蒸汽射流與冷卻水直接接觸冷凝數值模擬及試驗

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

當前的換熱技術大多采用間壁式換熱結構，與間壁式換熱結構相比，直接接觸式換熱器具有腐蝕小、無結垢、換熱效率高等優點,早已應用廣泛[1]。對于做完功后無法利用的乏汽(含有雜質等)，采用換熱效率最高的直接接觸冷凝方式對其進行冷凝吸收，即飽和蒸汽直接噴注到冷卻水中；但是，采用該方法進行冷凝吸收會產生巨大的噴注噪聲[2]。因此，研究如何在水下有限空間內擴大冷凝面積的同時，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、相變和汽泡流動等多方面因素[3]，目前還沒有成熟的公式或模型進行模擬計算，因此設計一套蒸汽排放處理裝置系統，并在該系統上進行蒸汽射流與冷卻水直接接觸冷凝試驗。

1 物理模型

為了便于仿真計算，將整個蒸汽射流排放過程分成兩個階段：階段一，排汽閥打開，蒸汽從蒸汽儲罐排出，經排汽管道后，進入排汽管入口；階段二：蒸汽通過蒸汽排放裝置的排汽過程。由于將排汽過程分成階段，需要對兩個仿真過程進行耦合銜接。

利用Gambit對上述兩個階段進行網格劃分，見圖1～2，網格數量分別約為150萬和645萬。

圖1 階段一的網格

圖2 階段二的網格

1)蒸汽流動截面定義。

定義階段一中蒸汽儲罐內為“蒸汽儲罐”，定義蒸汽儲罐出口處為“儲罐出口”，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，需要進行耦合計算。

2)計算輸入條件。

排汽閥：通徑DN305，全開阻力系數為2.78；

排汽管道：DN400，90°彎頭7個，長度～32 m；

排汽裝置：物理模型。

蒸汽儲罐內存儲壓力為2.68 MPa飽和蒸汽，蒸汽量為482 kg。

2 排放速率影響因素分析

排汽閥打開后，蒸汽儲罐內的蒸汽依次通過排汽閥及排汽管道，經蒸汽排放處理裝置排入液艙內，并冷凝。在此過程中，蒸汽(乏汽)壓力不斷變化，流動狀態復雜，并存在復雜的相變過程。分析可知，影響乏汽冷凝時間的主要因素有：

1)蒸汽儲罐與排汽管道的阻力。在乏汽冷凝過程中，蒸汽儲罐、排汽閥與排汽管道的結構布置相對簡單，但因排汽閥喉口、排汽管道總長度較長，故其對蒸汽排放過程有較大的影響。

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存在冷卻水，對蒸汽排放會有一定的阻力，主要體現：排放處理裝置內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隨著裝置使用時間的增加，管道內的污垢等。

3 排放冷凝時間分析

多次耦合方法進行系列仿真計算，結果見圖3～6。

圖3 蒸汽壓力隨時間的變化

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

圖4 蒸汽速度隨時間的變化

從圖4中可看出t=6.8 s時，速度開始出現波動，說明在該處儲罐中的蒸汽已經基本排盡，與圖6中的蒸汽量排放結果一致。

圖5 蒸汽排汽速率隨時間的變化

圖6 蒸汽排汽量隨時間的變化

從計算結果可以看出：

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，排汽量隨時間的增加迅速的增加，在3s時間內，排汽量約為369 kg，約占總排汽量的82%。

3)排氣時間超過3 s后，蒸汽質量流率隨時間的增加而逐漸趨于0，壓力隨時間的變化逐漸趨于要求背壓0.02 MPa，蒸汽排放時間約為8 s(排放時間為蒸汽儲罐壓力從2.68 MPa變為0.02 MPa的時間)。

4)蒸汽儲罐內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，說明總的蒸汽排放時間在一定程度上受制于蒸汽儲罐出口和排汽閥。

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

4 試驗方案

4.1 試驗裝置及試驗方法

蒸汽排放處理裝置試驗平臺組成見圖7。

圖7 試驗管路及系統示意

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

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

蒸汽儲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是蒸汽儲罐內背壓為0.02 MPa。

4.2 試驗結果

482 kg，2.68 MPa蒸汽經過蒸汽排放處理裝置的快開閥后，壓力和蒸汽排放處理裝置入口處壓力隨時間的排放冷凝情況見圖8，閥后蒸汽質量速率隨時間的變化見圖9。

圖8 蒸汽壓力隨蒸汽排放時間的變化

圖9 蒸汽排汽速率隨時間的變化

從圖8和圖9可知：

1)t=0.828 s時，當快開閥后壓力達到最大值0.895 MPa，t=1.594 s時，蒸汽排放處理裝置入口處的壓力達到最大值0.487 MPa，說明兩者之間存在約0.7 s的延遲。

2)t=10.9 s時，快開閥后及蒸汽排放處理裝置壓力約為0.019 MPa，說明蒸汽在約10.9 s時排盡。

3)由壓力及流量折算公式計算可知，約在4～5 s內，蒸汽排放量約為80%，在8 s時蒸汽排放速率放緩，快開閥后壓力為0.04 MPa，壓力開始出現鋸齒狀波動，冷凝時間延長。

4)蒸汽排放過程中，最大的質量流速約為170 kg/s。

5)快開閥后蒸汽壓力最高值和裝置入口壓力最高值時間有0.7 s延遲，長于仿真計算結果的0.4 s，原因是由于仿真建模的蒸汽儲罐壓力比試驗工況高，從而導致延遲變短。

5 結論

1)482 kg，2.68 MPa蒸汽，在約6.8 s內排凈，在約11 s時完全冷凝，仿真模擬結果準確，真實可信。

2)快開閥后蒸汽壓力最高值和裝置入口壓

力最高值時間存在一定的延遲，其延遲的長短與蒸汽儲罐壓力有關。

3)本蒸汽排放裝置在需將無法回收的乏汽快速冷凝的同時最大程度進行減振降噪處理的市場應用方面前景廣闊。