不同运行条件下船用蒸汽蓄热器的充汽特性

孙宝芝，郭家敏，史智俊，杨龙滨，宋福元

（1哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨150001；2中国船舶重工集团公司第703研究所，黑龙江 哈尔滨150078）

引 言

船用蒸汽蓄热器以其优越的工作特性被应用于航空母舰蒸汽弹射系统，其作为能量存储设备为舰载机的弹射提供所需蒸汽［1－3］，它的应用可以缓冲弹射过程带给锅炉的巨大扰动，为系统的平稳运行提供有利条件［4－5］。由于船用蒸汽蓄热器内同时存在蒸汽与水两种相态工质，在极短时间的充汽过程中，蓄热器内部存在多种复杂的热量、质量传递与流动过程，在此过程中水和蒸汽的参数均会发生剧烈的变化，因此船用蒸汽蓄热器内部工质状态参数变化趋势及机理的相关研究对于船用蒸汽蓄热器的优化及保障舰载机弹射过程的安全运行至关重要。

目前国内外学者对蒸汽蓄热器系统已经做了广泛研究［6－15］，胡继敏 等［8－11］根据 变 质 量 热 力 学 与 黏性流体力学，针对蒸汽蓄热器的充汽过程，建立了充汽数学及仿真模型，研究了蓄热器系统的充汽动态特性及受汽源参数的影响情况。杨元龙等［12－13］根据船用蒸汽蓄热器的运行特点，利用CFX计算软件对蒸汽蓄热器的充汽过程进行数值模拟，研究缓慢与快速两种充汽模式下蓄热器的动态特性，同时探讨了蓄热器水位及初始压力对充汽过程系统内各物理参数的影响规律。Baldini等［14］针对蒸汽蓄热器的实际工作特点，认为蓄热器的筒体在工作过程中是绝热的，同时不考虑金属筒体蓄热引起的工质温度及蒸汽质量的变化，通过集总参数法建立了蓄热器的计算模型。Shnaider等［15］通过一系列简化处理搭建了可用于描述蓄热器工作过程的数学模型，此模型中蓄热器内部工质的状态参数均由压力决定，作者通过对比仿真结果与真实的实验数据，证实了模型的准确性。

目前只有美国全面地掌握了蒸汽弹射器的设计与制造技术，由于其特殊的军事应用背景以及相关国家出于对事关国防核心技术的封锁，使得相关研究的文献报道很少。鉴于此，本文借助小型船用蒸汽蓄热器实验系统，以增压锅炉提供所需过热蒸汽，在分析船用蒸汽蓄热器的实际工作特性及控制逻辑后，通过控制变量法有针对性地对几个可能影响蒸汽蓄热器充汽性能的运行参数进行了研究，考察运行参数的改变对蓄热器内部工质状态参数影响规律，为系统优化和控制提供技术依据。

1 船用蒸汽蓄热器实验系统

本文所利用的船用蒸汽蓄热器实验系统及其主要结构参数、技术指标以及测量仪器型号和误差等参见文献 ［16］。为了研究船用蒸汽蓄热器在工作过程中内部工质的温度分布情况，本文在文献［16］ 中实验系统基础上，在船用蒸汽蓄热器内部加装了一个多点热电偶 （测量精度为0.4%），多点热电偶上设有10个不均匀分布的温度测点，用以测量蒸汽蓄热器内工质不同高度处的温度分布，其中多点热电偶上的第1～7点的间距均为50 mm，第7点与第8点的间距为140mm，第8～10测点间的间距为100mm。多点热电偶上的第1点距离蓄热器最低点的距离为60mm，即热电偶上第1点测量的是蓄热器水位为60mm处的温度，多点热电偶的具体安装位置及测点分布如图1所示。

图1 多点热电偶的安装位置及测点分布Fig.1 Installation location and distribution of measuring points of multipoint thermocouple

2 实验结果及分析

船用蒸汽蓄热器为舰载机的弹射过程提供所需蒸汽，蒸汽的参数对于确保系统平稳安全运行极其重要，而蒸汽参数主要受蓄热器充汽特性与其内部工质热力参数的影响，因此本文结合船用蒸汽蓄热器的实际工作特点，借助船用蒸汽蓄热器实验台进行不同条件下的充汽实验，研究蓄热器的充汽特性及其内部工质热力参数的变化规律。

2.1 充汽过程中工质温度分布

在船用蒸汽蓄热器的充汽过程中，充入的过热蒸汽会与蓄热器内的低温饱和水进行强烈的对流换热，由于充入蒸汽的流量大、用时短，该混合过程能否充分、迅速地进行，直接关系到蓄热器内部工质的温度分布［17－19］，因此本文借助船用蒸汽蓄热器实验台进行一组充汽实验，以期解析船用蒸汽蓄热器工质温度分布的机理。实验具体参数设置：蓄热器的初始水位为380mm，充汽流量为0.17kg·s－1，蓄热器充汽初压与充汽终压分别为0.79与1.2MPa，充汽阀后温度及压力分别为283℃与1.25MPa。所得实验结果如图2所示。

图2 蓄热器内工质的温度变化Fig.2 Temperature of working medium curve of steam accumulator

图2为蓄热器上设有的多点热电偶所测蓄热器内部不同高度处的温度分布，由图中的温度变化曲线可以发现，在过热蒸汽进入蓄热器的初始阶段，蒸汽温度要早于水温变化，并且在整个充汽过程中蒸汽的温度要高于水温，当充汽阀完全关闭后，蒸汽温度逐渐降低而水温逐渐升高。水温变化滞后于汽温变化是因为蓄热器中存储有大量饱和水，当蒸汽进入与工质水发生热质传递时由于水的质量惯性以及热惯性导致水温变化较慢，同时由于水的比热容较大以及充入的蒸汽未能与水进行充分混合换热致使水温变化迟于蓄热器内蒸汽温度变化。在蓄热器内部工质由非稳态向稳态过渡的阶段，由于蒸汽在不均衡势差的作用下冷凝，蒸汽温度随着蓄热器压力的降低而降低，相反水在接受来自蒸汽冷凝所带来的能量后温度逐渐升高，直至二者达到稳定的平衡状态。由图中水空间测点1、4、7的温度变化还可以发现，在充汽过程中，三个温度测点所测温度均有所升高，但三者存在一定差异，出现了温度分层现象。在水温变化后期，测点1的温度逐渐下降，测点4与测点7的温度随着蒸汽的冷凝而逐渐升高，但前者温度的增加速率要小于后者，最终两个测点的温度逐渐趋近于蒸汽温度。造成上述现象的原因在于多点热电偶上的10个测点由下至上分别测量蓄热器不同高度的温度，由于测点1处于最底层，接近金属筒体，在水温变化后期，由于金属蓄热的影响，使得水温高于金属筒体的温度，因此水会将一部分热量传递给金属筒体，致使测点1的温度逐渐下降，但由于此时已没有蒸汽充入，水空间缺少混合换热的驱动力，使得水空间不同高度层间的传热过程缓慢，因此水空间的温度发生了分层现象。测点7的温度快速升高是因为蒸汽冷凝放出的热量被与蒸汽接触的上层水吸收，而冷凝下来的水温又高于原有水温。

2.2 不同条件下蓄热器的充汽特性

船用蒸汽蓄热器的充汽流量决定着蓄热器能量存储的速率，而充汽初压及充水系数制约着蓄热器能量的存储数量与质量，因此对于以存储能量著称的蒸汽蓄热器，研究其充汽流量、充汽初压以及充水系数改变时蓄热器内部工质热力参数的变化规律对于保障弹射过程的安全性极其必要。

（1）充汽流量对充汽性能影响

设定船用蒸汽蓄热器的初始水位为380mm，蓄热器充汽初压与充汽终压分别为0.79与1.2 MPa，已知充汽阀后温度及压力分别为283℃与1.25MPa。利用船用蒸汽蓄热器实验台进行了3组充汽流量分别为0.17、0.22、0.26kg·s－1的充汽实验，相应的实验结果如图3～图6所示。

图3 不同充汽流量下蓄热器压力变化曲线Fig.3 Variation in pressure for different charged steam flows

从图3中蓄热器压力的变化趋势可以发现，充汽过程中由于过热蒸汽的充入，蓄热器压力急剧升高，当压力升至充汽预设的压力数值后，充汽阀接受压力反馈信号迅速关闭，此时不再有蒸汽进入，但蒸汽蓄热器的压力并没有稳定在充汽阀完全关闭时刻的数值，而是随着其内部非平衡过程的进行而继续变化。造成这种现象的原因是：在充汽过程中，高温高压的过热蒸汽对蓄热器内的冷水进行加热，同时未完全凝结蒸汽进入蓄热器汽空间，致使蓄热器内部压力迅速升高，蓄热器内部原本处于饱和态的工质水由于压力的升高而成为过冷水，在充汽阀关闭后由于相变的滞后性导致工质水并未达到饱和参数，因此在势差的作用下蒸汽继续冷凝，导致蓄热器压力下降。在此过程中，蓄热器内部工质由非稳态向稳态过渡，当水完全达到饱和参数后，蒸汽不再冷凝，蓄热器压力也不再发生变化。对于充汽流量分别为0.17、0.22、0.26kg·s－1的3组充汽实验，蓄热器压力达到预设的压力值所需的时间分别为109.5、82.5、68s，压力最终稳定的数值分别为1.096、1.087、1.081MPa，即充汽流量越大，蓄热器所需的充汽时间越短，由不均衡势差导致的压降越大。这种现象发生的原因是因为充汽流量越大，意味着单位时间进入蓄热器与工质水进行换热的蒸汽越多，同等条件下进入汽空间的未凝结蒸汽量也会随之增大，进而导致蓄热器压力迅速升高至设定值，同时充汽时间的缩短造成充汽结束后工质水的状态参数偏离饱和参数的情况加剧，在充汽阀完全关闭后，蓄热器内部的不平衡势差增加，导致充汽阀关闭后蒸汽的凝结量增加，从而造成蓄热器最终稳定的压力值降低。

图4 不同充汽流量下压降百分比变化曲线Fig.4 Variation in pressure drop ratio for different charged steam flows

图5 不同充汽流量下水温变化曲线Fig.5 Variation in water temperature for different charged steam flows

图6 不同充汽流量下蒸汽温度变化曲线Fig.6 Variation in steam temperature for different charged steam flows

图4反映了压降比与充汽流量的关系，所谓的压降比是指蓄热器充汽阀关闭后的压降值与充汽过程中压力增加值的比值，压降比是衡量蓄热器内部不均衡势差强弱的一个重要指标，是蒸汽蓄热器实际运行中需要重点关注的性能参数。在充汽流量逐渐增加的3组充汽实验中，蓄热器的压降比分别为25.4%、27.6%、29.0%，即由不均衡势差引起的压降比与充汽流量呈正比，这种现象的原因与上述压力变化过程的解析是一致的。

由图5和图6可以发现，在充汽流量逐渐增加的3组充汽实验中，水温增加的速率分别近似为0.122、0.146、0.181℃·s－1，蒸汽温度增加的速率分别近似为0.129、0.158、0.187℃·s－1，也就是说3组实验中蒸汽与水的温度变化速率均随充汽流量的增加而加快，这是因为对于3组实验单位时间内进入蒸汽蓄热器的能量分别为511.3、661.7、782.0kJ，单位时间注入能量的增加有助于提高蓄热器的能量存储速率，促使水温与蒸汽温度能以更快的速率增长。由图6还可以发现3组实验所得蒸汽的温度在达到峰值后均逐渐降低，但最终稳定的温度值随着充汽流量的增加而逐渐降低。这是因为充汽流量越大蓄热器达到饱和平衡态时压力越低，因此所对应的饱和温度越低。

（2）充汽初始压力对充汽性能影响

设定船用蒸汽蓄热器的初始水位为380mm，充汽流量为0.25kg·s－1，充汽初压与充汽终压压差一定，已知充汽阀后温度及压力分别为285℃与1.25MPa。利用船用蒸汽蓄热器实验台进行了3组充汽初压分别为0.55、0.65、0.75MPa的充汽实验，相应的实验结果如图7～图10所示。

图7 不同充汽初压下蓄热器压力变化曲线Fig.7 Variation in pressure for different initial pressure of charging

图8 不同充汽初压下压降百分比变化曲线Fig.8 Variation in pressure drop ratio for different initial pressure of charging

图9 不同充汽初压下水温变化曲线Fig.9 Variation in water temperature for different initial pressure of charging

图10 不同充汽初压下蒸汽温度变化曲线Fig.10 Variation in steam temperature for different initial pressure of charging

由图7中蓄热器不同充汽初压下的压力对比曲线可以发现，在充汽压差一定的情况下随着充汽初始压力的升高，蒸汽蓄热器的充汽时间逐渐缩短为90.5、82、73.5s。造成这种现象的原因在于在充汽压差一定的情况下，蒸汽蓄热器单位水体积的蓄热量随着充汽初始压力的升高而降低［20］，因此蓄热器的初始压力越高，蓄热器越容易达到充汽结束压力预设值。由图7还可以发现由于充汽阀关闭后蓄热器内部不均衡势差的存在导致压力出现回落，对于初始压力为0.55、0.65、0.75MPa的3组充汽实验，蓄热器压力的回落值分别为0.096、0.111、0.124MPa，压降比分别为24%、27.8%、31%，上述现象的发生是因为充汽初始压力越高，蓄热器的充汽时间越短，充入的过热蒸汽与水混合换热越不充分，充汽后蒸汽与水之间的不平衡势差越大，因此压降比越大。由图9和图10可以发现，3种不同充汽初压下蓄热器的水温变化趋势基本相同，均随着充汽过程的进行而增加，并最终趋于稳定。蒸汽的温度在达到峰值后，伴随着非平衡热力过程的进行而有所降低，最终达到稳定压力下的饱和温度。同时还能从图中获知3组充汽实验中水温增加的速率均近似于0.15℃·s－1，蒸汽温度增加的速率均近似于0.18℃·s－1，这是因为水温与蒸汽温度增加的速率主要受单位时间充入的能量的影响，由于3组实验中除充汽初始压力不同外，其他条件均相同，因此3组实验中的水温与蒸汽温度增加的速率分别相同。

（3）充汽初始水位对充汽性能影响

设定船用蒸汽蓄热器的充汽流量为0.24kg·s－1，蓄热器充汽初压与充汽终压的压力分别为0.75与1.2MPa，已知充汽阀后温度及压力分别为308℃与1.25MPa。利用船用蒸汽蓄热器实验台进行了3组初始水位分别为368、419、445mm的充汽实验，相应的实验结果如图11～图14所示。

图11 不同水位下蓄热器压力变化曲线Fig.11 Variation in pressure for different water level

图12 不同水位下压降百分比变化曲线Fig.12 Variation in pressure drop ratio for different water level

图13 不同水位下水温变化曲线Fig.13 Variation in water temperature for different water level

图14 不同水位下蒸汽温度变化曲线Fig.14 Variation in steam temperature for different water level

由图11中不同充汽水位情况下的压力对比曲线可以发现，初始水位越高，蒸汽蓄热器充到指定压力所需的充汽时间越长，对于3种不同初始水位的充汽实验，充汽时间分别为69、88、99.5s。造成这种现象的原因是因为充汽初始时刻蓄热器内部存储的饱和水越多，水所具有的热惯性越大，在充入能量一定的情况下蓄热器内压力变化幅度越小，同时冷水质量的增多为充入蒸汽与水混合换热冷凝过程提供了更有利的条件，在上述两方面的共同作用下使得蓄热器的充汽时间变长。同时从图中还可以发现蓄热器内部压力最终稳定的数值随着水位的升高而逐渐增大为1.075、1.08、1.088MPa，这是因为蓄热器初始水位的增加有助于蒸汽与水间的能质传递，蒸汽在与水充分混合换热后进入蒸汽空间的质量就会相应减少，进一步为工质间的换热争取了时间，这样就会削弱充汽阀完全关闭后蓄热器内部的非平衡热力过程。蓄热器的压降比与初始水位的关系示于图12，对于初始水位分别为368、419、445mm的充汽实验，蓄热器的压降比分别为29.6%、28.8%、26.6%，这与上述压力曲线的分析结果吻合。

由图13与图14中蓄热器水温与蒸汽温度的变化趋势可以发现，蒸汽蓄热器的水位越低，水温与蒸汽温度变化越快，这是因为在充汽压差一定的情况下，蓄热器的蓄热量随着水位的降低而变小，而单位时间进入蒸汽蓄热器的能量一定，因此水与蒸汽的状态参数更易发生改变。同时由图14中蒸汽温度变化的对比曲线可以发现，蒸汽温度稳定时刻的数值随着水位的减小而变小，这是因为初始水位越低，蓄热器在达到饱和平衡态时的压力越低，此时压力所对应的蒸汽的饱和参数也就越低。

由上述3种不同条件下的充汽实验可知：充汽流量的增加虽然会缩短船用蒸汽蓄热器的充汽时间，但同时会加剧蓄热器中的不均衡势差；充汽初压的提升有利于船用蒸汽蓄热器能量的快速存储，在充汽压差一定的情况下充汽初始压力的提高将会降低蓄热器中的蓄热量，虽然较低的充汽初压能够更好地起到能量存储的作用，但却很难保证负载对于蒸汽参数的要求；初始水位的增加虽然有利于蓄热器存储更多的能量，但会使得船用蒸汽蓄热器的充汽时间变长，对系统的机动性有负面影响，因此应结合弹射过程的实际需求，不能一味地追求能量的存储数量，同时要兼顾舰载机弹射对于时间上的要求。

3 结 论

本文利用船用蒸汽蓄热器实验系统，针对可能影响蒸汽蓄热器充汽性能的关键参数，通过控制变量法研究蓄热器初始参数的改变对蓄热器内部工质热力参数的影响情况，得出如下结论：

（1）在充汽过程中由于受金属蓄热以及闪蒸、冷凝过程的影响，工质水的温度出现了分层现象，蓄热器底层水温较低，上层水温较高。

（2）在充汽实验中，蓄热器的压力并没有稳定在充汽阀完全关闭时刻的数值，而是随着其内部工质由非平衡态过渡为平衡态的过程出现反向降低并最终稳定的现象。因此在舰载机的弹射过程中要充分考虑由非平衡热力过程引起的压力变化可能对弹射过程带来的潜在危险，在实际控制中可以通过提高充汽预设压力值来保证弹射过程的用汽需求。

（3）充汽流量、充汽初压、初始水位对蓄热器内部工质的热力参数影响显著，在实际应用中应结合弹射自身需求对工作参数进行合理设置。在充汽过程中由不均衡势差引起的压降比随着储存水质量的减小和单位时间注入能量的提升而变大。

（4）由于相变过程的延迟效应，导致蓄热器中的工质温度变化慢于压力的变化，同时由于水具有的热惯性导致工质水的温度变化速率要小于蒸汽温度的变化速率。

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