蒸汽射流與冷卻水直接接觸冷凝數(shù)值模擬及試驗(yàn)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108)

當(dāng)前的換熱技術(shù)大多采用間壁式換熱結(jié)構(gòu)，與間壁式換熱結(jié)構(gòu)相比，直接接觸式換熱器具有腐蝕小、無(wú)結(jié)垢、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn),早已應(yīng)用廣泛[1]。對(duì)于做完功后無(wú)法利用的乏汽(含有雜質(zhì)等)，采用換熱效率最高的直接接觸冷凝方式對(duì)其進(jìn)行冷凝吸收，即飽和蒸汽直接噴注到冷卻水中；但是，采用該方法進(jìn)行冷凝吸收會(huì)產(chǎn)生巨大的噴注噪聲[2]。因此，研究如何在水下有限空間內(nèi)擴(kuò)大冷凝面積的同時(shí)，消除噴注噪聲的難題非常重要。由于蒸汽和冷卻水直接接觸冷凝需要考慮兩相流、相變和汽泡流動(dòng)等多方面因素[3]，目前還沒(méi)有成熟的公式或模型進(jìn)行模擬計(jì)算，因此設(shè)計(jì)一套蒸汽排放處理裝置系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上進(jìn)行蒸汽射流與冷卻水直接接觸冷凝試驗(yàn)。

1 物理模型

為了便于仿真計(jì)算，將整個(gè)蒸汽射流排放過(guò)程分成兩個(gè)階段：階段一，排汽閥打開(kāi)，蒸汽從蒸汽儲(chǔ)罐排出，經(jīng)排汽管道后，進(jìn)入排汽管入口；階段二：蒸汽通過(guò)蒸汽排放裝置的排汽過(guò)程。由于將排汽過(guò)程分成階段，需要對(duì)兩個(gè)仿真過(guò)程進(jìn)行耦合銜接。

利用Gambit對(duì)上述兩個(gè)階段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖1～2，網(wǎng)格數(shù)量分別約為150萬(wàn)和645萬(wàn)。

圖1 階段一的網(wǎng)格

圖2 階段二的網(wǎng)格

1)蒸汽流動(dòng)截面定義。

定義階段一中蒸汽儲(chǔ)罐內(nèi)為“蒸汽儲(chǔ)罐”，定義蒸汽儲(chǔ)罐出口處為“儲(chǔ)罐出口”，定義排汽閥后為“排汽閥后”；定義蒸汽排放裝置中入口管道為“母管”，定義與排氣管道的交界面為“母管出口”。

定義階段二中入口為“母管入口”，與階段一中的“母管出口”為同一截面，需要進(jìn)行耦合計(jì)算。

2)計(jì)算輸入條件。

排汽閥：通徑DN305，全開(kāi)阻力系數(shù)為2.78；

排汽管道：DN400，90°彎頭7個(gè)，長(zhǎng)度～32 m；

排汽裝置：物理模型。

蒸汽儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)壓力為2.68 MPa飽和蒸汽，蒸汽量為482 kg。

2 排放速率影響因素分析

排汽閥打開(kāi)后，蒸汽儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸汽依次通過(guò)排汽閥及排汽管道，經(jīng)蒸汽排放處理裝置排入液艙內(nèi)，并冷凝。在此過(guò)程中，蒸汽(乏汽)壓力不斷變化，流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，并存在復(fù)雜的相變過(guò)程。分析可知，影響乏汽冷凝時(shí)間的主要因素有：

1)蒸汽儲(chǔ)罐與排汽管道的阻力。在乏汽冷凝過(guò)程中，蒸汽儲(chǔ)罐、排汽閥與排汽管道的結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡(jiǎn)單，但因排汽閥喉口、排汽管道總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故其對(duì)蒸汽排放過(guò)程有較大的影響。

2)蒸汽排放裝置的阻力。蒸汽排放處理裝置是乏汽排放過(guò)程中的核心部件，是影響排放速率的決定因素之一。

3)水的阻力。蒸汽冷凝前，裝置在水中的管道內(nèi)存在冷卻水，對(duì)蒸汽排放會(huì)有一定的阻力，主要體現(xiàn)：排放處理裝置內(nèi)水從小孔排出的阻力，蒸汽從裝置排出至液艙的阻力。

4)其他阻力。①裝置出口表面不光滑；②蒸汽排放后期，蒸汽壓力下降，有部分冷卻水回流；③隨著裝置使用時(shí)間的增加，管道內(nèi)的污垢等。

3 排放冷凝時(shí)間分析

多次耦合方法進(jìn)行系列仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

圖3 蒸汽壓力隨時(shí)間的變化

由圖3知，排汽閥后的壓力最高值為1.39 MPa，發(fā)生在0.05 s時(shí)；母管(蒸汽排放處理裝置)入口壓力最高值為1.28 MPa，發(fā)生在0.46 s時(shí)。

圖4 蒸汽速度隨時(shí)間的變化

從圖4中可看出t=6.8 s時(shí)，速度開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明在該處儲(chǔ)罐中的蒸汽已經(jīng)基本排盡，與圖6中的蒸汽量排放結(jié)果一致。

圖5 蒸汽排汽速率隨時(shí)間的變化

圖6 蒸汽排汽量隨時(shí)間的變化

從計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)裝置入口處蒸汽的最高壓力為1.30 MPa，分管入口處的最高壓力為0.78 MPa。

2)排放初始，排汽量隨時(shí)間的增加迅速的增加，在3s時(shí)間內(nèi)，排汽量約為369 kg，約占總排汽量的82%。

3)排氣時(shí)間超過(guò)3 s后，蒸汽質(zhì)量流率隨時(shí)間的增加而逐漸趨于0，壓力隨時(shí)間的變化逐漸趨于要求背壓0.02 MPa，蒸汽排放時(shí)間約為8 s(排放時(shí)間為蒸汽儲(chǔ)罐壓力從2.68 MPa變?yōu)?.02 MPa的時(shí)間)。

4)蒸汽儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的下降速度明顯平緩于排氣閥后與裝置入口的壓力下降速度，說(shuō)明總的蒸汽排放時(shí)間在一定程度上受制于蒸汽儲(chǔ)罐出口和排汽閥。

5)閥后蒸汽壓力最高值和母管入口壓力最高值時(shí)間有0.4 s延遲，主要是由于快開(kāi)閥后的壓力主要受儲(chǔ)罐壓力影響，而母管入口的壓力主要受后續(xù)裝置的排汽冷凝過(guò)程的影響。

4 試驗(yàn)方案

4.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

蒸汽排放處理裝置試驗(yàn)平臺(tái)組成見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)管路及系統(tǒng)示意

試驗(yàn)系統(tǒng)由蒸汽儲(chǔ)罐、排放處理裝置、冷卻水艙及管路系統(tǒng)組成。蒸汽儲(chǔ)罐體積31.8 m3，蒸汽壓力2.68 MPa，排放處理裝置放置于冷卻水艙內(nèi)，冷卻水艙內(nèi)布滿水，冷卻水體積約45 m3，蒸汽儲(chǔ)罐與排放處理裝置通過(guò)DN400的排汽管路連接。蒸汽儲(chǔ)罐充滿蒸汽后快開(kāi)閥打開(kāi)，蒸汽通過(guò)排汽管路、排放處理裝置排放至水艙中與冷卻水直接接觸冷凝。

快開(kāi)閥后設(shè)YL44壓力傳感器測(cè)量閥后的管路壓力。蒸汽排放管路DN400法蘭處設(shè)置YL01壓力傳感器和WD01溫度傳感器、彎頭處設(shè)置YL02壓力傳感器和WD02溫度傳感器、裝置入口處設(shè)置YL03壓力傳感器和WD03溫度傳感器測(cè)量壓力和溫度。

蒸汽儲(chǔ)罐完成蒸汽排放以及蒸汽與冷卻水完成直接接觸冷凝的判據(jù)是蒸汽儲(chǔ)罐內(nèi)背壓為0.02 MPa。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

482 kg，2.68 MPa蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽排放處理裝置的快開(kāi)閥后，壓力和蒸汽排放處理裝置入口處壓力隨時(shí)間的排放冷凝情況見(jiàn)圖8，閥后蒸汽質(zhì)量速率隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖9。

圖8 蒸汽壓力隨蒸汽排放時(shí)間的變化

圖9 蒸汽排汽速率隨時(shí)間的變化

從圖8和圖9可知：

1)t=0.828 s時(shí)，當(dāng)快開(kāi)閥后壓力達(dá)到最大值0.895 MPa，t=1.594 s時(shí)，蒸汽排放處理裝置入口處的壓力達(dá)到最大值0.487 MPa，說(shuō)明兩者之間存在約0.7 s的延遲。

2)t=10.9 s時(shí)，快開(kāi)閥后及蒸汽排放處理裝置壓力約為0.019 MPa，說(shuō)明蒸汽在約10.9 s時(shí)排盡。

3)由壓力及流量折算公式計(jì)算可知，約在4～5 s內(nèi)，蒸汽排放量約為80%，在8 s時(shí)蒸汽排放速率放緩，快開(kāi)閥后壓力為0.04 MPa，壓力開(kāi)始出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，冷凝時(shí)間延長(zhǎng)。

4)蒸汽排放過(guò)程中，最大的質(zhì)量流速約為170 kg/s。

5)快開(kāi)閥后蒸汽壓力最高值和裝置入口壓力最高值時(shí)間有0.7 s延遲，長(zhǎng)于仿真計(jì)算結(jié)果的0.4 s，原因是由于仿真建模的蒸汽儲(chǔ)罐壓力比試驗(yàn)工況高，從而導(dǎo)致延遲變短。

5 結(jié)論

1)482 kg，2.68 MPa蒸汽，在約6.8 s內(nèi)排凈，在約11 s時(shí)完全冷凝，仿真模擬結(jié)果準(zhǔn)確，真實(shí)可信。

2)快開(kāi)閥后蒸汽壓力最高值和裝置入口壓

力最高值時(shí)間存在一定的延遲，其延遲的長(zhǎng)短與蒸汽儲(chǔ)罐壓力有關(guān)。

3)本蒸汽排放裝置在需將無(wú)法回收的乏汽快速冷凝的同時(shí)最大程度進(jìn)行減振降噪處理的市場(chǎng)應(yīng)用方面前景廣闊。