船用蒸汽蓄热器非平衡热力过程实验及仿真研究

发布时间：2020-09-26 18:39

　　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,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。由于船用蒸汽蓄热器内部同时存在蒸汽与水两种相态工质,在极短时间的工作周期内,工质存在闪蒸与冷凝,同时伴随多种复杂的热量、质量传递与流动过程,在此过程中船用蒸汽蓄热器的热工水力特性会发生剧烈变化。因此研究工质参数的变化机理及变化趋势对于保障舰载机弹射过程的安全运行至关重要。本文基于非平衡热力学建立适用于不同排汽供汽方式的船用蒸汽蓄热器的数学模型,通过对已建立数学模型的整理及工作逻辑的分析,借助Simulink软件中自带的一些运算模块以及用户编写的调用函数将数学模型转化为仿真模型,利用船用蒸汽蓄热器实验平台,分别进行不同条件下的充汽、放汽及连续充放汽的实验研究,探寻蓄热器内部工质参数的变化机理。在动态仿真模型经过实验数据的校核后,通过仿真与实验结合的方式研究金属蓄热对工质状态参数的影响情况。利用仿真模型研究后排汽供汽方式的工作特性,同时对比前后两种排汽供汽方式下蓄热器主要参数的变化规律,深度解析不同供汽方式对工质状态参数变化的影响。研究结果表明,在充汽(放汽)测试实验中,蓄热器的压力并没有稳定在充汽阀(放汽阀)完全关闭时刻的数值,而是出现反向降低(升高)并最终稳定的现象。在充汽过程中由不均衡势差引起的压降比会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。在快速充、放汽测试实验中,由于金属蓄热以及闪蒸、冷凝过程的影响使得工质水的温度出现了分层现象。充汽流量、充汽初压、初始水位、充汽压差均会对蓄热器内部工质的热力参数产生一定影响,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。金属蓄热会延长蓄热器的充汽与放汽时间,同时造成充汽过程压力最终的稳定值降低,放汽过程压力的最终稳定值升高。后排汽供汽时,由于蓄热器的充入蒸汽与排出蒸汽间能量的不匹配,致使蓄热器的水位不断降低。为了保障弹射过程对于蒸汽量的需求,必须及时地对蓄热器进行补水,为舰载机的弹射过程提供足够量的饱和蒸汽。研究成果对船用蒸汽蓄热器的后续研究奠定了基础,对于系统的优化及控制方案的选取提供了有力支持。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：U674.771
【部分图文】：

蒸汽蓄热器

式蒸汽蓄热器。卧式蒸汽蓄热器具有蒸发面积大、与充入蒸汽换热效果好、维修方便等优点，因此相比于立式蒸汽蓄热器得到了更广泛的应用。下面以卧式蒸汽蓄热器为例，对其构造及原理进行简单的介绍。卧式蒸汽蓄热器的内部结构如图 2.1 所示。蒸汽蓄热器筒体外部一般安装有充汽管路、旁通管路、放汽管路、补水与排水管路、安全阀、汽水分离器等装置，同时由于蒸汽蓄热器在蓄热过后内部工质温度远高于环境温度，如果内部工质与周围环境进行热量交换，那么就难以保证用汽设备对于蓄热器蒸汽产量及蒸汽品质的要求，因此为了达到负载的用汽需求，蓄热器外部通常会安装保温装置。蓄热器内部主要有充汽主管、充汽支管、蒸汽喷嘴、循环导流筒等装置。同时为了更好的监测蓄热器工作性能以及维护系统的安全运行，通常蒸汽蓄热器上安装有压力、温度、水位等传感器。蒸汽蓄热器的应用原理：在汽源蒸汽产量富余，用汽设备的负荷降低的条件下，蒸汽蓄热器利用水的比热容大的特点，将高温高压的蒸汽的能量以冷凝的形式储存于蓄热器内部的水中，当负载需要蒸汽时，利用饱和水降压闪蒸的原理将水中蓄积的能量以产生蒸汽的形式释放出来。

示意图,能量传递,工质,水空间

图 2.2 工质流动与能量传递示意图量守恒方程进流出以及工质相变引起的水空间质量变化，建立蓄热器水11 B PT1dMm mdt 蓄热器内存储水的质量，kg；时间，s；补水与排水导致的单位时间水空间质量增加量，kg/s；蒸发与冷凝引起的单位时间水空间质量增加量，kg/s。1 B 1, in 1,outm m m 单位时间由补水管路进入蓄热器水空间的补水量，kg/s；单位时间由蓄热器的排水管路流出的排水量，kg/s。

蓄热器,水位,状态参数

34） 2 R sin （2-35）21 2 R A（2-36）数，能够确定该热力状态下第三个状态参数多的状态参数有蓄热器压力 p 、工质温度T 、APWS-IF97 水和蒸汽计算程序通过已知的参速降低导致蓄热器中工质水在压力差的驱动的热惯性使得水仍处于过热状态，此时如果图 2.3 蓄热器水位简图

【参考文献】