吹氣效應對含空氣蒸汽冷凝特性影響數值分析

李偉, 高力, 周書航, 毛亞蔚, 張超琦, 孫中寧

(1.哈爾濱工程大學 核動力裝置性能與設備黑龍江省重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.中國電力工程顧問集團有限公司, 北京 100120; 4.中國核電工程有限公司, 北京 100840)

蒸汽冷凝是一種在工業上得到廣泛應用的高效傳熱方式[1-4],其中以純蒸汽冷凝的方式最佳。然而,在實際工業應用中難以獲得和維持純蒸汽冷凝的條件,其冷凝空間內不可避免地會存在不凝性氣體(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明顯惡化蒸汽冷凝性能,即使在蒸汽冷凝過程中只存在1%的空氣,冷凝傳熱系數(condensation heat transfer coefficient,CHTC)也會下降一半以上。隨后,國內外一系列含不凝性氣體蒸汽冷凝實驗[10-11]以及數值模擬研究[12-15]也表明,在蒸汽冷凝過程中,不凝性氣體會聚集在換熱面附近形成不凝性氣體層,成為蒸汽冷凝過程中的主要熱阻。

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]分別通過改變管束布置(管間距、管排數)、管傾角、管徑等方式達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[18]和能量轉換技術[19]的快速發展,在相關工業設備中應用非能動方式(如能量收集轉換系統將蒸汽冷凝水勢能轉化為動能)驅動吹氣裝置成為可能。

目前,國內外尚未對含不凝性氣體蒸汽冷凝過程中應用吹氣裝置開展研究,吹氣效應影響蒸汽冷凝傳熱特性的機理尚未揭示。因此,本文針對不同吹氣參數(吹氣高度、吹氣口直徑、吹氣口數量)下含空氣蒸汽冷凝的流動與傳熱特性開展研究,評估吹氣效應如何影響蒸汽冷凝傳熱特性以及在不同吹氣參數范圍內(吹氣高度Z為0.1～0.9 m,吹氣口直徑D為8～100 mm,吹氣口數量n為1～7)的變化機制。

1 含空氣蒸汽冷凝數值模型

1.1 基本控制方程

本研究采用CFD軟件對不同吹氣參數下含空氣蒸汽冷凝的流動與傳熱特性進行分析。其中控制方程主要包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分輸運方程。

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(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為時間,s;w為速度矢量,m/s;Sm為質量源項,kg/(m3·s);p為表面力,N/m2;f為體積力,N/m3;Spv為動量源項,N/m3;E為流動流體所具有的能量,J;ω為氣體質量分數;keff為流體的等效傳熱系數,W/(m·K);Sh為能量源項,J/(m3·s);D為擴散系數,m2/s;下標i表示組分。

湍流模型采用可實現的k-ε兩層湍流模型。該模型適用于各種流動的過程,包括射流、管道流動和邊界層流動等,同時對旋轉、分離、回流等現象有很好的預測結果,具有適用性廣、精度高的優點。

1.2 冷凝模型

含空氣蒸汽冷凝過程采用基于擴散邊界層理論的冷凝模型,該模型可以很好地預測局部流動和傳熱現象。當蒸汽在界面冷凝時,氣相和液相之間將發生質量、動量和能量交換。

質量源項：

(5)

其中,混合氣體的擴散系數D計算為[20]：

(6)

式中下標0表示標準狀態。

動量源項：

Spw=Sm·w

(7)

能量源項：

Sh=Smhv

(8)

1.3 抽吸效應

由于蒸汽冷凝后換熱面的軸向方向上會形成高濃度空氣層,導致在主流區域和換熱面邊界層之間產生較大的氣體濃度梯度,從而增強氣體之間的橫向擾動,這種現象會引起換熱面空氣層減薄和強化換熱效應,稱為抽吸效應[21-22]。為了考慮額外的對流/擴散傳質項,本文通過自定義場函數的形式定義了修正參數B和θB,并將擴散系數Deff添加到模型中：

(9)

(10)

(11)

Deff=D0×(2.98+52 000×(7×10-5)θB)

(12)

該有效擴散系數的適用范圍為：壓力P為0.2～0.6 MPa,過冷度ΔT為15～67 ℃,空氣質量分數ωa為10%～85%。

2 數值模型的驗證

2.1 幾何模型與邊界條件

為評估吹氣效應的影響機制,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,殼體中心設置有直徑38 mm的單管,單管沿重力方向上劃分為2個區域：長度為0.2 m的發展段和長度為1 m的冷凝段。冷凝段設置為恒壁溫壁面,入口采用速度入口,出口采用壓力出口。對于吹氣口,將靠近單管的壁面設置為質量流量出口,將遠離單管的壁面設置為質量流量入口,其他壁面均設置為絕熱壁面。

圖1 幾何和網格模型Fig.1 Geometry and mesh model

2.2 冷凝模型驗證

為評估網格條件對本文數值模型的計算精度影響,需開展網格無關性驗證工作。由于本文所采用數值模型與文獻[22]所采用的模型相同,因此網格條件的選取(主流網格尺寸a=0.04 m和Y+=1)與文獻[22]保持一致。

在模型假設方面,基于文獻[12]研究發現,蒸汽冷凝性能在含有大量空氣的條件下會明顯降低,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。因此,本文假設忽略液膜熱阻,即計算中冷凝壁面的溫度等于氣液交界面的溫度。此外,本文所采用的擴散邊界層冷凝模型的適用性已經在前序研究中進行了充分驗證[22],與多個實驗裝置(COPAIN[23]、Su[24]、Fan[25]、Dehbi[26])的結果符合較好,具有較高的計算精度。

3 計算結果分析

3.1 單管冷凝換熱性能

為評估吹氣效應的作用機制,則需要首先分析無吹氣裝置時的單管整體換熱性能以及局部蒸汽流動與傳熱特性,以便于進行比較,如圖2所示。本文選用的計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,過冷度ΔT為15 ℃,空氣質量分數ωa為56%)。

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

當蒸發在換熱面發生冷凝,空氣層會聚集在換熱面附近,并且隨著混合氣體沿重力方向向下流動,換熱面附近空氣層厚度逐漸增大,蒸汽局部冷凝換熱系數相應減小。

這種現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,蒸汽需要穿過空氣層到達冷凝面發生冷凝,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,蒸汽局部傳熱系數逐漸減小。局部傳熱系數定義為：

(13)

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

(14)

(15)

3.2 吹氣效應的影響

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,考察吹氣效應影響單管冷凝換熱性能的作用機理,并分析不同吹氣參數(吹氣高度、吹氣口直徑、吹氣口數量)的影響機制。

3.2.1 吹氣高度的影響

為評估吹氣高度對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進行討論,如圖3所示。結果表明：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時單管冷凝性能達到最佳,可使單管整體換熱性能提高58.4%。

圖3 吹氣高度對冷凝傳熱系數的影響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內的強化換熱率呈現出先上升后下降的趨勢,在Z=0.7 m時,強化換熱作用最佳。這主要是由于吹氣口所覆蓋的強化換熱區域長度為0.7 m,當吹氣口設置在Z=0.7 m以下時,吹氣口所覆蓋的增強區域在單管上不會被充分利用。當吹氣口設置在Z=0.7 m以上時,吹氣口覆蓋的強化換熱區域雖然在管上得到充分利用,但吹氣口設置在空氣層較厚的區域可獲得更明顯的強化換熱效果,因此Z=0.7 m處的強化換熱作用最佳。

3.2.2 吹氣口直徑的影響

為評估吹氣口直徑對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進行討論,如圖4所示。結果表明：在吹氣口直徑D=8 mm時單管冷凝性能達到最佳,可使單管整體換熱性能提高411%。

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

進一步可發現,吹氣口直徑D在8～100 mm內,隨著吹氣口直徑的減小,強化換熱率會顯著提升。因此,減小吹氣口直徑對蒸汽冷凝傳熱性能有明顯的強化效應。由于吹氣流量m恒定,強化效應主要是由于隨著吹氣口直徑減小,吹氣速度明顯提升,帶來更大的局部強化傳熱能力以及更廣的局部強化傳熱區域,從而顯著提升蒸汽冷凝性能。

3.2.3 吹氣口數量的影響

為評估吹氣口數量對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,討論吹氣口數量對強化換熱能力的影響。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與傳熱特性。雙吹氣方案中2個吹氣口分別位于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 多吹氣方案對局部冷凝傳熱系數的影響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,多吹氣口方案會明顯削弱強化換熱能力。其中,雙吹氣口和三吹氣口方案的強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,增加吹氣口數量,雖然使得強化換熱區域變廣,甚至覆蓋整個冷凝區域,但會明顯降低吹氣口的流速。如圖4(b)所示,吹氣流速提升會帶來明顯的局部強化換熱能力提升以及更廣的局部強化換熱區域。相比于增加吹氣口數量帶來更廣的強化換熱區域,保持較高的吹氣流速會獲得更佳的強化換熱效果。

為證實分析,開展了進一步的研究,結果如圖6所示。隨著吹氣口數量的增加,吹氣口所帶來的強化換熱能力始終處于降低的趨勢,當吹氣口數量n=7時,相比于單吹氣方案,強化換熱率降低了接近60%。因此,優先選用單吹氣方案。

圖6 吹氣口數量對冷凝傳熱系數的影響Fig.6 Influence of the number of blowing device on CHTC

4 結論

1)吹氣效應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,單吹氣方案的強化換熱能力達到最佳,可達到411%。在固定的吹氣流量下,多吹氣方案較單吹氣方案會削弱強化換熱能力,當吹氣口數量n=7時,相比于單吹氣方案,強化換熱率降低幅度會達到60%。

2)吹氣口所能覆蓋的強化換熱區域長度為0.7 m。在不同吹氣高度下,需要同時滿足2個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化換熱區域;條件2是吹氣口作用在較厚的空氣層位置。條件1占主導作用,是條件2的前提。

3)減小吹氣口直徑和數量對蒸汽冷凝性能有顯著的強化效應,其強化換熱率和吹氣口直徑以及吹氣口數量呈負相關的依變關系。