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论文打印稿范文 学校代码10289分类号TK17密级公开学号08xx050江苏科技大学硕士学位论文过热蒸汽饱和器的研究与设计研究生姓名程颖导师姓名周根明申请学位类别工学硕士学位授予单位江苏科技大学学科专业轮机工程论文提交日期xx年12月30日研究方向能源与人工环境论文答辩日期xx年3月13日答辩委员会主席苏石川评阅人xx年3月6日过热蒸汽饱和器的研究与设计程颖江苏科技大学分类号TK17密级公开学号08xx050工学硕士学位论文过热蒸汽饱和器的研究与设计学生姓名程颖指导教师周根明教授江苏科技大学二O一一年三月A ThesisSubmitted inFulfillment of the Requirementsfor theDegree ofMaster ofEngineering TheDesign andResearch of the SuperheatedSteam SaturatorSubmitted byCheng YingSupervised byZhou GenMing JiangsuUniversity ofScience andTechnology Mar,xx江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名年月日江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 (1)保密，在年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名指导教师签名年月日年月日摘要I摘要本文着重研究了过热蒸汽饱和器内两相流动换热机理，尝试将单个水珠的微观蒸发过程与宏观的流动传热特性联系，在其中架设桥梁，以更好地了解过热蒸汽饱和器内(混合管)过热度的变化规律及其主要影响因素。 首先，从单一水珠角度探索分析蒸发模型。 基于热质交换原理，从微观角度研究水珠蒸发模型，并系统比较了两种不同相际传热方式对水珠蒸发速率的影响。 分析结果表明对流换热方式下的蒸发速率要比导热方式下要高得多。 并运用FLUENT软件仿真模拟了水珠蒸发过程，分析水珠直径随蒸发进程的变化规律，并研究了过热度对水珠蒸发的影响。 其次，建立了混合管内气液两相传热传质过程的简化物理模型。 从单一水珠蒸发模型出发，推导出相际间不同传热方式下单位体积蒸发速率的具体表达式。 并对连续方程和能量方程进行求解，获得了混合管内过热蒸汽质量流量和过热度的变化图。 在此基础上，对比分析了相际间不同传热方式对混合管长度（即饱和器结构特性）的影响；探讨了不同水珠初始直径（即雾化质量）对饱和化的影响。 研究发现混合管中的饱和水蒸发过程快慢，最主要取决于四个因素水珠初始直径、饱和水质量流量、过热度和相对速度。 有无相对速度决定了相际间不同的传热方式。 并运用SOL软件模拟了混合管内气液两相流传热传质过程，数值模拟结果与上述求解结果基本吻合。 最后，选择一具体工况，对一种新型过热蒸汽饱和器进行了结构设计，确定了饱和器的外形尺寸与内部填料函的型式和高度。 并依据不同的现场安装条件及用户需要，提出了重力水箱式和机械泵式两种饱和器供液装置。 新型过热蒸汽饱和器改善原有装置的缺点和不足，扩大了饱和器使用范围，提高其工作性能。 如何有效合理地利用能源及保护环境，是世界各国所共同关心的焦点之一，也是实现可持续发展的关键。 我国是世界上人口众多，能源相对贫乏的国家之一，人均能源占有量仅为世界平均水平的40，但能源消耗量到xx年已占世界消耗量的10，总量居世界第二位。 目前，工业耗能、交通耗能和建筑耗能已经成为我国能源消耗的主要部分。 而工业耗能中，尤以热能的消耗最为突出。 据统计，世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过80，我国占90以上，因此热能的开发和高效率的利用对人类社会的发展有着重要意义。 1.1课题研究的背景及意义蒸汽的发现与使用历史由来已久。 早在十八世纪中叶，瓦特对一台牛考门蒸汽机进行改进，设计出第一台有实用价值的蒸汽机。 从而人们认识到高温蒸汽的能量中蕴含着一部分可用能，可作为推动各种机械连续运转所需的动力。 后来随着换热器的发明和应用，蒸汽以换热媒介的角色，完成工业系统各元件之间的热能交换，这种蒸汽利用方式在化工、动力、冶金、原子能、制冷、建筑等领域非常常见123。 蒸汽可分为湿蒸汽、饱和蒸汽和过热蒸汽三种形式。 当蒸汽温度高于蒸汽压力所对应的饱和温度，这种状态的蒸汽称为过热蒸汽，而过热蒸汽温度与饱和温度之差即是通常所述的过热度。 由设备的配套锅炉和热电厂提供的蒸汽一般是属于过热蒸汽。 在一些工业过程中，需要提供大量的过热蒸汽以满足其特定的要求，如纺织行业的地毯丝热定型处理4；橡胶轮胎的制造以及物料的干燥5等。 而在另外一些场合中，虽然提供的是过热蒸汽，往往需要的却是饱和蒸汽。 如脱碳生产、精醇生产和铜洗生67。 因为这些设备的换热面积一般以饱和蒸汽凝结放热工况为选型条件。 如果对产等提供的过热蒸汽不进行处理，直接进入换热器，那么它在其中的换热过程分成两步首先冷却放出显热,变为饱和蒸汽；然后进行冷凝放热过程。 因显热冷却过程的换热系数只有潜热冷凝过程的百分之一8,这样就造成原换热面积的不够用,使换热设备不能达到额定出率。 要使换热设备达到额定出率，要么选型时增大换热面积，要么增大蒸汽消耗率。 过热蒸汽在热力输送方面存在着缺点和安全隐患由于过热蒸汽的比容大于相同压力下饱和蒸汽的比容，在质量流量和管径相同的条件下，管内流速就会较饱和蒸汽江苏科技大学工学硕士学位论文2时大，就需提供更大的供汽压降，而且也加大了管网的热损失，这样就降低了蒸汽热能的利用效率910，另外管道热膨胀补偿量也要作相应的调整。 上述问题在制冷空调系统中也广泛存在由文献11可知，对于蒸汽双效溴化锂吸收式制冷系统（以水作为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂，采用蒸汽为动力，制取5以上冷水的制冷设备）。 如果热源采用0.4MPa(表压)左右的饱和蒸汽，设计制冷量可达到200kcal/h，而机组在实际运行过程中以过热蒸汽作为加热热源，制冷量远小于指定值，降低了经济效益。 对于蒸汽压缩式制冷系统，从压缩机出来制冷剂处于过热状态，这样在冷凝器换热时同样是先放出显热再放出潜热，这样就造成了冷凝换热面积的“冗余”，换热器的体积相应变大，处于一种“所费大于所当费”的状态。 这样就有必要将过热蒸汽饱和化处理，如在换热器入口处对过热蒸汽进行饱和化处理，一方面可达到“所费等于所当费”的最佳效果，另一方面也使得换热器更为紧凑。 正是基于此应用背景，过热蒸汽饱和器应运而生。 实现将过热蒸汽转化为饱和蒸汽的装置称为“过热蒸汽饱和器”。 过热蒸汽饱和器也可用于减温保护，亦称减温器，如果在降温的同时，还有降压的作用，可称为减温减压器。 过热蒸汽饱和器的应用，带来了多方面的益处金属材料的节约、蒸汽消耗量的减少等。 这些都对能源和物质的节约作出了贡献。 不仅提高了经济效益，同时也提高12。 了社会效益和生态效益1.2过热蒸汽饱和器简介现有的过热蒸汽饱和装置种类主要包括带喷嘴的冷却喷水器、雾化蒸汽喷嘴的冷却喷水器、蒸汽转换器、蒸汽润湿器、减温减压器等131415。 1带喷嘴的冷却喷水器16带喷嘴的冷却喷水器有固定喷嘴和可调喷嘴两种形式。 前者是通过一个或者几个固定的喷嘴将水沿着蒸汽流动的方向喷出。 由于水的汽化蒸发而吸收过热蒸汽中的部分能量，使得过热蒸汽冷却下来。 依靠对喷嘴雾化压力的调节实现水量的调节。 固定喷嘴的冷却喷水器的缺点是调节范围受限。 当其利用最少的喷嘴进行工作时，如雾化压力为1bar，雾化冷却效果最好；当喷水量增加5倍时，所需的雾化压力则17。 上升到了25bar第1章绪论3图1.1带喷嘴的冷却喷水器结构图Fig.1.1The structurediagram ofthe coolingsprinkler withnozzle可调喷嘴的冷却喷水器与固定喷嘴的喷水器相比，使用的喷水量可以依靠喷嘴流量的调节。 各个喷嘴通过电子或者气动的专用控制阀调节。 此种方法可以将过热蒸汽的温度下降510K，但想处理过热度更大的蒸汽则必须采取特殊的措施。 如对过热蒸汽进行减压，需用到拉阀尔喷管形式的减压阀。 可调喷嘴的冷却喷水器缺点是在喷水量较小的情况下，冷却喷水器需要的喷嘴非常小，更换喷嘴时需要占有一定的时间，更换时间的长短受工作状况的影响很大。 此外，采用拉法尔喷管会使蒸汽流速达到音速，这一瓶颈问题亦称极限流量问题。 2带雾化蒸汽喷嘴的冷却器18雾化蒸汽喷嘴（也被称为双材料喷嘴）不仅可以冷却过热蒸汽，同时能够降低蒸汽的压力。 利用减压前的高压蒸汽，将总流量分发成两部分，一部分直接与减温水混合，达到冷却目的；另一部分通过雾化蒸汽入口，雾化后的蒸汽再和减温水混合，达到降压目的(见图1.2)。 利用此方法可以将固定喷嘴的蒸汽冷却调节范围增大。 图1.2带雾化蒸汽喷嘴的冷却器系统图Fig.1.2The systemdiagram ofthe coolerwith atomizingsteam nozzle江苏科技大学工学硕士学位论文43蒸汽转换器蒸汽转换器可以解决蒸汽压力减少一半时减压阀里蒸汽流速达到音速这一瓶颈问题（亦称极限流量问题）。 为解决此问题，在阀的锥体中利用喷嘴喷入冷却水。 对于压差要求较大时，可采用多级减压的方法，但必须考虑蒸汽体积增大的问题。 另一种方法是将蒸汽转换器与雾化喷嘴相结合的复式减压法，可实现大范围的蒸汽减压调节。 图1.3蒸汽转换器示意图Fig.1.3The sketchdiagram ofthe steamtransducer4蒸汽润湿器蒸汽润湿器将过热蒸汽的压力调节到所需状态,随即被输送到水浴罐处，穿过水浴的过热蒸汽吸收一定水分，达到完全饱和状态。 蒸汽的流量控制对产品质量有着极为重要的影响。 蒸汽润湿器是一个完整的集成式部件，可以在13bar/400的条件下将蒸汽压力降低到2.6bar，以240kg/h的速度生成饱和蒸汽。 图1.4蒸汽润湿器实物图Fig.1.4The entitydiagram ofthe steammoistener蒸汽润湿器的优点是坚实牢固（无喷嘴和运动零部件）；温度过高时有着很高的安全可靠性；在各类饱和装置中连续工作性能最好。 第1章绪论55减温减压器减温减压器主要依靠减温水调节阀调整供汽温度，实现过热蒸汽饱和化。 图1.5减温减压器结构图Fig.1.5The structurediagramofthe temperature-decreased pressurereducer减温减压器的优点是结构紧凑，采用法兰对接，安装及维护保养简便；噪音低（75dB）；操作灵活，可根据用户要求进行功能扩展；控制精度高，运行平稳，可有效清楚静差影响20。 减温减压器的缺点是工作条件苛刻，在低过热度情况下容易使蒸汽带水，特别是负荷调节范围很窄。 上述各装置中，蒸汽主要通过添加冷水实现冷却。 蒸汽中加入冷水，水蒸发吸收热量从而降低蒸汽温度。 通过对温度下降度数控制获得所需蒸汽。 现行装置或多或少存在一些缺点装置中有的存在喷嘴等零部件，导致工作可靠性降低；有的工作负荷调节范围狭窄；有的蒸汽流量受限等。 这些设备在给过热蒸汽进行降温降压时是将水雾化喷入蒸汽中，在生成饱和蒸汽中不可避免地携带没有汽化的水珠21。 1.3国内外研究现状与发展趋势国内外对过热蒸汽饱和装置的设计，大致可分为工程设计应用改进，理论分析以及数值仿真的基础研究两大方面。 1983年Van BlarP.P22论述了通过引入水来控制蒸汽减温的方案，包括关于所需水的流量计算讨论，对当时的减温系统进行设计，以及寻找有效的系统操作设备。 1985年俄罗斯契诃夫动力机械厂进行减温减压器系列产品设计以达到减温保护的作用23。 日本的OKeefe,William通过对过热蒸汽进行控温调节，来保护下游设备不受损坏，并对简单的压力喷嘴和减压阀进行了讨论，提出控制系统改进方案24。 江苏科技大学工学硕士学位论文6美国的Van Blar,Peter P.对锅炉产生的高温高压蒸汽温度进行减温处理，从而满足工厂所需温度，同时对减温器类型进行讨论25。 1998年，德国的工程师Kauer,G.对火电厂提供的过热蒸汽的特点进行研究时，指出使用蒸汽减温器可以降低蒸汽温度达到保护管道系统和元件的目的，并设计了一种26。 减温器（蒸汽调节阀）投入市场国内宁德亮、李家鹏27等人根据减温器的几种典型结构形式，设计了一种新型喷水减温器。 该减温器壁面开设蒸汽出留空并在出口加装密封挡板，可以起到有效保护核汽轮机叶片的作用。 宋汉武30等对喷水减温器中雾化、汽化、减温三过程的因素进行论述，研究了影响混合管汽化长度的主要因素。 周根明等11提出新型的过热蒸汽饱和器，用于热质交换设备中过热蒸汽的饱和器，对设备进行性能试验，发现蒸汽过热度降为零，使制冷机组制冷量提高约50，提高机组的热力系数和带负荷能力。 28等人在对纸机生产设计烘缸时，考虑热电厂提供的过热蒸汽会影响干燥赵长征设备等不利因素，投入运行一套过热蒸汽减温控制系统，选用了瑞典公司的DA-4型减温器和FOXBORO公司的ECA-60控制器，从而实现节约蒸汽消耗，减少仪表阀门故障率，取得经济效益和社会效益。 吴定明29对大多数的蒸汽雾化式减温器的特点做相关介绍，并根据不同需求运用不同的减温器，包括固定喷嘴式、表面式和蒸汽雾化式减温器等，对其工作原理和特点进行介绍。 2理论分析以及数值仿真的基础研究方面Celata,G.P和Cumo.M31等人将缓慢流动的水和不流动的过热蒸汽进行混合，对实验结果进行分析讨论，发现总的热能并没有完全依赖过热蒸汽温度，而是和同压力下的饱和蒸汽条件关系密切。 俄国Grebennikov,V.N.Miropolskii,Z.L.Shneerova,R.I.32等分别对管内的过热蒸汽和饱和蒸汽冷却过程进行分析，研究不同热容蒸汽的冷却冷凝过程，计算出管内过热蒸汽冷却，饱和蒸汽冷凝，饱和水冷却的几个阶段传热量等。 Forostov,V.M.通过一个无量纲方程对蒸汽减温器的冷却实验进行研究，计算出蒸汽变得完全干燥时需要的距离长度33。 德国研究员Koehler Dieter和Schinkel Wilhelm通过对两种混合管方法相互比较，其中Koehler Dieter从物理计算角度，而Schinkel Wilhelm是从实验角度出发，找出蒸发路径，在对蒸汽降温混合管的长度方面，以后者的形式发展为基础3435。 Xu,Wen-Zhong和Niu,Chuan-Kai根据不同的传热条件，对获取过热蒸汽阶段温度变化趋势进行研究，并为过热蒸汽在换热设备设计中提供过渡点，与此同时，通过计第1章绪论7算机编程软件实现过热蒸汽的阶段温度变化传热的模拟仿真36。 Du,Wen-Jing，Cheng Lin和Tian,Mao-Cheng等人命名一种过热蒸汽复合式降温器，并对其传热和振动特性进行研究，从理论分析和数值模拟结果表明，这种新型降温器的效率高，没有产生辅助热源蒸汽损失的情况38等对喷嘴处混合过热蒸汽，过冷水以及饱和蒸汽等的流量，指出37。 Westman.M.A其中最大质量流量与混合流体的压力等因素有关。 国内闫涛、杨青瑞39等根据热动力学假设，将喷水减温器结构简化并划分成若干控制体，对每个控制体运用集总参数法建立减温器动态数学模型，结合除湿实验系统参数，应用Simulink仿真工具箱对模型进行直接求解。 40等对三级减温减压器的实际工况进行分析，在给定入口蒸汽条袁焕东、吴刚金件下推算出相应的变工况流量与入口压力之间的特性曲线，推导出相应型号减温减压器变工况计算的计算公式。 宁德亮、庞凤阁41等根据质量守恒定律和能量守恒定律，结合热动力学假设，采用集总参数方法建立了喷水减温器的动态仿真模型，利用数学软件对仿真模型的微分方程进行直接求解，简化方程求解过程。 上海交大的娄川、章明华42等应用气液两相流动传热方程，并引入了适当的假设、对蒸汽与减温水的相互作用及其流动过程做了数值模拟，但是仍然没有能够清晰地给出减温减压器内流动换热图像。 邬振耀、王孟浩43等人提出求解夹套式文氏管喷水减温器环形通道及支管流量分配的数学模型，并将求解结果与实验值相比较，得出较好的结果。 综上所述，国内外对过热蒸汽饱和器的研究仍然十分不足，对饱和化过程中的热质交换机理了解很少，对不同换热条件下的饱和水蒸发过程分析不够透彻，而且对于多孔介质填料函中的两相传热传质机理更是鲜少问津，这样在过热蒸汽饱和器的设计中经验色彩比较浓厚。 1.4本文的主要研究工作本文首先着重对过热蒸汽饱和器中的两相流传热传质过程进行了分析，了解不同的蒸发机制对系统特性的影响。 本文主要在以下几个方面进行探索和研究1从单一液滴角度探索分析蒸发模型基于热质交换原理，从微观角度研究水珠蒸发模型，系统比较相际间两种不同传热方式对水珠蒸发速率的影响。 在数值仿真方面，运用计算流体力学FLUENT软件模拟两相间无相对速度时的水珠蒸发过程。 分析水珠直径随蒸发进程的变化规律；找出水珠质量变化率在不同物性参数条件下，与哪些因素有关；分析研究饱和水的水珠初江苏科技大学工学硕士学位论文8始直径、过热蒸汽的过热度对水珠蒸发的影响。 2建立了混合管内汽液两相流简化模型从单一水珠蒸发模型出发，尝试推导单位体积蒸发速率的具体表达式，并对微分方程进行数值求解，能够得出较为直观的曲线变化图。 在此基础上，比较相际间不同传热方式对混合管的长度的影响，探讨不同水珠直径对饱和化的影响。 结合有限元分析SOL软件，模拟混合管内气液两相流传热传质过程，看结果与理论推导情况是否吻合，分析二者之间误差产生的原因。 3对过热蒸汽饱和器进行结构设计和系统研究在蒸发模型的研究基础上，本文还要进行过热蒸汽饱和器的结构设计。 通过选定一具体工况，进行相关的结构设计包括饱和器的外部尺寸计算，内部材料选型和内部填料函高度计算等。 最后设计几种不同的饱和器供液装置满足不同的供热系统