泡沫陶瓷填料湿化器的理论和实验研究

论文摘要

湿空气透平循环具有高效率、高比功、低NOx排放和良好的变工况性能,是重要的新型热力循环之一。湿化器是HAT循环的关键部件,其性能的优劣对循环的整体性能至关重要。燃气轮机对于湿化器的要求是结构简单、紧凑,低压损、高效低推动力。SiC泡沫陶瓷填料由多孔泡沫材料制成,具有高比表面积、高空隙率和良好的润湿性能,这些优良的性能使得其适合用于湿化过程。本文将SiC泡沫陶瓷波纹填料应用于湿化器中,并从理论和实验两个方面对填料湿化器进行研究。本文的主要内容有：（1）.SiC泡沫陶瓷波纹填料流体力学性能和传热传质性能研究。采用空气和水系统测量得到了其干填料压降、湿填料压降、液泛气速等重要的性能参数。将SiC泡沫陶瓷波纹填料的压降、液泛气速与TJH型不锈钢波纹填料、SiC泡沫陶瓷蜂窝填料进行了对比。结果表明,在本文选取的结构参数下,SiC泡沫陶瓷蜂窝填料的压降较大,液泛气速很低；SiC泡沫陶瓷波纹填料的压降高于TJH型不锈钢波纹填料,前者的流体力学性能与后者相比要略差些。将SiC泡沫陶瓷波纹填料的传质单元高度与TJH不锈钢波纹填料以及文献中的其他六种传统填料的传质单元高度进行了对比,结果显示SiC泡沫陶瓷波纹填料的传质单元高度为传统填料传质单元高度的1/2-1/3。这表明SiC泡沫陶瓷波纹填料的传质性能优于传统填料,它在湿化器中有比较好的应用前景。将这种填料应用于湿化器中,可以减少填料的用量,进而降低湿化器的高度,使湿化器的结构紧凑化。（2）.填料湿化器热力性能的实验研究。将SiC泡沫陶瓷波纹填料应用于湿化器中,在很宽的操作范围内,对空气湿化过程进行了研究。考察了水气质量比、入口水温、操作压力等参数对湿化器热力性能的影响。对湿化器进行了（?）分析,得到了湿化器（?）效率随入口空气温度、水气质量比和入口水温的变化规律。根据实验数据关联得到了关于出口湿空气温度的无因次关联式以及填料传质系数的无因次关联式。（3）.湿化器理论模型。对湿化器内的传热传质过程进行了详细的分析,基于质量守恒方程、能量守恒方程以及传热传质方程,建立了湿化器的一维理论模型。理论模型的正确性通过实验数据来验证。用理论模型对湿化器的性能进行了评价,得出了湿化器内水和空气侧各参数在填料内的分布状况；采用（?）分析的方法,对湿化器内的（?）分布状况和（?）损失情况进行了探讨。结果表明空气湿化过程是由传质过程主导的,空气从水中获得（?）主要是靠蒸发过程。湿化器底部的（?）损失较大,要改善湿化器的热力学性能,必须设法减小底部的（?）损失。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 湿空气透平循环简介
• 1.3 国内外湿化器研究现状
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 实验研究
• 1.4 研究目的与研究内容
• 第二章 SiC泡沫陶瓷波纹填料的流体力学性能和传热传质性能研究
• 2.1 实验装置
• 2.2 填料结构参数
• 2.2.1 比表面积
• 2.2.2 空隙率
• 2.3 SiC泡沫陶瓷波纹填料流体力学性能
• 2.3.1 SiC泡沫陶瓷波纹填料的压降
• 2.3.2 SiC泡沫陶瓷波纹填料与SiC泡沫陶瓷蜂窝填料、传统的TJH不锈钢波纹填料流体力学性能的比较
• 2.4 SiC泡沫陶瓷波纹填料传热传质性能
• 2.4.1 填料传质单元高度、传热传质系数的计算方法
• 2.4.2 SiC泡沫陶瓷波纹填料与传统填料传热传质性能的比较
• 2.4.3 SiC泡沫陶瓷波纹填料与TJH型不锈钢波纹填料每传质单元的压降比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 湿化过程的实验研究
• 3.1 实验工况的选择
• 3.2 实验结果评估
• 3.3 实验结果及讨论
• 3.3.1 水气质量比和入口水温对湿化过程的影响
• 3.3.2 操作压力对空气湿化过程的影响
• 3.3.3 入口空气温度变化对湿化过程的影响
• 3.4 湿化器的（火用）效率
• 3.4.1 湿空气总流动（火用）和液态水的（火用）计算
• 3.4.2 （火用）损失和（火用）效率的计算
• 3.4.3 零（火用）参考点的选择对湿化器（火用）效率的影响
• 3.4.4 湿化器（火用）效率随参数变化规律
• 3.5 水气质量比和入口水温对湿化器节点温差和效能的影响
• 3.6 出口空气温度的无因次关联式
• 3.7 SiC泡沫陶瓷波纹填料传质系数的主要影响因素
• 3.8 SiC泡沫陶瓷波纹填料传质系数的无因次关联式
• 3.9 本章小结
• 第四章 填料湿化器的理论模型
• 4.1 湿化器热力计算模型描述
• 4.1.1 第一阶段湿化器模型
• 4.1.2 第二阶段湿化器模型
• 4.2 理论模型的求解
• 4.3 理论模型的验证
• 4.4 模型计算结果
• 4.4.1 饱和线与操作线
• 4.4.2 湿化器内水侧和气侧各参数在填料塔内的分布
• 4.4.3 空气和水的（?）值在填料内的分布
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 实验方面
• 5.1.2 理论方面
• 5.2 展望
• 参考文献
• 主要符号说明
• 附录一 实验结果
• 附录二 四阶龙格库塔法求解微分方程组
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目
• 致谢