吹氣效應(yīng)對(duì)含空氣蒸汽冷凝特性影響數(shù)值分析

李偉, 高力, 周書(shū)航, 毛亞蔚, 張超琦, 孫中寧

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司, 北京 100120; 4.中國(guó)核電工程有限公司, 北京 100840)

蒸汽冷凝是一種在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的高效傳熱方式[1-4],其中以純蒸汽冷凝的方式最佳。然而,在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中難以獲得和維持純蒸汽冷凝的條件,其冷凝空間內(nèi)不可避免地會(huì)存在不凝性氣體(如空氣、氫氣、二氧化碳)[5-8]。早期研究表明[9],不凝性氣體的存在會(huì)明顯惡化蒸汽冷凝性能,即使在蒸汽冷凝過(guò)程中只存在1%的空氣,冷凝傳熱系數(shù)(condensation heat transfer coefficient,CHTC)也會(huì)下降一半以上。隨后,國(guó)內(nèi)外一系列含不凝性氣體蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)[10-11]以及數(shù)值模擬研究[12-15]也表明,在蒸汽冷凝過(guò)程中,不凝性氣體會(huì)聚集在換熱面附近形成不凝性氣體層,成為蒸汽冷凝過(guò)程中的主要熱阻。

為提高含不凝性氣體條件下蒸汽冷凝換熱性能,Bian等[12]、Zhou等[16]、Cao等[17]分別通過(guò)改變管束布置(管間距、管排數(shù))、管傾角、管徑等方式達(dá)到減薄換熱面附近不凝性氣體層的目的,從而提高蒸汽冷凝性能。然而,利用吹氣裝置減薄換熱器附近的不凝性氣體層是提高蒸汽冷凝性能最直接、有效的方法。隨著能量收集技術(shù)[18]和能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[19]的快速發(fā)展,在相關(guān)工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用非能動(dòng)方式(如能量收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將蒸汽冷凝水勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能)驅(qū)動(dòng)吹氣裝置成為可能。

目前,國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)含不凝性氣體蒸汽冷凝過(guò)程中應(yīng)用吹氣裝置開(kāi)展研究,吹氣效應(yīng)影響蒸汽冷凝傳熱特性的機(jī)理尚未揭示。因此,本文針對(duì)不同吹氣參數(shù)(吹氣高度、吹氣口直徑、吹氣口數(shù)量)下含空氣蒸汽冷凝的流動(dòng)與傳熱特性開(kāi)展研究,評(píng)估吹氣效應(yīng)如何影響蒸汽冷凝傳熱特性以及在不同吹氣參數(shù)范圍內(nèi)(吹氣高度Z為0.1～0.9 m,吹氣口直徑D為8～100 mm,吹氣口數(shù)量n為1～7)的變化機(jī)制。

1 含空氣蒸汽冷凝數(shù)值模型

1.1 基本控制方程

本研究采用CFD軟件對(duì)不同吹氣參數(shù)下含空氣蒸汽冷凝的流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)行分析。其中控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分守恒方程：

(4)

式中：ρ為流體密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;w為速度矢量,m/s;Sm為質(zhì)量源項(xiàng),kg/(m3·s);p為表面力,N/m2;f為體積力,N/m3;Spv為動(dòng)量源項(xiàng),N/m3;E為流動(dòng)流體所具有的能量,J;ω為氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù);keff為流體的等效傳熱系數(shù),W/(m·K);Sh為能量源項(xiàng),J/(m3·s);D為擴(kuò)散系數(shù),m2/s;下標(biāo)i表示組分。

湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε兩層湍流模型。該模型適用于各種流動(dòng)的過(guò)程,包括射流、管道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)等,同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)、分離、回流等現(xiàn)象有很好的預(yù)測(cè)結(jié)果,具有適用性廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 冷凝模型

含空氣蒸汽冷凝過(guò)程采用基于擴(kuò)散邊界層理論的冷凝模型,該模型可以很好地預(yù)測(cè)局部流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象。當(dāng)蒸汽在界面冷凝時(shí),氣相和液相之間將發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換。

質(zhì)量源項(xiàng)：

(5)

其中,混合氣體的擴(kuò)散系數(shù)D計(jì)算為[20]：

(6)

式中下標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

動(dòng)量源項(xiàng)：

Spw=Sm·w

(7)

能量源項(xiàng)：

Sh=Smhv

(8)

1.3 抽吸效應(yīng)

由于蒸汽冷凝后換熱面的軸向方向上會(huì)形成高濃度空氣層,導(dǎo)致在主流區(qū)域和換熱面邊界層之間產(chǎn)生較大的氣體濃度梯度,從而增強(qiáng)氣體之間的橫向擾動(dòng),這種現(xiàn)象會(huì)引起換熱面空氣層減薄和強(qiáng)化換熱效應(yīng),稱為抽吸效應(yīng)[21-22]。為了考慮額外的對(duì)流/擴(kuò)散傳質(zhì)項(xiàng),本文通過(guò)自定義場(chǎng)函數(shù)的形式定義了修正參數(shù)B和θB,并將擴(kuò)散系數(shù)Deff添加到模型中：

(9)

(10)

(11)

Deff=D0×(2.98+52 000×(7×10-5)θB)

(12)

該有效擴(kuò)散系數(shù)的適用范圍為：壓力P為0.2～0.6 MPa,過(guò)冷度ΔT為15～67 ℃,空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωa為10%～85%。

2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

2.1 幾何模型與邊界條件

為評(píng)估吹氣效應(yīng)的影響機(jī)制,本文建立了添加吹氣口的單管外含空氣蒸汽冷凝模型,如圖1所示。該模型為直徑0.5 m、高度1.2 m的豎直殼體,殼體中心設(shè)置有直徑38 mm的單管,單管沿重力方向上劃分為2個(gè)區(qū)域：長(zhǎng)度為0.2 m的發(fā)展段和長(zhǎng)度為1 m的冷凝段。冷凝段設(shè)置為恒壁溫壁面,入口采用速度入口,出口采用壓力出口。對(duì)于吹氣口,將靠近單管的壁面設(shè)置為質(zhì)量流量出口,將遠(yuǎn)離單管的壁面設(shè)置為質(zhì)量流量入口,其他壁面均設(shè)置為絕熱壁面。

圖1 幾何和網(wǎng)格模型Fig.1 Geometry and mesh model

2.2 冷凝模型驗(yàn)證

為評(píng)估網(wǎng)格條件對(duì)本文數(shù)值模型的計(jì)算精度影響,需開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證工作。由于本文所采用數(shù)值模型與文獻(xiàn)[22]所采用的模型相同,因此網(wǎng)格條件的選取(主流網(wǎng)格尺寸a=0.04 m和Y+=1)與文獻(xiàn)[22]保持一致。

在模型假設(shè)方面,基于文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn),蒸汽冷凝性能在含有大量空氣的條件下會(huì)明顯降低,與換熱面附近的高濃度空氣層相比,液膜熱阻幾乎可以忽略不計(jì)。因此,本文假設(shè)忽略液膜熱阻,即計(jì)算中冷凝壁面的溫度等于氣液交界面的溫度。此外,本文所采用的擴(kuò)散邊界層冷凝模型的適用性已經(jīng)在前序研究中進(jìn)行了充分驗(yàn)證[22],與多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置(COPAIN[23]、Su[24]、Fan[25]、Dehbi[26])的結(jié)果符合較好,具有較高的計(jì)算精度。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 單管冷凝換熱性能

為評(píng)估吹氣效應(yīng)的作用機(jī)制,則需要首先分析無(wú)吹氣裝置時(shí)的單管整體換熱性能以及局部蒸汽流動(dòng)與傳熱特性,以便于進(jìn)行比較,如圖2所示。本文選用的計(jì)算工況是典型的事故條件下安全殼氣空間工況(壓力P為0.3 MPa,過(guò)冷度ΔT為15 ℃,空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωa為56%)。

圖2 單管局部冷凝換熱系數(shù)及空氣層分布Fig.2 Local CHTC and air layer distribution of single tube

當(dāng)蒸發(fā)在換熱面發(fā)生冷凝,空氣層會(huì)聚集在換熱面附近,并且隨著混合氣體沿重力方向向下流動(dòng),換熱面附近空氣層厚度逐漸增大,蒸汽局部冷凝換熱系數(shù)相應(yīng)減小。

這種現(xiàn)象主要原因是空氣層建立在換熱面周圍后,在重力的作用下逐步向下堆積增厚,在單管尾部形成較厚的空氣層。此外,由于空氣層建立在換熱面附近,蒸汽需要穿過(guò)空氣層到達(dá)冷凝面發(fā)生冷凝,這將大大降低蒸汽冷凝性能。因此,空氣層在重力方向上逐步增厚,蒸汽局部傳熱系數(shù)逐漸減小。局部傳熱系數(shù)定義為：

(13)

為了便于與添加吹氣裝置的單管進(jìn)行比較,分別定義了單管強(qiáng)化換熱系數(shù)hc和單管平均換熱系數(shù)hsingle。單管平均換熱系數(shù)hsingle= 798.9 W/(m2·K)。

(14)

(15)

3.2 吹氣效應(yīng)的影響

基于單管冷凝換熱性能的分析,本文固定吹氣流量m=5 g/s,考察吹氣效應(yīng)影響單管冷凝換熱性能的作用機(jī)理,并分析不同吹氣參數(shù)(吹氣高度、吹氣口直徑、吹氣口數(shù)量)的影響機(jī)制。

3.2.1 吹氣高度的影響

為評(píng)估吹氣高度對(duì)含空氣蒸汽冷凝換熱特性影響,本研究固定吹氣口直徑D=50 mm,在吹氣高度Z為0.1～0.9 m進(jìn)行討論,如圖3所示。結(jié)果表明：吹氣裝置可顯著提高單管的整體冷凝性能,并且在吹氣高度Z=0.7 m時(shí)單管冷凝性能達(dá)到最佳,可使單管整體換熱性能提高58.4%。

圖3 吹氣高度對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Influence of blowing height on CHTC

此外,如圖3(a)所示,吹氣高度Z在0.1～0.9 m內(nèi)的強(qiáng)化換熱率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì),在Z=0.7 m時(shí),強(qiáng)化換熱作用最佳。這主要是由于吹氣口所覆蓋的強(qiáng)化換熱區(qū)域長(zhǎng)度為0.7 m,當(dāng)吹氣口設(shè)置在Z=0.7 m以下時(shí),吹氣口所覆蓋的增強(qiáng)區(qū)域在單管上不會(huì)被充分利用。當(dāng)吹氣口設(shè)置在Z=0.7 m以上時(shí),吹氣口覆蓋的強(qiáng)化換熱區(qū)域雖然在管上得到充分利用,但吹氣口設(shè)置在空氣層較厚的區(qū)域可獲得更明顯的強(qiáng)化換熱效果,因此Z=0.7 m處的強(qiáng)化換熱作用最佳。

3.2.2 吹氣口直徑的影響

為評(píng)估吹氣口直徑對(duì)含空氣蒸汽冷凝換熱特性影響,本研究基于以上分析固定最佳吹氣口高度Z=0.7 m,在吹氣口直徑D在8～100 mm進(jìn)行討論,如圖4所示。結(jié)果表明：在吹氣口直徑D=8 mm時(shí)單管冷凝性能達(dá)到最佳,可使單管整體換熱性能提高411%。

圖4 吹氣口直徑對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Influence of the diameter of blowing device on CHTC

進(jìn)一步可發(fā)現(xiàn),吹氣口直徑D在8～100 mm內(nèi),隨著吹氣口直徑的減小,強(qiáng)化換熱率會(huì)顯著提升。因此,減小吹氣口直徑對(duì)蒸汽冷凝傳熱性能有明顯的強(qiáng)化效應(yīng)。由于吹氣流量m恒定,強(qiáng)化效應(yīng)主要是由于隨著吹氣口直徑減小,吹氣速度明顯提升,帶來(lái)更大的局部強(qiáng)化傳熱能力以及更廣的局部強(qiáng)化傳熱區(qū)域,從而顯著提升蒸汽冷凝性能。

3.2.3 吹氣口數(shù)量的影響

為評(píng)估吹氣口數(shù)量對(duì)含空氣蒸汽冷凝換熱特性影響,本文基于以上分析固定最佳吹氣口直徑D=8 mm,討論吹氣口數(shù)量對(duì)強(qiáng)化換熱能力的影響。圖5展示了雙吹氣和三吹氣的單管整體換熱性能以及局部蒸汽流動(dòng)與傳熱特性。雙吹氣方案中2個(gè)吹氣口分別位于Z=0.33 m和Z=0.66 m處。三吹氣口方案中3個(gè)吹氣口分別位于Z=0.25 m、Z=0.5 m和Z=0.75 m處。

圖5 多吹氣方案對(duì)局部冷凝傳熱系數(shù)的影響Fig.5 Influence of the multi-blowing case on local CHTC

如圖5所示,與單吹氣口方案相比,多吹氣口方案會(huì)明顯削弱強(qiáng)化換熱能力。其中,雙吹氣口和三吹氣口方案的強(qiáng)化換熱率分別削弱了18%和24%。主要原因是吹氣流量m恒定條件下,增加吹氣口數(shù)量,雖然使得強(qiáng)化換熱區(qū)域變廣,甚至覆蓋整個(gè)冷凝區(qū)域,但會(huì)明顯降低吹氣口的流速。如圖4(b)所示,吹氣流速提升會(huì)帶來(lái)明顯的局部強(qiáng)化換熱能力提升以及更廣的局部強(qiáng)化換熱區(qū)域。相比于增加吹氣口數(shù)量帶來(lái)更廣的強(qiáng)化換熱區(qū)域,保持較高的吹氣流速會(huì)獲得更佳的強(qiáng)化換熱效果。

為證實(shí)分析,開(kāi)展了進(jìn)一步的研究,結(jié)果如圖6所示。隨著吹氣口數(shù)量的增加,吹氣口所帶來(lái)的強(qiáng)化換熱能力始終處于降低的趨勢(shì),當(dāng)吹氣口數(shù)量n=7時(shí),相比于單吹氣方案,強(qiáng)化換熱率降低了接近60%。因此,優(yōu)先選用單吹氣方案。

圖6 吹氣口數(shù)量對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響Fig.6 Influence of the number of blowing device on CHTC

4 結(jié)論

1)吹氣效應(yīng)可顯著提高單管的整體冷凝換熱性能。吹氣高度Z=0.7 m、吹氣口直徑D=8 mm時(shí),單吹氣方案的強(qiáng)化換熱能力達(dá)到最佳,可達(dá)到411%。在固定的吹氣流量下,多吹氣方案較單吹氣方案會(huì)削弱強(qiáng)化換熱能力,當(dāng)吹氣口數(shù)量n=7時(shí),相比于單吹氣方案,強(qiáng)化換熱率降低幅度會(huì)達(dá)到60%。

2)吹氣口所能覆蓋的強(qiáng)化換熱區(qū)域長(zhǎng)度為0.7 m。在不同吹氣高度下,需要同時(shí)滿足2個(gè)條件才能獲得最佳的冷凝能力：條件1是充分利用吹氣口所覆蓋的強(qiáng)化換熱區(qū)域;條件2是吹氣口作用在較厚的空氣層位置。條件1占主導(dǎo)作用,是條件2的前提。

3)減小吹氣口直徑和數(shù)量對(duì)蒸汽冷凝性能有顯著的強(qiáng)化效應(yīng),其強(qiáng)化換熱率和吹氣口直徑以及吹氣口數(shù)量呈負(fù)相關(guān)的依變關(guān)系。