工作压力对湿空气透平循环饱和器性能的影响.pdf

第30卷第3期
能源技术
Vol 30 No 3
2009年6月
ENERGY TECHNOLOGY
un.2009
研究与探索
工作压カ对湿空气透平循环饱和器性能的影响
孙绍芹,宋华芬,刘春琪
(上海交通大学机械与动力学院,上海200240)
摘要;饱和器是湿空气透平(HAT)循环的主要部件之一,它的主要作用是加热加湿空气,从
而提高整个HAT循环的效率和比功。利用 IAPWS-IF97提供的水和水蒸气性质与实际气体状态
方程,建立了适用高压条件下饱和器的一维传热传质数学模型;利用该模型计算了不同压力条件下
的饱和器工作性能,并分析了饱和器内的传热传质过程中,饱和点的位置、出ロ性能参数的变化规
律,以及能效值的变化,可以供饱和器的设计参考。
关键词:饱和器;湿空气;HAT循环
中图分类号:TK123
文献标志码:A文章编号:1005-7439(2009)03-0145-04
Characteristic Study of Pressure Saturator
SUN Shao-qin, ONG Huar-fen LIU Chunqi
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong Univ, Shanghai 200240, China)
Abstract: Saturator is one of the key components for Humid Air Turbine(HAT) Cycle. It is a direct heat and
mass transfer unit. Firstly, thermodynamics properties of humid air under higher pressure were discussed in this
paper using IAPWS-IF97. Then, mathematic model of saturator was presented and analyzed. The results show that
pressure affect performance of saturator significantly.
Keywords: saturator; humid air; humid air turbine cycle
湿空气透平(HAT)循环( Humid Air Turbine HAT循环的效率和比功。如图1所示,空气从饱
Cycle)是一种新型高效环保的热力循环系统,它建和器底部进入,水从饱和器顶部喷人,空气和水在饱
立在压缩过程中冷、回热基础上,并且采用湿空气为和器内逆流,在流动中进行传热传质交换。由于高
工质的新型透平动力循环,具有高效率、高比功、低压饱和器中的压力很高,水蒸气的分压力也很高,湿
污染等特点。饱和器是HAT循环的核心部件之空气的分子间作用已经不能忽略,因此不能当作理
,这是一个直接接触式传热传质单元,主要起加湿想气体处理。本文不考虑不同分子之间的相互作用
作用。在饱和器中,热水和空气逆流接触传热传质和混合效应,把饱和器内的湿空气作为两种实际气
的过程比较复杂,目前已有很多学者利用理论和实体的理想混合物,利用水蒸气和空气的实际气体状
验方法,建立了饱和器的数学模型,从各种角度分析态方程来计算湿空气的热力学性质,这种方法可以
了饱和器的工作特性-2。本文将在前人已经获得
保证计算精度满足要求。
的有关常压下饱和器工作性能成果的基础上,进
湿空气的比热
步讨论在压力条件下饱和器内部的传热传质规律,
包括建立饱和器运行状态的数学模型,并用模型计
算和分析饱和器的工作压力对各种运行参数的
式中:cp,cA和c分别为湿空气,干空气和水蒸气的
影响。
定压比热容,X为湿空气干度。
湿空气的质量焓:
1压力条件下湿空气的性质
h+X
饱和器的作用是加热加湿空气,从而提高整个式中:hhっ和ん、分別为湿空气,干空气和水蒸气的
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孙绍芹等:工作压力对湿空气透平循环傯和器性能的影响
质量焓。空气的热物性由空气状态方程 Beattie-
dh
の[ Lefcp(ちーな)+(xーx)/h"(7)
Bridgeman方程进行计算:
式中:Le为 Lewis因子,な为水膜温度,t。为空气温
R& TI
UナB(1b
度,"水膜中水蒸气的质量焓。
力=
)]-(1-a
质量守恒方程
dk
式中:か,U和T分别为空气的压力、比体积和温度
R3为空气常数。A。和B,以及a,b和c都是常数
式中:k为无量纲数。
根据余函数知识,空气的质量定压热容为:
能量守恒方程:
Cpa ( p, 1)= c(1)+cpm
dt-
必_,d∝
式中:cn与c分别为实际条件和理想条件下的空气
(9)
质量定压热容;c为实际条件下空气的质量定压热式中:t为水温,cp为水的质量定压热容
容余值。
热水⊥L,tmTG,sxa
空气的质量焓为:
L+dl
G.+dt
h(か,T)=h(T-
t +dt.
x+dx
式中:h。与h。分别为实际条件和理想条件下空气
的质量焓,为实际条件下空气的质量焓余值。
Gt,,x
水和蒸汽的热力学性质(水的焓、定压比热,水
蒸气的焓、饱和压力等)可以通过工业公式 IAPWS
IF97进行计算的。
空气Gmx
2饱和器的数学模型
图1逆流饱和器一维数学模型
Fig 1 One-dimension model of saturator
运行时水由顶部喷人饱和器,空气和热水在饱
和器内逆流接触中传热传质,其中空气被加热加湿,
不过当饱和器内空气达到饱和时,传热方程(7)
最终成为饱和器进口热水表面的饱和水膜。当湿空变为.
气恰好在出口处饱和时,进人饱和器的空气流量称
曲=A2[a(a-a)+n(a-z)]+(10)
9,饱和器中的湿空气不会出现饱和状态,如果小于4时的水的蒸发潜热,ん为な时饱和水
为临界流量,以q。表示,就是说如果空气流量大于式中:n为
9,则湿空气在出口之前已开始饱和,而且传热传质3计算方法
方程因为饱和将有所变化。这是因为饱和后空气含
湿量的增量有限,只有很少一部分水蒸气被吸纳,其
用数值方法求解微分方程组时,首先要将方程
余部分重新凝结成水。
组离散,本文采用改进的尤拉方法进行数值求解,并
在建立数学模型时,假设饱和器内水气分布均用C++语言编写了湿空气热力参数和饱和器热力
特性的计算程序。利用该程序,可以计算各种进口
匀,沿高度方向将饱和器等分成n个微元段(如图1
条件下饱和器的出口参数,讨论压力对饱和器性能
所示),饱和器内的计算控制方程包括质量和热量的的影响。
传递方程及守恒方程。
HAT循环中饱和器的设计遵循传热传质的规
质量传递方程:
律,空气被加热加湿,至出口处达到饱和,但在不同
dr=20(xi
(6)的进口条件下,饱和器的工作性能都会发生变化。
本文的计算进口条件取:twm=90℃,tai=30℃
n=B, av/Lin