海洋环境下波纹板干燥机分离特性的研究

《Progress in Nuclear Energy》：Study of separation characteristics of corrugated-plate dryers under marine conditions

　　

摘要

波形板干燥器是用于蒸汽水分离的关键设备，广泛应用于化工、核能及热电厂中。它在确保蒸汽干燥以及系统安全运行方面起着重要作用。然而，现有研究大多集中在静态条件下，而海洋环境中的摇摆运动对波形板干燥器分离性能的影响尚不明确。本研究基于静态条件下的液滴运动模型，引入横向与纵向摇摆位移，建立了用于预测波形板干燥器中液滴轨迹及分离效率的方法。在波形通道中，通过四阶龙格-库塔方法求解液滴运动方程，并通过相对坐标变换确定液滴与壁面的碰撞情况。研究结果表明，在海洋环境下，实时分离效率会在一个摇摆周期内出现显著波动。在横向摇摆作用下，实时分离效率呈现W形多峰波动；而在纵向摇摆作用下则呈现∩形单峰波动。横向摇摆对周期平均分离效率影响较小；相反，当静态基准分离效率较低时，纵向摇摆可显著提升波形板干燥器的周期平均分离效率。总体而言，摇摆运动并未改变入口参数和结构参数对分离效率的基本影响趋势。

引言

当蒸汽发生器中的蒸汽携带大量液滴时，盐分会沉积在涡轮机的流道中，从而威胁系统的安全运行（Li等人，2008）。因此，需要采用蒸汽水分离装置来去除蒸汽中的水分。波形板干燥器是一种具有高分离效率、低压力损失且能够分离较小尺寸液滴的蒸汽水分离组件。在船舶和海上平台等海洋工程设备中，蒸汽动力系统往往在复杂多变的工况下运行，这可能影响波形板干燥器的分离性能。此外，海洋环境中的高湿度和盐雾会加速腐蚀和涂层老化，从而提高对关键分离组件的可靠性要求（Wang和Shi，2016；Sun等人，2025）。

目前关于海洋环境的研究主要集中于核反应堆或自然循环系统在摇摆、俯仰等作用下的热工水力特性。例如，Murata等人（2002）通过实验研究了核反应堆在海洋环境下的自然循环行为；Kong等人（2025）对海洋环境中的核燃料块传热特性进行了实验研究；Yao等人（2025）分析了海洋环境对螺旋管组件流动与传热的影响。总体来看，现有研究表明海洋环境会显著改变设备的性能。

目前已有针对静态条件下波形板干燥器分离特性的系统性研究，相关的理论模型和实验数据也已较为完善。在实验研究方面，Yu等人（1992）通过冷态实验测定了三种不同结构波形板干燥器的分离特性，得出了每种设计的最佳板间距；J?sang（2002）利用激光多普勒速度计测量了波形板干燥器内的液滴大小与轨迹，发现实验结果与基于标准k-ε模型的数值模拟结果吻合良好。Azzopardi和Sanaullah（2002）对波形板干燥器的再附聚机制进行了实验研究，得出了不同板结构的临界流速。Xiao等人（2010）研究了板间距、弯角和俯仰角等因素对分离效率及再附聚现象的影响，确定了最佳结构参数。Mao等人（2018）对波形板干燥器拐角处液膜破裂及液滴再附聚的机制进行了实验研究。Li等人（2022）结合实验与理论方法，建立了波形板干燥器冷态临界速度与热态临界速度之间的转换关系。

在数值模拟方面，Venkatesan等人（2014）通过计算流体力学方法设计了最优的波形板结构，并运用田口方法优化分析了不同几何参数对分离效率的影响。Yang等人（2016）对单钩波形板进行了三维计算流体力学模拟，得到了波形板干燥器内的液膜分布及再附聚量。Liu等人（2017）针对一种新型波形板干燥器，将实验与数值模拟相结合，发现在入口流速低于4米/秒或液滴直径小于20微米时，该型号的分离效率远高于原有设计。Shi等人（2020）研究发现，对于小直径液滴的分离，单钩波形板干燥器的分离性能优于无钩及双钩型波形板干燥器；Zhu等人（2021）对双钩波形板干燥器进行了数值研究，结果表明液滴主要在波形板干燥器的前两个阶段被分离出去。

现有研究大多聚焦于静态条件下的波形板干燥器分离特性。然而在海洋环境中，摇摆运动会显著改变液滴与波形板之间的相对运动，进而可能影响其分离效率。因此，有必要研究海洋环境下的波形板干燥器分离特性以揭示其内在机制。本研究开发了一种用于预测海洋环境下波形板干燥器液滴轨迹及分离效率的程序。该程序基于之前为静态条件建立的液滴运动模型，并考虑了海洋环境中波形板的横向与纵向摇摆效应。其研究结果可为海洋环境下的波形板干燥器结构设计及运行评估提供理论依据与参考。

章节节选

液滴受力分析

在静态条件下，气流流经波形板干燥器的波形通道时会改变方向。由于液滴密度远高于空气，液滴会因惯性作用偏离气流路径，最终与壁面发生碰撞。在海洋环境中，波形板的运动会改变液滴与壁面之间的相对速度和位置，从而影响分离效率。为描述这一过程

横向摇摆条件下的相位分析

图8展示了在一个横向摇摆周期内，不同相位位置下波形板干燥器的分离效率，其中$T=10\mathrm{s}$，以及$x_m=50\text{mm}$。在摇摆作用下，波形板的位置会随时间不断变化，导致分离效率不再保持稳定值，而是随时间周期性波动。最大分离效率约为0.86，最小约为0.76。此外，图表还显示分离效率在某一数值附近基本保持恒定

结论

基于前期研究，本研究引入了横向与纵向摇摆位移，并通过相对坐标变换及四阶龙格-库塔积分方法，开发出了适用于海洋环境下的波形板干燥器液滴运动及分离效率预测程序。分析了相位、摇摆幅度与周期，以及入口参数和结构参数对分离效率的影响。主要结论如下：

• (1)
  在摇摆条件下，

CRediT作者贡献说明

秦傲翔：数据整理、方法论、初稿撰写。马文杰：实验研究。石慧东：概念构思。高普振：论文修改与润色。谭思超：论文修改与润色。温继明：论文修改与润色。田瑞峰：论文修改与润色。

利益冲突声明

我们声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52306191）。

Aoxiang Qin|Wenjie Ma|Huidong Shi|Puzhen Gao|Sichao Tan|Jiming Wen|Ruifeng Tian

哈尔滨工程大学核科学与技术学院，中国哈尔滨150001