閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器設(shè)計(jì)

韓勇軍, 楊赪石, 彭 博, 郭兆元, 路 駿, 馬為峰, 王晉中

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閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器設(shè)計(jì)

韓勇軍1, 楊赪石1, 彭 博1, 郭兆元1, 路 駿1, 馬為峰1, 王晉中2

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安 710077; 2. 山西平陽(yáng)機(jī)械廠代表室, 山西侯馬, 043002)

針對(duì)閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器, 建立了殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型, 運(yùn)用MATLAB編制了殼體冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。通過(guò)與實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比, 驗(yàn)證了該軟件具有較高的可信度, 可為殼體冷凝器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā), 優(yōu)化殼體冷凝器的結(jié)構(gòu)和性能, 提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率提供數(shù)據(jù)參考。

水下動(dòng)力系統(tǒng); 閉式循環(huán); 殼體冷凝器

0 引言

殼體冷凝器是閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分, 其作用是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)出口的過(guò)熱水蒸氣, 使其凝結(jié)成液態(tài)水以供系統(tǒng)循環(huán)使用[1-2]。殼體冷凝器工作性能的好壞直接影響到閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率和可靠性。研究和開(kāi)發(fā)高效的殼體冷凝器對(duì)于閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)的研制具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)鮮有針對(duì)閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器的工程應(yīng)用研究。

文章針對(duì)閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)的殼體冷凝器流動(dòng)換熱過(guò)程的特點(diǎn), 建立了殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用MATLAB編制了殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件, 并通過(guò)與實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比, 驗(yàn)證了該軟件的可信度。通過(guò)模擬殼體冷凝器實(shí)際運(yùn)行條件, 獲得其穩(wěn)定工況下主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)指標(biāo), 可為殼體冷凝器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā), 優(yōu)化殼體冷凝器的結(jié)構(gòu)和性能, 提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率提供直接的數(shù)據(jù)參考。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算模型

1.1 模型假設(shè)

結(jié)合殼體冷凝器特殊的使用和運(yùn)行環(huán)境, 采用內(nèi)、外兩層殼體的形式, 內(nèi)殼體外圓周布置冷卻通道, 外殼體為光滑圓筒形殼體[3-4]。

根據(jù)相關(guān)研究成果, 殼體冷凝器冷卻通道采用多組相互平行的矩形截面通道系統(tǒng)。冷卻通道可以與動(dòng)力系統(tǒng)殼體軸向平行, 也可做成螺旋線樣式[5-6]。冷卻通道整體結(jié)構(gòu)及通道剖面示意圖如圖1所示。

在計(jì)算時(shí)作以下假設(shè): 1) 冷卻通道間壁認(rèn)為是強(qiáng)化傳熱翅片, 計(jì)算時(shí)考慮翅片效率[1]; 2) 外部冷卻水溫度視為常溫, 內(nèi)部蒸汽流動(dòng)為1D穩(wěn)態(tài)流動(dòng); 3) 忽略蒸汽沿殼體冷凝器軸向的換熱, 只考慮垂直于殼體冷凝器軸向的換熱; 4) 不計(jì)導(dǎo)熱及散熱損失的影響。

1.2 計(jì)算模型

殼體冷凝器工作時(shí)換熱過(guò)程分為兩部分: 蒸汽與外管壁的對(duì)流換熱、外管壁與外部海水的對(duì)流換熱[7]。將殼體冷凝器分3個(gè)相區(qū)來(lái)考慮: 過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)、過(guò)冷區(qū)。相變流動(dòng)示意圖見(jiàn)圖2。

1.2.1 換熱量

各段換熱量可由下式計(jì)算得出[7]。

1.2.2 換熱溫差

過(guò)熱段和過(guò)冷段換熱溫差按照平均對(duì)數(shù)溫差計(jì)算[4]

飽和段溫差按下式計(jì)算

1.2.3 各相區(qū)蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

1) 過(guò)熱區(qū)

根據(jù)管內(nèi)湍流強(qiáng)迫對(duì)流換熱試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[7]可得過(guò)熱區(qū)努賽爾數(shù)

進(jìn)而可得過(guò)熱區(qū)蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

(5)

2) 兩相區(qū)

在兩相區(qū)采用Akers和Rosson的關(guān)聯(lián)式[8]:

進(jìn)而可得兩相區(qū)蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

(8)

3) 過(guò)冷區(qū)

式中:和cm為液體的普朗特?cái)?shù), 是根據(jù)液體核心處溫度及相應(yīng)壁溫求出。

進(jìn)而可得過(guò)冷區(qū)蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

1.2.4 冷卻水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

冷卻水側(cè)努賽爾數(shù)為

進(jìn)而可得過(guò)冷區(qū)蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

(12)

1.2.5 各相區(qū)傳熱系數(shù)

各相區(qū)傳熱系數(shù)可用下式求解。

式中:KH為殼體冷凝器外殼體的壁厚;cd為殼體冷凝器材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);為蒸汽冷卻通道寬度;為相鄰?fù)ǖ篱g壁厚度;為蒸汽冷卻通道高度;為相鄰?fù)ǖ篱g壁等效強(qiáng)化傳熱肋片效率。

(15)

對(duì)于多組矩形直通道而言, 相鄰?fù)ǖ篱g壁厚度可用下式估算

對(duì)于多組矩形螺旋通道而言, 相鄰?fù)ǖ篱g壁厚度可用下式估算

1.2.6 壓力求解模型

計(jì)算段蒸汽壓力

殼體冷凝器冷卻通道內(nèi)主要考慮由摩擦阻力引起的壓力降[9-10]。

在過(guò)熱區(qū)和過(guò)冷區(qū)摩擦阻力壓力降的計(jì)算公式為

對(duì)于兩相區(qū), 兩相流體的摩擦阻力壓力降為

(21)

1.2.7 各相區(qū)軸向長(zhǎng)度

各相區(qū)軸向長(zhǎng)度可用下式計(jì)算

2 設(shè)計(jì)計(jì)算軟件

根據(jù)殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算模型, 使用Matlab軟件編制殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件, 如圖3所示。

程序輸入?yún)?shù)包括冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等。輸出參數(shù)包括冷凝器幾何參數(shù)和性能參數(shù)。

根據(jù)殼體冷凝器結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)等計(jì)算初始參數(shù), 并假設(shè)每一相區(qū)的出口處蒸汽壓力, 依次計(jì)算換熱量、換熱溫差、對(duì)流換熱系數(shù)、傳熱系數(shù)和壓力損失, 可求得每一相區(qū)壓力。將此壓力作為迭代參數(shù)反復(fù)迭代計(jì)算直到所求解壓力與假設(shè)壓力滿(mǎn)足收斂條件。前一相區(qū)的輸出參數(shù)即為下一相區(qū)的輸入?yún)?shù)。根據(jù)上述求解過(guò)程可求出每一相區(qū)的軸向長(zhǎng)度和輸出參數(shù)。各相區(qū)的長(zhǎng)度相加在一起, 就是殼體冷凝器長(zhǎng)度。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例與驗(yàn)證

根據(jù)某項(xiàng)目研制的殼體冷凝器樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能試驗(yàn)數(shù)據(jù), 利用設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行校核計(jì)算。將實(shí)際產(chǎn)品通道及外形結(jié)構(gòu)參數(shù)、試驗(yàn)時(shí)蒸汽進(jìn)出口流量、壓力、溫度參數(shù)和冷卻水進(jìn)口溫度、流速參數(shù)等性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入到軟件中,計(jì)算得出冷凝器長(zhǎng)度并與實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果如表1~表5所示。

表1 實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)

注: 等效長(zhǎng)度=單通道長(zhǎng)度×通道數(shù)

表2 冷凝器直通道樣機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 冷凝器直通道樣機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 冷凝器螺旋通道樣機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 冷凝器螺旋通道樣機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)上述針對(duì)304不銹鋼和12號(hào)硬鋁2種不同材料以及直通道和螺旋通道2種不同通道形式的冷凝器樣機(jī), 分別在5種工況下的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文編制的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比可得, 軟件所計(jì)算長(zhǎng)度值與實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)值相對(duì)誤差在±10%以?xún)?nèi), 具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)殼體冷凝器, 建立了其設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型, 并編制了適用于閉式循環(huán)水下動(dòng)力系統(tǒng)的殼體冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。通過(guò)與實(shí)際產(chǎn)品性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較, 證明該設(shè)計(jì)軟件具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性, 可為殼體冷凝器的性能預(yù)示和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考, 作為優(yōu)化殼體冷凝器的結(jié)構(gòu)和性能的依據(jù), 提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Design of Shell-integrated Condenser for Underwater Power System with Closed-loop Cycle

HAN Yong-jun, YANG Cheng-shi,PENG Bo,GUO Zhao-yuan, LU JUN, MA Wei-feng, WANG Jin-zhong

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi?an 710077, China; 2. Military Representative Office, Stationed in Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

A mathematical model of shell-integrated condenser is established for an underwater power system with closed-loop cycle. Design and calculation software is developed for the condenser by using MATLAB. Comparing the calculations with the actual test data, it is proved that the design and calculation software is of high reliability. It can provide data reference for designing and developing shell-integrated condenser, optimizing structure and performance of the shell-integrated condenser, and improving efficiency of design and development.

underwater power system; closed-loop; shell-integrated condenser

10.11993/j.issn.1673-1948.2017.01.007

TJ630.32; TK479.12

A

1673-1948(2017)01-0032-05

2016-11-18;

2016-12-13.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61403306); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.2014M552503).

韓勇軍(1986-), 男, 在讀博士, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷熱動(dòng)力技術(shù).