（热能工程专业论文）湿化器性能的实验研究和理论分析.pdf

摘要 摘要 湿空气透平( h a t - - h u m i da i rt u r b i n e ) 循环具有高效率、高比功、低污 染、低成本及良好的变工况性能等优点，受到国际能源动力1 二程界的重视，已经 成为新型热力循环的重要研究发展方向之一。湿化器作为h a t 循环中的关键部 件，是解决h a t 循环商业化的关键之一。本文对湿化器进行相关实验，了解湿 化器的性能，并计算湿化器内的传热传质参数、传质单元等。 喷嘴在决定进入湿化器的水流的特性的时候，起重要作用，考察不同的喷 嘴的喷雾特性，对选择合适的喷嘴，有重要的意义。本次喷雾特性实验，一共采 用六组喷嘴，在m a l v e r n 粒度测量仪上，进行喷射实验，测量喷射水雾的锥角和 粒度分布，结果表明，组合喷嘴喷射的水雾分布更均匀，流量特性更大一些。 进行湿化器性能实验，测量在不同工况下的湿化器进出口气流、水流的温 度、压力、流量等参数。对于湿化器出口处的加湿蒸汽，采用h o n e y w e l l 湿度传 感器测量其湿度，了解加湿效果。实验表明，提高水气比、提高进入湿化器的热 水温度，都可以提高湿化器的湿化效果。对于不同喷嘴的实验结果的比较表明， 5 0 m m 旋流喷嘴的湿化效果最好。 对于上面测量的数据，利用作图法进行计算分析，可以计算出在某个工况 下，湿化器内的传热传质系数、传质单元、传质推动力等。并且分析了这些参数 与进入湿化器的气流、水流的参数的关系。 关键词：湿化器、湿空气透平循环、传热传质、传质单元、作图法 a b s t r a c t a b s t r a c t w a n gm i a o l i n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h 3 ，s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rn i ec h a o q u n a s s o c i a t ep r o f e s s o r 7 a n gy u e t h eh u m i da i rt u r b i n e ( h a t ) c y c l e ，c h a r a c t e r i z e da san e wp o w e rg e n e r a t i o n c y c l ew i t hh i g he f f i c i e n c y , h i g hs p e c i f i cp o w e r , l o wc o s t s ，l o we m i s s i o n sa n dg o o d o f f - d e s i g np e r f o r m a n c e ，h a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ef i e l do fe n e r g ya n d p o w e re n g i n e e r i n g a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fh a tc y c l e ，t h eh u m i d i f i e rp l a y sa k e yr o l ef o rt h ea p p l i c a t i o n so fh a tc y c l ea n dw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h er e l a t i v ee x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o nw e r ed o n ei nt h i st h e s i st o u n d e r s t a n dt h eh e a ta n dm a s sl a - a n s f o ra n dt r a n s f e ru n i te t c t h ep e r f o r m a n c eo fw a t e ri n j e c t e di sa s s o c i a t e dw i t hc h a r a c t e r i s t i co fn o z z l e s a p p l i e d s i xd i f f e r e n tn o z z l e sw e r eu s e di nt h i se x p e r i m e n t i tg a i n e dw a t e rs p r a yf o r e a c hn o z z l ew i t ht h eh e l po fm a l v e m o p t i c a li n s t r u m e n t i ts h o w e dt h a tt h ec o m b i n e d n o z z l e sh a da d v a n t a g ei nf l u xp e r f o r m a n c e d u r i n gt h ee x p e r i m e n t sf o rh u m i d i f i e r , t h et e m p e r a t u r e ，t h ef l u xa n dt h ep r e s s u r e o fw a t e ra n da i rw e r em e a s u r e dc a r e f u l l y t h eh u m i d i t yo fa i rc a m eo u to ft h e h u m i d i f i e rw e r em e a s u r e db yh o n e y w e l lh u m i d i t ys e n s o r s i ts h o w e dt h a t t h e h u m i d i f i e rw o u l dw o r kb e t t e rw h e ni n c r e a s i n gw a t e r a i rr a t i oa n dt h et e m p e r a t u r eo f w a t e ri n j e c t e d t h en o z z l ew i t hs p o u td i a m e t e ro ff i v em i l l i m e t e rh a dt h eb e s t p e r f o r m a n c e w i t hag r e a td e a lo fd a t ag o tb yt h ee x p e r i m e n t s ，t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n d t r a n s f e ru n i te t c c o u l db ec a l c u l a t e db y g r a p h i c sm e t h o d k e yw o r d s ：h u m i d i f i e r , h u m i da i rt u r b i n ec y c l e ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r , t r a n s f e r u n i t ，g r a p h i c sm e t h o d 1 1 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 随着人们对能源问题的重视和对热力系统研究的深入，逐渐发展出了总能系 统的概念：即根据工程热力学和系统工程的原理，综合考虑系统中能量传递、转 换和利用的全过程。实现不同形式、不同品味能源的合理安排和梯级利用，以获 得最佳效果。基于这个概念，人们不再局限于考察单一过程、单一流程、单个热 力学循环的个别指标的优劣，而是着重探讨把不同的热力学过程和热力循环有机 地结合起来的总能系统，追求整个系统多项指标的综合最佳效果。研究结果表明 总能系统对提高效率、降低污染等有极大的帮助，并且这类系统已经有了商业化 应用，如燃气一蒸汽联合循环。湿空气透平循环( h u m i da i rt u r b i n ec y c l e ) 就 是基于总能系统概念的一种新型热力循环。 h a t 循环是一种以燃气轮机为主体，具有间冷、后冷、回热以及多相多组分 传热传质的复杂热力循环，系统结构如图1 1 所示。水从问冷器、后冷器、热水 器吸收燃机余热后从顶端喷入湿化器，与从底部进入的压缩空气逆流接触，进行 热质交换，水部分蒸发并且被冷却，空气被加热加湿。未蒸发的水从湿化器底部 引出并循环使用，湿空气从湿化器顶部引出，进入回热器，回收透平排气的部分 热能而被预热后进入燃烧室。h a t 循环利用系统的低品位余热使水蒸发到压缩 空气中，在不消耗压缩功的情况下增加了工质流量，提高了燃机系统的效率和比 功，体现了总能系统的能量梯级利用原则。与同样利用余热产生蒸汽做功的联合 循环相比，h a t 循环不需要蒸汽轮机底循环的相应设备，大大减少了硬件投资。 另外，h a t 循环具有优良的变工况性能，其环保性能困空气加湿燃烧而得以改 善。由于上述优点，h a t 循环受到了国际能源动力工程界的重视，已成为新型 热力循环的重要研究发展方向之一。 堡些堡堡堂塑壅堕竺! ! 塑些堡! ! 堑 r j 7 1 低压越气机2 商压压气机3 连空气避平置电机5 燃烧室6 脚蜘7 搏气 给承攫热嚣b 燕技饱枢h9 圃术幕l o 雁传器1 1 空气蛔玲嚣 图1 1h a t 循环系统结构简图 目前，研究h a t 循环的目标就是使其走向商业化，这需要解决以下的几个 问题：高湿度空气燃烧室技术；燃气轮机压气机和透平的重新匹配；高性能湿化 器技术；烟气中水分的回收和处理。其中空气在湿化器中的加热加湿效果直接影 响循环的性能，因此湿化器的设计和工况控制是实现h a t 循环商业化的关键之 一。 1 2h a t 循环研究综述 由于良好的热力性能，环保性能和经济效益，h a t 循环一经提出就受到了业 界的普遍重视，被誉为“跨世纪的热力循环”，与煤气化技术、能量储存技术相 结合，有望成为2 1 世纪火力发电系统的重要发展方向。从上个世纪8 0 年代丌始， 各国丌展了对h a t 循环的研究。 1 9 9 0 年美国的e p r i 、f l u o r d a n j e l 、t e x a c o 、t p m 等公司联合制定了一个时 第一章绪论 间表，准备分三个阶段实现h a t 循环的商业化。第一个阶段是在h a t 循环机械 预计性能的基础上，就实现的途径、系统的性能、投资和运行费用以及商业上的 可靠性等进行评估；第二个阶段是研究建造h a t 循环示范装置进行整机实验： 第三个阶段是开始商业化运行。瑞典国家工业技术开发委员会( n u t e k ) 开展 了“发电发热新过程”的研究工作，主要目的是开发热效率高、环保陛能好的新 型动力循环。比利时的j p h i l i p p e 、意大利的s s s t e c c o 、德国的a k r a u s e 等也 进行了相关工作【”。国内的研究工作主要集中在中国科学院工程热物理研究所、 上海交通大学、西安交通大学和哈尔滨工业大学等科研单位。 早期的研究主要是提出h a t 循环的热力系统和结构。1 9 8 3 年，目本人m o r i 提出h a t 的原型【4 】。1 9 8 5 年，日本学者n a k a m u r a 等在美国申请了专利5 1 。1 9 8 9 年美国的a d r a o 也申请了有关专利6 1 。就此h a t 循环的雏形基本形成。 随后，很多学者对h a t 循环进行了热力学分析，加深了对h a t 循环基本规 律的认识。焦树建等 1 2 】详细分析了h a t 循环中供电效率和比功的解析表达式， 在此基础上，通过数值计算研究了压比、透平初温、回热度、空气湿度对h a t 循环效率和比功的影响。蔡睿贤等【7 1 用比较法分析了循环的性能计算公式，王永 青、严家骤等【8 】则采用系数修正法分析复杂循环的性能。王永青、陈安斌等【。1 利 用能量传递一转换模型对h a t 循环进行分析，分析了循环的利用和各部件 性能对系统的影响，并指出在h a t 循环中透平的效率贡献系数最大，其性能对 系统影响显著，其次是燃烧室。意大利的s s s t e c c o 等1 1 0 1 1 1 】主要分析循环中离 低压压气机的压比等参数对循环性能的影响，也进行了对循环的结构优化。这些 研究工作中，主要是考虑系统中一些主要参数对性能的影响，如透平初温、循环 压比等。也开始分析在特定流程下，这些参数与系统性能的关系曲线。还开始考 虑系统的建模机理，为进步了解h a t 循环的物理本质和规律打下基础。 随着对h a t 循环的认识的深入，部分学者开始考虑h a t 的优化问题以及 h a t 循环与其他循环的联系和区别。由于在h a t 循环核心概念的前提下，系统 流程存在多种选择，p c h i e s a 在综合以往学者的研究成果的基础上，提出了h a t 湿化器性能的实验研究和理论分析 循环的超结构流程。王永青等u 2 1 在此流程的基础上，用非线性规划的方法，对其 进行优化，得出了性能最佳的h a t 循环的结构特点：去掉后冷器a c i ，压比较 低，循环效率和比功都比较高。王永青、王滨、严家酥【”】贝0 将湿压缩方法( 它是 改善燃机装置性能的有效手段，通过向被压缩空气喷入大量细小的水滴来降低宅 气温度、减少压缩耗功，进而达到增大燃机输出、提高燃机效率、降低n o x 排 放的目的) 用于h a t 循环，构造了w h a t ，并对循环进行了整体优化，分析循 环的性能特点和规律，并得出了其最优化情况下的压比、循环效率、比功等。肖 云汉、蔡睿贤、林汝谋【娃立了h a t 循环的维模型，并进行了优化计算，结 果表明，h a t 循环的严格最佳工作压比低于1 0 0 ，不同于国际上普遍流行的结 论：高压比对应于高效率；而且在部件热力学完善性偏保守估计的情况下，当透 平前温度为1 2 6 0 。c 时，效率仍可突破6 0 。靳海明等介绍了h a t 循环的一种 改型结构c h a t 循环：通常h a t 循环为单轴系安排，而c h a t 循环为双轴系安 排：h a t 循环中有高、低压压气机，而c h a t 循环中有高、中、低压压气机； h a t 循环为单个透平，而c h a t 循环为高压和低压双透平。两者存原理方面一 致，主要区别在于轴系安排。f ； 于增加了轴，c h a t 变工况性能更加优越。黄瓯、 邹介棠、吴铭岚等 1 6 1 用 分析的方法比较了注蒸汽燃气轮机( s t i g ) 循环和h a t 循环的不同特点，它考虑了两种循环的第- - i 质水的加热方式和加注点的区 别，指出损失最大的地方都出现在燃烧室，前者可以采用双压锅炉在不同压力 处注汽来减少损，而后者则可以利用外来的低温废热提高水气比来提高效 率。朱华、赵敬德等”，懈1 分析了利用h a t 循环，构成热电冷三联产的可行性以 及其优点。 早期的优化主要是结合热力学分析，考虑系统某些参数对整体效率的影响， 可以称为参数优化；由于h a t 循环的流程有多种选择，不同流程情况下，有不 同的优化参数，这样又可以进行流程优化。中国科学院工程热物理研究所首先建 立了h a t 循环系统优化模型【1 4 l ，对h a t 循环进行参数与流程结构的同步优化。 h a t 循环与其它热力循环的比较和联系，从h a t 基础：发展出来的新的循环， 如蒸发一回热循环r e v a p 、具有再热的h a t 循环c h a t 、压缩空气储能系统 c a s h 等，也是研究的热点。 一d 第一章绪论 在h a t 循环关键技术研究方面，w h d a y ，wa s o w a 等制订了h a t 循 环中燃烧室的研制计划，主要目标是通过动力模拟研制出能够有效的燃烧高湿 度、高压气体燃料且污染小的燃烧器。 瑞典的l u n d 工程学院在1 9 9 7 年建成了世界上第一个h a t 循环实验台1 2 8 , 2 9 1 ， 第一次从循环理论和关键技术方面对h a t 循环进行了全面验证。实验台的工作 压力为8 0 b a r ，采用了后冷器冷却进入湿化器的压缩空气，空气温度从6 2 到 1 0 5 范围变化，可以在多种工况下运行。湿化器高3 0 m ，内部直径0 7 m ，呈圆 筒状，内装填料，并设有除雾器。填料的作用是提供狭小的交换通道，增加气液 的接触面积，能达到2 5 0 m 2 i n 3 ，填料高度从2 2 5 m m 变化到9 0 0 r a m 。除雾器是为 了拦截从湿化器出来的加湿空气中的水滴而设计的装置，装于湿化器的顶部，能 有效的减少湿化器出口气体的水滴夹带量。后冷器由多层金属叠加而成，空气压 降为1 2 ，共有1 7 0 片金属板，千重3 0 0 k g ，高约1 0 m ，宽约0 4 m ，长约o 7 m 。 水回收装置由两个部分组成，第一个部分是对透平后的烟气进行冷却，冷凝出水 分，第= 个部分是对水进行处理，使其适合燃气透平工作的需要。水处理的结果 比较可观，处理前的水中，钾、钙、钠离子的浓度总和约为2 0 m g l ，硝酸离子 的浓度约为1 4 o m e d l ( 来自燃烧中产生的n 0 2 ) ，铜离子的浓度约为1 6 0 m g 1 ， 处理后能满足透平工作的要求。 1 3 湿化器的研究现状 由于对空气的加湿效果直接影响到比功和效率，湿化器在h a t 循环中起重 要的作用，国内外对其性能和设计进行了大量的研究。靳海明、蔡颐年等2 0 1 指出 了研究h a t 循环中湿化器性能的必要性，并初步建立了湿化器性能实验台，为 掌握湿化器性能，深入研究h a t 循环作好了实验准备。由于湿化器是利用系统 中的低温热能来加热和加湿压缩空气，增加透平工质流量，从整个循环出发，对 其有如下要求： 加湿效果好：湿化器出口空气的湿化程度与湿化器内空气流速、进口空气 温度、压力、湿化水温、水压、水流量及喷嘴的具体结构、湿化器本体结构等都 湿化器盹能的实验研究和理论分析 有关系。但提高空气相对湿度同要求饱和压损小、湿化器尺寸小又有矛盾，如何 合理设计湿化器和合理组织流体气动力学参数，显得格外重要。由湿化器出r _ 湿 化空气的相对湿度和湿球温度两个参数( 即绝对湿度) 来衡量湿化器中的空气加 湿效果较为合理；进出湿化器的热水温度差大于3 5 ；出湿化器水温与进湿 化器空气的湿球温度之差高于设计可实现的温差d n ，一般为2 3 。c ；在湿化器 中，存在一个最佳的水、空气相对流速值，流速过高，则水雾在湿化器内逗留的 时间过短，会影响加湿效果。 压损率小：由于湿化器的尺寸有限，湿化器内的加湿过程是在较高速度的 气流中进行的，还要保证工作稳定及良好的掺混，因此压力损失较大。为了保证 湿化器的性能，湿化器气流应合理组织，使湿化器压损率较小。 在各种工况下运行可靠：湿化器喷嘴工作稳定，热水雾化均匀，在各种工 况下运行可靠，加湿效率在循环变工况时下降较少。 选材适当，便于维修。 湿化器本体并不复杂，一般为圆筒状，其内径大小、本体高度由设计的湿化 器工作条件计算决定。本体需要定的耐压、耐腐蚀能力，具有很好的密封性能； 为了减少湿化器本体对外界的传热量，可在其内衬遮热板或者外设保温层；本体 耍能合理组织气流，并且与热水喷嘴结构相匹配。 图1 , 2 湿化器中水喷嘴的结构简图【2 0 第一章绪论 由加热系统供应的热水通过热水喷嘴按所需的流量、均匀度及方向喷出，在 湿化器内同上升的空气混合，进行传热传质。简单的喷嘴由切向孔、旋流室和喷 口组成，如图1 2 所示。较高压力的热水经过切向孔进入旋流室，在其内作旋转 运动，最后以很高的旋转速度由旋流室中央的喷口喷出，将水碎裂成细雾，喷出 的高速水滴与空气相摩擦而进一步碎裂雾化。对内径较小的湿化器，宜采用较小 的喷雾锥角，以免把大量水喷射到湿化器的内壁上而影响空气的加湿效果。运过 厅吾 d , f l 地水流量可以表示为：q = k p 爿f 竺，水流量与喷水压降的平方根成正比。 yp 另外，喷水压降愈高，则雾化愈细，故满负荷时容易雾化好，而在部分负荷时会 因喷水压降太低而雾化不良，严重影响湿化质量。因此，在最小水流量时保证雾 化质量的前提下，简单的离心喷嘴的流量调节范围，即最大水流量与最小水流量 之比为( 2 ，o 4 o ) ：1 0 。 尚德敏、王永青等2 1 1 从传热传质的机理出发，建立了湿化器的数学模型。文 章根据其提出的理论水量的概念( 使得湿化器出口空气刚好饱和的入口热水流 量) ，将湿化器内的传热传质分成两个阶段，分别列出方程进行计算，其中第二 个阶段的方程需要补充考虑水的凝结放热。计算中需要的传热传质系数采用r 本 人稻积所整理的实验关联式。 徐越、危师让、孙弼等【2 2 】介绍了湿化器中水滴蒸发特性和数值计算方法，并 对西安交通大学湿化器实验台用参数的水滴蒸发过程进行了计算，分析了一些参 数对水滴蒸发特性的影响。由于湿化器内传热传质比较复杂，文章从单一水滴的 蒸发过程出发，利用质量、能量守恒方程，建立了水滴蒸发特性模型。然后在西 安交通大学的湿化器实验台参数范围内进行了计算，研究水滴初温、水滴温差、 环境压力、环境温度、水滴初始半径、环境含湿量与蒸发时间的关系。 王新军、靳海明等2 3 1 利用m a l v e n l 粒度测量仪对湿化器性能进行了实验研究， 测量了湿化器内部空气和水的温度分布及湿化器出口湿化空气中液滴的粒径分 布。实验研究结果表明：在进口空气温度不变的情况下，饱和器出口湿化空气的 湿化； 性能的实验研究和理论分析 温度和出口水的温度随着进口热水温度的提高而增加；同时，饱和器内空气与水 的温度相等的部位向饱和器下部移动：饱和器出口湿化空气所含液滴的粒径变 小，粒径分布范围变窄。 孙晓红、翁史烈等2 4 1 针对目前湿化器研究中存在的主要问题，即湿化器的体 积、结构、喷雾器的设计与布置、水的加热设备以及模拟真实湿化器内热力过程 等，做了深入的分析，提出湿化器性能实验设计方案，并设计、加工了湿化器性 能实验台。文章采用一维传热传质模型进行热力学分析，湿化器结构简图如下： ”爿 “哩 日_t - 匕j i l j 阚暨l 踺引 。 图1 3 上海交通大学湿化器的结构简图【2 4 左边为其喷嘴的布置方式，采用三支喷嘴一组的方式可以使得水雾在湿化器 内更加均匀。该实验台采用的是简单的离心式喷嘴，为了保证最低限度的雾化条 件，喷嘴起喷压力维持在0 4 9 m p a ，当喷水量减少时，喷雾质量较差。右边为湿 化器实验台本体简图，表明了热水、空气、排水、湿气的进出位置。湿化器本体 的直径设计需要综合考虑实验条件，主要是为了达到合适的喷射速度。 刘刚、王永泓等2 5 1 建立了湿化器的维传热传质均匀模型，得出了热、质交 第一章绪论 换沿高度分布的理论曲线：给出了水气交换界面的含湿量曲线，从而解释了湿化 器内的传热传质量与高度的关系及原因；还考虑了水气界面水膜热阻对湿化器性 能的影响，并提供了水膜热阻的计算方法。 白鹏、张卫江等【2 6 】采用传热传质系数直接关联法建立了湿化过程的数学模 型，在规整填料增湿实验装置上进行了常压和加压空气增湿的对照实验，实验数 据与理论结果致。实验表明，随着湿化器内压强的增大，空气的出口温度、相 对湿度和水的出口温度都随之增加；加压与常压相比，提高进水温度时，空气的 出口绝对湿度和相对湿度以及水的蒸发量增长的幅度较小，而空气和水的出口温 度的增长幅度却较大。 赵丽风、张世铮、肖云汉等鲫也采用传热传质一维模型，利用实验研究给出 的传热与传质系数经验关联式，沿湿化器高度积分，得到各参数及湿化器内传热 传质推动力焓差沿湿化器高度的变化，计算分析了湿化器的设计工况性能和 变工况性能，为湿化器的设计和开发提供了理论依据。文章指出，在热回收过程 中，能品位的匹配是非常重要的，采用多压、再热余热锅炉或有机工质底循环可 改善匹配，降低不可逆损失。文章还总结出来的气相传质系数的经验公式： k 。d = 1 3 8 g “”- l o ；在设计湿化器的时候，要通过提高热水温度、增加热水流 量来改善加热加湿效果，湿化器的高度也要相应的提高；通过增加热水流量来改 善空气的加热加湿效果没有提高热水温度的改善效果显著。 在进行湿化器有关的计算分析的时候，都要先设定湿化器内的传热传质的物 理模型，然后再进行物理分析，归纳出物理方程，采用合适的处理方法处理方程 和数据，得出需要的结论。目前在湿化器的研究中，主要采用的是一维物理模型， 这也是工业上应用的加湿器、减湿器设计计算中采用的一般模型。 瑞典l u n d 工程学院的湿化器( 填料塔) 传热传质模型也是一维的，它将湿 化器沿塔高分成许多小段，分析每一段的传热传质情况( 如图1 4 所示) ，列出 传热、传质传递方程： 里垡鲨堂型型婴塑塑一 卜i 。下：i 1 图14l u n d 工程学院温化器物理模型：质晕平衡1 2 ” 设删代表气体湿度，下标i 指界面状态，下标g 指气体状态，是传质系数， p 是气体密度，口是填料面积，a 是湿化器截面积，d s 是填料接触面积，则质量 守恒方程为： 警一一，呐等a ( 1 以) z1 一w ， 其中。，代表质量通量，4 ，相当于个面积相关系数，定义如下： 出= a a d z = 爿d z ( 1 - 2 ) 设 代表气体的焓值，叮代表热量传递，可以推出能量平衡方程： 些掣4 + 埘4 ， ( 气十目)( 1 - 3 ) 旦玉等垫立：可。爿，+ m ”爿，丸( t i 6 1 1 ) ( 1 - 4 ) 利用牛顿微分方程，并对上面的方程重新进行整理，可以得出： 警= 譬m 一。p + 蛩j 出 ，l 1 一( ， 其中，l e 是l e w i s 数，在气体湿度较低的情况下等于1 0 ， 化器的结构不同有所不同，通常从0 , 5 变化到0 7 5 。 总结质量平衡方程和能量平衡方程，可以得出 ( 1 5 ) 其上标s 根据湿 a i 阻 堕： 砌。 下面求解气液界面参数，下图是气液界面传热传质示意图： 图1 5l u n d 工程学院湿化器物理模型：气液界面2 8 ( 1 - 6 ) 可以导出如下方程： i = 去h 骨砘晋吆 m ， 其中，r 指摄氏温度，卧嗨分别气、液传热系数- 垓是液体蒸发的焓变n 对于传热传质的规模，可以通过传质单元数v 兀，来衡量，其定义如下 d ( m v ) ：p h , ，d , d z 0 - 8 ) 捌 实际计算的时候，可以利用质量、能量平衡方程，将其变形为： d ( n t o ) = ( 1 9 ) 对于传质单元高度h 刑，定义如下： 删一土h (1-lo)dp a a 5 、， z u 和删的乘积即是所需填料的高度z 。 习一卜 一t、= 妒 ，。b。陟。叫纠。 g 刀彳爿纠以爿升 生 ，hl 湿化器性能的实验研究和理论分析 1 4 本文研究内容 本论文的主要工作包括喷雾特性实验、湿化器性能实验及相关计算和分析。 空气温化器是h a t 循环中的关键部件，虽然它在化工领域已经得到了比较广泛 的应用，但是在燃机循环中却是首次出现，循环对其性能提出了新的需求，这些 规律并没有被熟练掌握。由于在湿化器中，存在多相多组分传热传质的复杂热力 过程，对其性能的研究不仅需要计算手段，还需要通过实验验证物理模型，以期 得出设计合适的湿化器的准则。 目的，国内外建立了多个湿化器实验台，并且进行了一些实验，物理模型也 逐渐得到完善。国内的中国科学院工程热物理研究所、上海交通大学、西安交通 大学、哈尔滨工业大学都建立了湿化器实验台，并且发表了一些研究成果。从研 究的结果来看，湿化器的内部的性能参数还是依赖于数值计算，不能直接测量； 湿化器的实验压力还比较低，不适合最优的h a t 循环结构的压力需求；湿化器 与h a t 循环中其他部件如加湿燃烧室、水回收等的匹配问题还处于研究初级阶 段。 基于以上情况，本文通过实验，研究了现有低压湿化器的性能与喷雾特性的 关系，进一步促进人们对湿化器性能的认识。在一维物理模型的基础上，采用较 为简便的作图法，分析实验所得的数据，计算湿化器内的传热传质参数和传质推 动力。 本文的结构如下： ( 1 ) 第二章为湿化器相关的喷雾特性实验。由于喷嘴的型式，决定了喷入 湿化器的水雾的分布情况，也直接影响到湿化器内的传热传质过程，采用不同型 式的喷嘴，进行喷雾实验，然后对其喷射的水雾的分布范围进行比较。得出不同 型式喷嘴的喷雾特性( 流量特性和锥角特性) 。根据喷雾特性实验的结果和湿化 第一章绪论 器对组织水流的要求，得出适合湿化器的喷嘴的特点。 ( 2 ) 第三章为湿化器的性能实验。介绍实验室原有的湿化器实验台，以及在 该实验台上进行的性能实验。对于实验过程中出现的问题以及解决的方法也作了 简单介绍。对比不同的工况、不同的喷嘴，对入水温度、水气比、喷嘴性能等对 湿化器性能的影响进行了简单的分析。 ( 3 ) 第四章为湿化器实验的相关计算。根据湿化器实验采集的数据，采用 一维物理模型，计算湿化器内的传热传质系数、传质单元、传质推动力等，分析 这些参数的变化与湿化器工况的关系。 ( 4 ) 第五章为本文的结论。 ( 5 ) 今后工作展望。湿化器研究的最终目的，是为了促进h a t 循环的商业 化，从实际证明h a t 循环的优越性。今后的工作，将在新设计的可以承受较高 压力的新型湿化器上展开，新的测量手段的加入，可以直接测量湿化器内流场、 液滴粒径、气液温度等参数。由于湿化器本体结构的改变，可以承受的压力的增 加，其性能必然发生改变，需要重薪进行湿化器性能实验。还将在新型湿化器的 基础上，研究它与加湿燃烧室、水回收的匹配问题，并最终建立起完整的h a t 循环。 第二章喷雾特性的实验研究 第二章喷雾特性的实验研究 湿化器是h a t 循环中的关键部分，起到回收低品位热能，加热加湿压缩空气 的作用，对其性能的掌握是研究h a t 循环的关键内容之一。在湿化器中，压缩 空气与热水逆流接触，气液之问既存在温度差，又存在空气与水表面的湿度差， 通过传热传质，热水被冷却，压缩空气被加热加湿，既回收了低温热能，又增加 了透平工质流量，减少压缩功，增大了输出功。这个传热传质过程中的推动力足 温度差与湿度差的和( 即焓差) 。 水在湿化器中不是等温蒸发，而是变温蒸发，加之与空气是直接接触，显着 的降低了不可逆损失，提高了系统效率。空气湿化的效果受很多参数影响，如进 口空气温度、压力、热水温度、水压、水流量、湿化器结构等。对于上述参数中 的气液状态，可以通过各种传感器进行测量和控制。但是对于湿化器内部参数， 不易测量，大多依赖计算和理论分析。 为了促进气液在湿化器内的接触和传热传质，增强湿化效果，在设计温化器 的时候，通常会采取一些物理措施，对气、液进行整流：对进入渝化器的气流。 要使其比较平顺的进入湿化器，并且尽量延缓其通过湿化器的时间，通常是利用 填料来达到这个效果的；对于液流，则希望它在湿化器内分布比较均匀，尽量少 碰壁，并且液滴大小合适，通常是通过设计合适的喷嘴来达到这个效果的。 由j 二喷嘴在热水进入湿化器后的分布中起到了很重要的作用，进行喷嘴实验， 了解不同类型的喷嘴的性能，具有一定的意义，可以为设计湿化器的时候，选择 合适的喷嘴提供依据。对于给定的喷嘴，进行湿化器性能实验，变化进入湿化器 的热水温度、热水流量、气体流量等参数，了解出口空气的湿度和温度，分析湿 化效果。 2 i 喷嘴性能 湿化器性能的实验研究和理论分析 2 1 1 喷嘴性能简介 湿化器的湿化效果与进入湿化器的液流、气流的流量有关，也与液流、气流 的流动状态有关。对于液流，主要是其进入湿化器的流量、喷射锥角、液滴尺寸、 液滴粒度分布等，这几个参数主要由喷嘴内部的流动过程决定，也就是蜕：其流 量特性及锥角特性主要由喷嘴的型式及喷嘴的结构设计等因素所决定，所以它们 又称为喷嘴性能。 表达喷嘴雾化性能的参数是液滴的平均直径及尺寸分布表达式中的指数和 系数。一般常用的平均直径是质量中间直径功。或s m d ( d 3 2 ) ，常用的尺寸分布 表达式为r o s i n - - r a m m l e r 式，如下： r ：。卜9 j 】 ( ：山 变形可得： ( 2 2 ) 通常用公式中的指数n 来表示液滴粒度分布的均匀程度，它称为均匀参数， n 值越大，则意味着液滴分布越均匀。一般喷嘴的h 值在2 0 4 0 ，旋流喷嘴可 以达到8 0 。 从雾化机理的分析可以知道：在液体雾化过程中，不论是先形成表面波再撕 裂成为液滴，还是液膜在离心力作用下展薄变形成为液雾，它们都是由于气动力、 惯性力、表面张力和粘性力这四种力相互作用的结果。要使过程相似，需要保持 这些力之间的一定比例关系。采用如下的无因次准则： l 、气动力对表面张力，称为韦勃准则： 耽；业 仃 2 、惯性力对粘性力之比，称为雷诺准则： ( 2 - 3 ) 第一二章喷雾特性的实验研究 r 。：生 y f 3 、表面张力对粘性力之比，称为拉普拉斯( l a p l a c e ) 准则 z p ：华 ”，p ， 4 、气液之间的惯性力与粘性力之比： m ：堡：生 2 1 2 喷嘴特性的计算 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 对应于我们采用的旋流喷嘴( 又称离心喷嘴) ，其主要特点是液体从喷口喷 出之前先形成高速旋转运动，液体离开喷口后，在离心力作用下展薄成膜，这对 改善雾化效果超了重要作用。早期的旋流喷嘴，采用的是螺旋槽或切向槽产生高 速旋转运动，后来改进为旋涡室造成高速旋涡的流动，这样可以减少流动阻力损 失，并且结构简单，制造方便，是目前的旋流喷嘴的基本型式。 从连续性条件司得通过喷嘴的液体流量为： 啊= 玎卜跏s 警 嘲 陋， 其中嘶是液体流量，k 为喷口半径，6 为液膜厚度，是喷射平均锥角，1 7 是液体重度，h 是液体速度。其中，巧按下式求得( 印指切向孔到喷口之间的 压差) ： 弘v 2 9 y a ，p ( 2 1 8 ) 另外。流量还可以表示为： = q2 丽 ( 2 9 ) 其中，肛是喷嘴流量系数，计算可以得蛰j ： 湿化器性能的实验研究和理论分析 鱼：蜓 倍呐 c o s 生 式( 2 1 0 ) 表明了液膜厚度6 与喷嘴特性中的流量系数弘以及喷射锥角 之间的关系，它可以把雾化特性和喷嘴特性( 即流量特性和喷射锥角特性) 联系 起来，为湿化器实验的喷嘴设计提供一些依据。 实验中使用的旋流喷嘴为单级离心喷嘴( 参见图2 4 ) ，其流量系数和喷射锥 角可以进行理论计算。其中出为切向孔直径( 记其半径为n ) ，以为喷口直径( 记 其半径为) ，切向孔中心线与旋流室中心线之距r 为旋流涡半径。液体旋转着 流向喷口，根据动量矩守恒原理，则其切向速度将随着半径的缩小而增大，在喷 口处旋转速度很高，形成空气涡，空气涡半径为“。空气涡占据了喷口出口的中 心部分，使得液体在喷口处形成一个贴壁的液膜，液膜以轴向分速和切向分速离 开喷口，形成一个锥形液膜。为了使得漩涡流动均匀些，对称些，切向孔的数量 一般不止一个，设为i ，并且尽量对称布置。 计算旋流喷嘴的方法有两种：一种是基于最大流量原理的阿勃拉莫维奇理 论，一种是基于动量方程的应用。后一种方法的计算结果与实验数据比较接近， 但是方法比较复杂，可以用于喷嘴的设计计算。而基于最大流量原理的方法比较 简单，公式比较集中单一，使用方便，应用广泛，下面介绍这种方法。 流量系数的计算采用和直射喷嘴相同的公式( r 为喷口有效面积) ： w = 只2 9 ，p( 2 1 1 ) 假设液体为理想流体，即忽略粘性的影响，则结合伯努利方程、动量矩守恒 原理、离心力和压力的平衡、连续性条件等关系可以得到： 5 了亍彳( 2 - 1 2 ) 、1 - - 妒妒2 其中，a 为几何特性，西为有效断面系数，定义式如下： 1 7 - - 第二章喷雾特性的实验研究 肚等川一手 p ， f r r 一 在上面的关系式中，西是一个未知参数，无法从喷嘴的外部参数直接计算， 这样，需要添加一个约束爿+ 可以确定流量特性肛和几何特性4 之间的关系。阿勃 拉莫维奇认为这种约束，就是最大的流量系数，即： 盟：o ( 2 1 4 ) d 汶样斯百t 以得m 下面的计算公式。应用于实际的旋流喷嘴的计算： 4 = 拶= 唇2妒3 。 、j 一妒 ( 2 1 5 ) 对于实际的有粘性的流体，只需要在公式( 2 1 5 ) 的基础上对几何特性4 进行修正，用当量几何特性aa 代替爿即可，其中ae 的定义如下： 鸣= 丽蔫赢习 f 2 - 1 6 ) 其中，胁为切向孔的流量系数一般在孔口有倒角，孔的长径比比较大的时 候，可取为地= 1 0 。，是摩擦系数，它是雷诺系数r e 的函数： i g ( 1 0 0 ，) 研2 5 8 ( 2 1 7 ) 对于喷射锥角的理论计算，一般是近似的认为液流离开喷门时，切向分速 和轴向分速之比是喷射角a 的j 下切关系，即： 畸= 争 倍 实际上，沿喷口的半径方向，各个分速度并不相等，因而一i 同的半径上液流 的喷射角是不相同的。一般按照平均半径= 主处的喷射角作为离心喷嘴的 喷射锥角。按照阿勃拉莫维奇的理论，在喷口处轴向分速度沿半径不变，切 向分速度的动量矩不变，可以得到： 磐皂=( 2 1 9 ) 公式( 2 1 5 ) 和( 2 1 9 ) 结合，就可以求出喷嘴特性( 流量特性和锥角特性) 蒿煎丽 湿化器性能的实验研究和理论分析 但是它的计算结果与实际买验数值相差较多。 若考虑到喷口出口处沿半径轴向分速度是改变的，但是在半径上各点的静压 都等于周围大气压力，并且各点的总压相同，则可以得到半径r 处的锥角为： 畸2 惫 弘z 。， 在平均半径处的锥角为： 铲2 培。而孝菰 ：， 其中，s ：生是空气涡的相对尺寸。 r 需要注意的是，这罩aa 和肛的关系，不能利用前面推导出来的流量特性计 算公式，因为它是在轴向分速沿半径不变的条件下得到的，可以采用下面的替代 公式： 。厨一s 蹶一2 爿；k 塥 ( z 2 z ) 由( 2 - 2 1 ) 和( 2 - 2 2 ) 确定的计算公式，还需要一个约束，才能最终确定流 量系数弘和当量几何aa 特性的关系，并求出锥角特性。按照最大流量原理，即 ! 多= o ，按公式( 2 2 2 ) 可以求得s ：爿。，故有锥角特性为： 嬲 ( 2 2 3 ) 实际应用中，还可以采用统计的经验公式。有学者对我国的燃气轮机、动力 站所使用的一百多例离心式喷嘴进行了统计，其流量范围为4 0 3 0 0 0 k g h ，当量 几何特性爿。范围为0 5 5 0 得到流量系数肛和锥角特性( 。o 1 0 0 表示离喷 嘴1 0 0 n u n 处测得的喷射锥角) 的经验公式如下： z = o 4 0 5 4 a 一。7 5 口，。= 5 8 w ”，= i 1 f 0 5 ( 2 - 2 4 ) 下面考虑旋流喷嘴的雾化特性，即液滴的粒度分布情况。 在英、美等国应用得较多的是n e e d h a m 归纳出的特性关系式，用于估算单 第二章喷雾特件的实验研究 级离心喷嘴的s m d ，计算公式如下： 瓦= 筝 b ：s ， 其中，一d ，：是s m d ，u ，是液体的运动粘性系数，盯，是液体的表面张力，w ，是 液体流量，印是喷嘴压降。 另外，还有学者把十多位研究者的实验结果，用基本相似准则归纳为经验公 式，而且用液膜厚度占来代表特征尺寸，其应用更为广泛。特别的，对于水和 水甘油溶液，有： l g 肇：4 , 4 7 l p 一”一0 3 5 1 9 w e ( 2 - 2 6 ) 0 对液滴乎均粒径有影响的各种因素，包括液体牯性、液体表而张力、液体流 速、喷嘴的设计性能。 液体粘性越大，则、乎均直径越大：粘性的影响，不仅在雾化中起作用，而且 在喷嘴内流动过程。i i 也有很大的影响，粘性大使液流速度降低，并使液膜增厚， 区| 而它随着喷嘴尺i j 。结构不同而影响程度不同，小尺寸小流量的喷嘴。粘性影响 较大。近似可以认为，液滴平均直径正比于液体运动粘性系数的0 , 2 次方关系。 液体表面张力的影响是表面张力愈大，则液滴平均直径愈大，般碳氧燃料 的表面张力变化不大，可以忽略。 液流速度的影响是最主要的，液流速度愈高，液滴直径愈小，一般旋流喷嘴 的液滴平均直径反比于液流速度的o 6 o 7 次方。相应的，液滴平均粒径反比f 压降劬的o 2 5 0 4 次方。 另外，旋流喷嘴在设计上和加工质量上的差异也会引起雾化质量的变化。例 如，喷口孔的长径比希望愈小愈好，目的是减小旋转速度损失般要求小 口c 于或等于1 , 0 。- 1 的不同最终反映在流量系数肛和喷射锥角娜上，从而使液滴 c 平均直径不同，可表示为： 湿化器性能的实验研究和理论分析 d n d | 2 0 1 3 7 其中，d j 加为长径比寿等于1 。时的液滴平均直径- 彻。 2 2 喷雾特性实验 f 2 2 7 ) 2 2 1 喷雾特性实验台及其相关仪器 喷雾特性实验的目的是研究不同类型喷嘴对应的喷射水雾的分布情况，实验 采用几种不同规格的旋流喷嘴，以及在其基础上改进的组合喷嘴。对于水雾的分 布情况，通过测量喷射水雾的锥角和水滴大小的分布来反映。 本实验台简图如下( 实物图见图2 1 8 ) ： 流 量 计 图2 i 喷雾特性实验简图 该实验台主要有两个部分组成：水的供给和循环系统、水滴分布的测量系统。 其中，水的供给系统由北京市第二水泵厂生产的型号为s f 2 0 l g i 6 - - 8 1 2 多级立式水泵和一个自制储水箱组成。该水泵流量范围1 0 m 3 h ，总扬程9 7 8 m ， 轴功o 9 1 8 k w ，效率2 9 0 5 。水流量测量采用的是浙江余姚流量仪表厂生