分布，由圖中的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在過熱蒸汽進入蓄熱器的初始階段，蒸汽溫度要早于水溫變化，并且在整個充汽過程中蒸汽的溫度要高于水溫，當充汽閥完全關閉后，蒸汽溫度逐漸降低而水溫逐漸升高。水溫變化滯后于汽溫變化是因為蓄熱器中存儲有大量飽和水，當蒸汽進入與工質水發(fā)生熱質傳遞時由于水的質量慣性以及熱慣性導致水溫變化較慢，同時由于水的比熱容較大以及充入的蒸汽未能與水進行充分混合換熱致使水溫變化遲于蓄熱器內蒸汽溫度變化。在蓄熱器內部工質由非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡的階段，由于蒸汽在不均衡勢差的作用下冷凝，蒸汽溫度隨著蓄熱器壓力的降低而降低，相反水在接受來自蒸汽冷凝所帶來的能量后溫度逐漸升高，直至二者達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。由圖中水空間測點1、4、7的溫度變化還可以發(fā)現(xiàn)，在充汽過程中，三個溫度測點所測溫度均有所升高，但三者存在一定差異，出現(xiàn)了溫度分層現(xiàn)象。在水溫變化后期，測點1的溫度逐漸下降，測點4與測點7的溫度隨著蒸汽的冷凝而逐漸升高，但前者溫度的增加速率要小于后者，最終兩個測點的溫度逐漸趨近于蒸汽溫度。造成上述現(xiàn)象的原因在于多點熱電偶上的10個測點由下至上分別測量蓄熱器不同高度的溫度，由于測點1處于最底層，接近金屬筒體，在水溫變化后期，由于金屬蓄熱的影響，使得水溫高于金屬筒體的溫度，因此水會將一部分熱量傳遞給金屬筒體，致使測點1的溫度逐漸下降，但由于此時已沒有蒸汽充入，水空間缺少混合換熱的驅動力，使得水空間不同高度層間的傳熱過程緩慢，因此水空間的溫度發(fā)生了分層現(xiàn)象。測點7的溫度快速升高是因為蒸汽冷凝放出的熱量被與蒸汽接觸的上層水吸收，而冷凝下來的水溫又高于原有水溫。

2.2 不同條件下蓄熱器的充汽特性

船用蒸汽蓄熱器的充汽流量決定著蓄熱器能量存儲的速率，而充汽初壓及充水系數(shù)制約著蓄熱器能量的存儲數(shù)量與質量，因此對于以存儲能量著稱的蒸汽蓄熱器，研究其充汽流量、充汽初壓以及充水系數(shù)改變時蓄熱器內部工質熱力參數(shù)的變化規(guī)律對于保障彈射過程的安全性極其必要。

（1）充汽流量對充汽性能影響

設定船用蒸汽蓄熱器的初始水位為380mm，蓄熱器充汽初壓與充汽終壓分別為0.79與1.2 MPa，已知充汽閥后溫度及壓力分別為283℃與1.25MPa。利用船用蒸汽蓄熱器實驗臺進行了3組充汽流量分別為0.17、0.22、0.26kg·s－1的充汽實驗，相應的實驗結果如圖3～圖6所示。

圖3 不同充汽流量下蓄熱器壓力變化曲線Fig.3 Variation in pressure for different charged steam flows

從圖3中蓄熱器壓力的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，充汽過程中由于過熱蒸汽的充入，蓄熱器壓力急劇升高，當壓力升至充汽預設的壓力數(shù)值后，充汽閥接受壓力反饋信號迅速關閉，此時不再有蒸汽進入，但蒸汽蓄熱器的壓力并沒有穩(wěn)定在充汽閥完全關閉時刻的數(shù)值，而是隨著其內部非平衡過程的進行而繼續(xù)變化。造成這種現(xiàn)象的原因是：在充汽過程中，高溫高壓的過熱蒸汽對蓄熱器內的冷水進行加熱，同時未完全凝結蒸汽進入蓄熱器汽空間，致使蓄熱器內部壓力迅速升高，蓄熱器內部原本處于飽和態(tài)的工質水由于壓力的升高而成為過冷水，在充汽閥關閉后由于相變的滯后性導致工質水并未達到飽和參數(shù)，因此在勢差的作用下蒸汽繼續(xù)冷凝，導致蓄熱器壓力下降。在此過程中，蓄熱器內部工質由非穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡，當水完全達到飽和參數(shù)后，蒸汽不再冷凝，蓄熱器壓力也不再發(fā)生變化。對于充汽流量分別為0.17、0.22、0.26kg·s－1的3組充汽實驗，蓄熱器壓力達到預設的壓力值所需的時間分別為109.5、82.5、68s，壓力最終穩(wěn)定的數(shù)值分別為1.096、1.087、1.081MPa，即充汽流量越大，蓄熱器所需的充汽時間越短，由不均衡勢差導致的壓降越大。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因是因為充汽流量越大，意味著單位時間進入蓄熱器與工質水進行換熱的蒸汽越多，同等條件下進入汽空間的未凝結蒸汽量也會隨之增大，進而導致蓄熱器壓力迅速升高至設定值，同時充汽時間的縮短造成充汽結束后工質水的狀態(tài)參數(shù)偏離飽和參數(shù)的情況加劇，在充汽閥完全關閉后，蓄熱器內部的不平衡勢差增加，導致充汽閥關閉后蒸汽的凝結量增加，從而造成蓄熱器最終穩(wěn)定的壓力值降低。

圖4 不同充汽流量下壓降百分比變化曲線Fig.4 Variation in pressure drop ratio for different charged steam flows

圖5 不同充汽流量下水溫變化曲線Fig.5 Variation in water temperature for different charged steam flows

圖6 不同充汽流量下蒸汽溫度變化曲線Fig.6 Variation in steam temperature for different charged steam flows

圖4反映了壓降比與充汽流量的關系，所謂的壓降比是指蓄熱器充汽閥關閉后的壓降值與充汽過程中壓力增加值的比值，壓降比是衡量蓄熱器內部不均衡勢差強弱的一個重要指標，是蒸汽蓄熱器實際運行中需要重點關注的性能參數(shù)。在充汽流量逐漸增加的3組充汽實驗中，蓄熱器的壓降比分別為25.4%、27.6%、29.0%，即由不均衡勢差引起的壓降比與充汽流量呈正比，這種現(xiàn)象的原因與上述壓力變化過程的解析是一致的。

由圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在充汽流量逐漸增加的3組充汽實驗中，水溫增加的速率分別近似為0.122、0.146、0.181℃·s－1，蒸汽溫度增加的速率分別近似為0.129、0.158、0.187℃·s－1，也就是說3組實驗中蒸汽與水的溫度變化速率均隨充汽流量的增加而加快，這是因為對于3組實驗單位時間內進入蒸汽蓄熱器的能量分別為511.3、661.7、782.0kJ，單位時間注入能量的增加有助于提高蓄熱器的能量存儲速率，促使水溫與蒸汽溫度能以更快的速率增長。由圖6還可以發(fā)現(xiàn)3組實驗所得蒸汽的溫度在達到峰值后均逐漸降低，但最終穩(wěn)定的溫度值隨著充汽流量的增加而逐漸降低。這是因為充汽流量越大蓄熱器達到飽和平衡態(tài)時壓力越低，因此所對應的飽和溫度越低。

（2）充汽初始壓力對充汽性能影響

設定船用蒸汽蓄熱器的初始水位為380mm，充汽流量為0.25kg·s－1，充汽初壓與充汽終壓壓差一定，已知充汽閥后溫度及壓力分別為285℃與1.25MPa。利用船用蒸汽蓄熱器實驗臺進行了3組充汽初壓分別為0.55、0.65、0.75MPa的充汽實驗，相應的實驗結果如圖7～圖10所示。

圖7 不同充汽初壓下蓄熱器壓力變化曲線Fig.7 Variation in pressure for different initial pressure of charging

圖8 不同充汽初壓下壓降百分比變化曲線Fig.8 Variation in pressure drop ratio for different initial pressure of charging

圖9 不同充汽初壓下水溫變化曲線Fig.9 Variation in water temperature for different initial pressure of charging

圖10 不同充汽初壓下蒸汽溫度變化曲線Fig.10 Variation in steam temperature for different initial pressure of charging

由圖7中蓄熱器不同充汽初壓下的壓力對比曲線可以發(fā)現(xiàn)，在充汽壓差一定的情況下隨著充汽初始壓力的升高，蒸汽蓄熱器的充汽時間逐漸縮短為90.5、82、73.5s。造成這種現(xiàn)象的原因在于在充汽壓差一定的情況下，蒸汽蓄熱器單位水體積的蓄熱量隨著充汽初始壓力的升高而降低［20］，因此蓄熱器的初始壓力越高，蓄熱器越容易達到充汽結束壓力預設值。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)由于充汽閥關閉后蓄熱器內部不均衡勢差的存在導致壓力出現(xiàn)回落，對于初始壓力為0.55、0.65、0.75MPa的3組充汽實驗，蓄熱器壓力的回落值分別為0.096、0.111、0.124MPa，壓降比分別為24%、27.8%、31%，上述現(xiàn)象的發(fā)生是因為充汽初始壓力越高，蓄熱器的充汽時間越短，充入的過熱蒸汽與水混合換熱越不充分，充汽后蒸汽與水之間的不平衡勢差越大，因此壓降比越大。由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，3種不同充汽初壓下蓄熱器的水溫變化趨勢基本相同，均隨著充汽過程的進行而增加，并最終趨于穩(wěn)定。蒸汽的溫度在達到峰值后，伴隨著非平衡熱力過程的進行而有所降低，最終達到穩(wěn)定壓力下的飽和溫度。同時還能從圖中獲知3組充汽實驗中水溫增加的速率均近似于0.15℃·s－1，蒸汽溫度增加的速率均近似于0.18℃·s－1，這是因為水溫與蒸汽溫度增加的速率主要受單位時間充入的能量的影響，由于3組實驗中除充汽初始壓力不同外，其他條件均相同，因此3組實驗中的水溫與蒸汽溫度增加的速率分別相同。

（3）充汽初始水位對充汽性能影響

設定船用蒸汽蓄熱器的充汽流量為0.24kg·s－1，蓄熱器充汽初壓與充汽終壓的壓力分別為0.75與1.2MPa，已知充汽閥后溫度及壓力分別為308℃與1.25MPa。利用船用蒸汽蓄熱器實驗臺進行了3組初始水位分別為368、419、445mm的充汽實驗，相應的實驗結果如圖11～圖14所示。

圖11 不同水位下蓄熱器壓力變化曲線Fig.11 Variation in pressure for different water level

圖12 不同水位下壓降百分比變化曲線Fig.12 Variation in pressure drop ratio for different water level

圖13 不同水位下水溫變化曲線Fig.13 Variation in water temperature for different water level

圖14 不同水位下蒸汽溫度變化曲線Fig.14 Variation in steam temperature for different water level

由圖11中不同充汽水位情況下的壓力對比曲線可以發(fā)現(xiàn)，初始水位越高，蒸汽蓄熱器充到指定壓力所需的充汽時間越長，對于3種不同初始水位的充汽實驗，充汽時間分別為69、88、99.5s。造成這種現(xiàn)象的原因是因為充汽初始時刻蓄熱器內部存儲的飽和水越多，水所具有的熱慣性越大，在充入能量一定的情況下蓄熱器內壓力變化幅度越小，同時冷水質量的增多為充入蒸汽與水混合換熱冷凝過程提供了更有利的條件，在上述兩方面的共同作用下使得蓄熱器的充汽時間變長。同時從圖中還可以發(fā)現(xiàn)蓄熱器內部壓力最終穩(wěn)定的數(shù)值隨著水位的升高而逐漸增大為1.075、1.08、1.088MPa，這是因為蓄熱器初始水位的增加有助于蒸汽與水間的能質傳遞，蒸汽在與水充分混合換熱后進入蒸汽空間的質量就會相應減少，進一步為工質間的換熱爭取了時間，這樣就會削弱充汽閥完全關閉后蓄熱器內部的非平衡熱力過程。蓄熱器的壓降比與初始水位的關系示于圖12，對于初始水位分別為368、419、445mm的充汽實驗，蓄熱器的壓降比分別為29.6%、28.8%、26.6%，這與上述壓力曲線的分析結果吻合。

由圖13與圖14中蓄熱器水溫與蒸汽溫度的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽蓄熱器的水位越低，水溫與蒸汽溫度變化越快，這是因為在充汽壓差一定的情況下，蓄熱器的蓄熱量隨著水位的降低而變小，而單位時間進入蒸汽蓄熱器的能量一定，因此水與蒸汽的狀態(tài)參數(shù)更易發(fā)生改變。同時由圖14中蒸汽溫度變化的對比曲線可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽溫度穩(wěn)定時刻的數(shù)值隨著水位的減小而變小，這是因為初始水位越低，蓄熱器在達到飽和平衡態(tài)時的壓力越低，此時壓力所對應的蒸汽的飽和參數(shù)也就越低。

由上述3種不同條件下的充汽實驗可知：充汽流量的增加雖然會縮短船用蒸汽蓄熱器的充汽時間，但同時會加劇蓄熱器中的不均衡勢差；充汽初壓的提升有利于船用蒸汽蓄熱器能量的快速存儲，在充汽壓差一定的情況下充汽初始壓力的提高將會降低蓄熱器中的蓄熱量，雖然較低的充汽初壓能夠更好地起到能量存儲的作用，但卻很難保證負載對于蒸汽參數(shù)的要求；初始水位的增加雖然有利于蓄熱器存儲更多的能量，但會使得船用蒸汽蓄熱器的充汽時間變長，對系統(tǒng)的機動性有負面影響，因此應結合彈射過程的實際需求，不能一味地追求能量的存儲數(shù)量，同時要兼顧艦載機彈射對于時間上的要求。

3 結 論

本文利用船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)，針對可能影響蒸汽蓄熱器充汽性能的關鍵參數(shù)，通過控制變量法研究蓄熱器初始參數(shù)的改變對蓄熱器內部工質熱力參數(shù)的影響情況，得出如下結論：

（1）在充汽過程中由于受金屬蓄熱以及閃蒸、冷凝過程的影響，工質水的溫度出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，蓄熱器底層水溫較低，上層水溫較高。

（2）在充汽實驗中，蓄熱器的壓力并沒有穩(wěn)定在充汽閥完全關閉時刻的數(shù)值，而是隨著其內部工質由非平衡態(tài)過渡為平衡態(tài)的過程出現(xiàn)反向降低并最終穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此在艦載機的彈射過程中要充分考慮由非平衡熱力過程引起的壓力變化可能對彈射過程帶來的潛在危險，在實際控制中可以通過提高充汽預設壓力值來保證彈射過程的用汽需求。

（3）充汽流量、充汽初壓、初始水位對蓄熱器內部工質的熱力參數(shù)影響顯著，在實際應用中應結合彈射自身需求對工作參數(shù)進行合理設置。在充汽過程中由不均衡勢差引起的壓降比隨著儲存水質量的減小和單位時間注入能量的提升而變大。

（4）由于相變過程的延遲效應，導致蓄熱器中的工質溫度變化慢于壓力的變化，同時由于水具有的熱慣性導致工質水的溫度變化速率要小于蒸汽溫度的變化速率。

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