吹气效应对含空气蒸汽冷凝特性影响数值分析

李伟, 高力, 周书航, 毛亚蔚, 张超琦, 孙中宁

(1.哈尔滨工程大学 核动力装置性能与设备黑龙江省重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001; 2.哈尔滨工程大学 核科学与技术学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.中国电力工程顾问集团有限公司, 北京 100120; 4.中国核电工程有限公司, 北京 100840)

蒸汽冷凝是一种在工业上得到广泛应用的高效传热方式[1-4],其中以纯蒸汽冷凝的方式最佳。然而,在实际工业应用中难以获得和维持纯蒸汽冷凝的条件,其冷凝空间内不可避免地会存在不凝性气体(如空气、氢气、二氧化碳)[5-8]。早期研究表明[9],不凝性气体的存在会明显恶化蒸汽冷凝性能,即使在蒸汽冷凝过程中只存在1%的空气,冷凝传热系数(condensation heat transfer coefficient,CHTC)也会下降一半以上。随后,国内外一系列含不凝性气体蒸汽冷凝实验[10-11]以及数值模拟研究[12-15]也表明,在蒸汽冷凝过程中,不凝性气体会聚集在换热面附近形成不凝性气体层,成为蒸汽冷凝过程中的主要热阻。

为提高含不凝性气体条件下蒸汽冷凝换热性能,Bian等[12]、Zhou等[16]、Cao等[17]分别通过改变管束布置(管间距、管排数)、管倾角、管径等方式达到减薄换热面附近不凝性气体层的目的,从而提高蒸汽冷凝性能。然而,利用吹气装置减薄换热器附近的不凝性气体层是提高蒸汽冷凝性能最直接、有效的方法。随着能量收集技术[18]和能量转换技术[19]的快速发展,在相关工业设备中应用非能动方式(如能量收集转换系统将蒸汽冷凝水势能转化为动能)驱动吹气装置成为可能。

目前,国内外尚未对含不凝性气体蒸汽冷凝过程中应用吹气装置开展研究,吹气效应影响蒸汽冷凝传热特性的机理尚未揭示。因此,本文针对不同吹气参数(吹气高度、吹气口直径、吹气口数量)下含空气蒸汽冷凝的流动与传热特性开展研究,评估吹气效应如何影响蒸汽冷凝传热特性以及在不同吹气参数范围内(吹气高度Z为0.1～0.9 m,吹气口直径D为8～100 mm,吹气口数量n为1～7)的变化机制。

1 含空气蒸汽冷凝数值模型

1.1 基本控制方程

本研究采用CFD软件对不同吹气参数下含空气蒸汽冷凝的流动与传热特性进行分析。其中控制方程主要包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

组分守恒方程：

(4)

式中：ρ为流体密度,kg/m3;t为时间,s;w为速度矢量,m/s;Sm为质量源项,kg/(m3·s);p为表面力,N/m2;f为体积力,N/m3;Spv为动量源项,N/m3;E为流动流体所具有的能量,J;ω为气体质量分数;keff为流体的等效传热系数,W/(m·K);Sh为能量源项,J/(m3·s);D为扩散系数,m2/s;下标i表示组分。

湍流模型采用可实现的k-ε两层湍流模型。该模型适用于各种流动的过程,包括射流、管道流动和边界层流动等,同时对旋转、分离、回流等现象有很好的预测结果,具有适用性广、精度高的优点。

1.2 冷凝模型

含空气蒸汽冷凝过程采用基于扩散边界层理论的冷凝模型,该模型可以很好地预测局部流动和传热现象。当蒸汽在界面冷凝时,气相和液相之间将发生质量、动量和能量交换。

质量源项：

(5)

其中,混合气体的扩散系数D计算为[20]：

(6)

式中下标0表示标准状态。

动量源项：

Spw=Sm·w

(7)

能量源项：

Sh=Smhv

(8)

1.3 抽吸效应

由于蒸汽冷凝后换热面的轴向方向上会形成高浓度空气层,导致在主流区域和换热面边界层之间产生较大的气体浓度梯度,从而增强气体之间的横向扰动,这种现象会引起换热面空气层减薄和强化换热效应,称为抽吸效应[21-22]。为了考虑额外的对流/扩散传质项,本文通过自定义场函数的形式定义了修正参数B和θB,并将扩散系数Deff添加到模型中：

(9)

(10)

(11)

Deff=D0×(2.98+52 000×(7×10-5)θB)

(12)

该有效扩散系数的适用范围为：压力P为0.2～0.6 MPa,过冷度ΔT为15～67 ℃,空气质量分数ωa为10%～85%。

2 数值模型的验证

2.1 几何模型与边界条件

为评估吹气效应的影响机制,本文建立了添加吹气口的单管外含空气蒸汽冷凝模型,如图1所示。该模型为直径0.5 m、高度1.2 m的竖直壳体,壳体中心设置有直径38 mm的单管,单管沿重力方向上划分为2个区域：长度为0.2 m的发展段和长度为1 m的冷凝段。冷凝段设置为恒壁温壁面,入口采用速度入口,出口采用压力出口。对于吹气口,将靠近单管的壁面设置为质量流量出口,将远离单管的壁面设置为质量流量入口,其他壁面均设置为绝热壁面。

图1 几何和网格模型Fig.1 Geometry and mesh model

2.2 冷凝模型验证

为评估网格条件对本文数值模型的计算精度影响,需开展网格无关性验证工作。由于本文所采用数值模型与文献[22]所采用的模型相同,因此网格条件的选取(主流网格尺寸a=0.04 m和Y+=1)与文献[22]保持一致。

在模型假设方面,基于文献[12]研究发现,蒸汽冷凝性能在含有大量空气的条件下会明显降低,与换热面附近的高浓度空气层相比,液膜热阻几乎可以忽略不计。因此,本文假设忽略液膜热阻,即计算中冷凝壁面的温度等于气液交界面的温度。此外,本文所采用的扩散边界层冷凝模型的适用性已经在前序研究中进行了充分验证[22],与多个实验装置(COPAIN[23]、Su[24]、Fan[25]、Dehbi[26])的结果符合较好,具有较高的计算精度。

3 计算结果分析

3.1 单管冷凝换热性能

为评估吹气效应的作用机制,则需要首先分析无吹气装置时的单管整体换热性能以及局部蒸汽流动与传热特性,以便于进行比较,如图2所示。本文选用的计算工况是典型的事故条件下安全壳气空间工况(压力P为0.3 MPa,过冷度ΔT为15 ℃,空气质量分数ωa为56%)。

图2 单管局部冷凝换热系数及空气层分布Fig.2 Local CHTC and air layer distribution of single tube

当蒸发在换热面发生冷凝,空气层会聚集在换热面附近,并且随着混合气体沿重力方向向下流动,换热面附近空气层厚度逐渐增大,蒸汽局部冷凝换热系数相应减小。

这种现象主要原因是空气层建立在换热面周围后,在重力的作用下逐步向下堆积增厚,在单管尾部形成较厚的空气层。此外,由于空气层建立在换热面附近,蒸汽需要穿过空气层到达冷凝面发生冷凝,这将大大降低蒸汽冷凝性能。因此,空气层在重力方向上逐步增厚,蒸汽局部传热系数逐渐减小。局部传热系数定义为：

(13)

为了便于与添加吹气装置的单管进行比较,分别定义了单管强化换热系数hc和单管平均换热系数hsingle。单管平均换热系数hsingle= 798.9 W/(m2·K)。

(14)

(15)

3.2 吹气效应的影响

基于单管冷凝换热性能的分析,本文固定吹气流量m=5 g/s,考察吹气效应影响单管冷凝换热性能的作用机理,并分析不同吹气参数(吹气高度、吹气口直径、吹气口数量)的影响机制。

3.2.1 吹气高度的影响

为评估吹气高度对含空气蒸汽冷凝换热特性影响,本研究固定吹气口直径D=50 mm,在吹气高度Z为0.1～0.9 m进行讨论,如图3所示。结果表明：吹气装置可显著提高单管的整体冷凝性能,并且在吹气高度Z=0.7 m时单管冷凝性能达到最佳,可使单管整体换热性能提高58.4%。

图3 吹气高度对冷凝传热系数的影响Fig.3 Influence of blowing height on CHTC

此外,如图3(a)所示,吹气高度Z在0.1～0.9 m内的强化换热率呈现出先上升后下降的趋势,在Z=0.7 m时,强化换热作用最佳。这主要是由于吹气口所覆盖的强化换热区域长度为0.7 m,当吹气口设置在Z=0.7 m以下时,吹气口所覆盖的增强区域在单管上不会被充分利用。当吹气口设置在Z=0.7 m以上时,吹气口覆盖的强化换热区域虽然在管上得到充分利用,但吹气口设置在空气层较厚的区域可获得更明显的强化换热效果,因此Z=0.7 m处的强化换热作用最佳。

3.2.2 吹气口直径的影响

为评估吹气口直径对含空气蒸汽冷凝换热特性影响,本研究基于以上分析固定最佳吹气口高度Z=0.7 m,在吹气口直径D在8～100 mm进行讨论,如图4所示。结果表明：在吹气口直径D=8 mm时单管冷凝性能达到最佳,可使单管整体换热性能提高411%。

图4 吹气口直径对冷凝传热系数的影响Fig.4 Influence of the diameter of blowing device on CHTC

进一步可发现,吹气口直径D在8～100 mm内,随着吹气口直径的减小,强化换热率会显著提升。因此,减小吹气口直径对蒸汽冷凝传热性能有明显的强化效应。由于吹气流量m恒定,强化效应主要是由于随着吹气口直径减小,吹气速度明显提升,带来更大的局部强化传热能力以及更广的局部强化传热区域,从而显著提升蒸汽冷凝性能。

3.2.3 吹气口数量的影响

为评估吹气口数量对含空气蒸汽冷凝换热特性影响,本文基于以上分析固定最佳吹气口直径D=8 mm,讨论吹气口数量对强化换热能力的影响。图5展示了双吹气和三吹气的单管整体换热性能以及局部蒸汽流动与传热特性。双吹气方案中2个吹气口分别位于Z=0.33 m和Z=0.66 m处。三吹气口方案中3个吹气口分别位于Z=0.25 m、Z=0.5 m和Z=0.75 m处。

图5 多吹气方案对局部冷凝传热系数的影响Fig.5 Influence of the multi-blowing case on local CHTC

如图5所示,与单吹气口方案相比,多吹气口方案会明显削弱强化换热能力。其中,双吹气口和三吹气口方案的强化换热率分别削弱了18%和24%。主要原因是吹气流量m恒定条件下,增加吹气口数量,虽然使得强化换热区域变广,甚至覆盖整个冷凝区域,但会明显降低吹气口的流速。如图4(b)所示,吹气流速提升会带来明显的局部强化换热能力提升以及更广的局部强化换热区域。相比于增加吹气口数量带来更广的强化换热区域,保持较高的吹气流速会获得更佳的强化换热效果。

为证实分析,开展了进一步的研究,结果如图6所示。随着吹气口数量的增加,吹气口所带来的强化换热能力始终处于降低的趋势,当吹气口数量n=7时,相比于单吹气方案,强化换热率降低了接近60%。因此,优先选用单吹气方案。

图6 吹气口数量对冷凝传热系数的影响Fig.6 Influence of the number of blowing device on CHTC

4 结论

1)吹气效应可显著提高单管的整体冷凝换热性能。吹气高度Z=0.7 m、吹气口直径D=8 mm时,单吹气方案的强化换热能力达到最佳,可达到411%。在固定的吹气流量下,多吹气方案较单吹气方案会削弱强化换热能力,当吹气口数量n=7时,相比于单吹气方案,强化换热率降低幅度会达到60%。

2)吹气口所能覆盖的强化换热区域长度为0.7 m。在不同吹气高度下,需要同时满足2个条件才能获得最佳的冷凝能力：条件1是充分利用吹气口所覆盖的强化换热区域;条件2是吹气口作用在较厚的空气层位置。条件1占主导作用,是条件2的前提。

3)减小吹气口直径和数量对蒸汽冷凝性能有显著的强化效应,其强化换热率和吹气口直径以及吹气口数量呈负相关的依变关系。