多并聯(lián)分支管聯(lián)箱氣液兩相流流量分配的研究

朱 波，龐力平，呂玉賢

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206)

0 引 言

在鍋爐、蒸發(fā)器、冷凝器等換熱器中都會設(shè)置很多并聯(lián)管路，由于兩相流流過三通時通常會發(fā)生氣液相分離的現(xiàn)象，所以當氣液兩相流流經(jīng)這些管路時會發(fā)生氣液兩相分配不均，有些支管氣多一些，有的支管水多一些，這樣會造成分支管路受熱不均，嚴重的話或造成超溫爆管。所以對聯(lián)箱中的兩相流動特性及分配特性的研究，改善和促進并聯(lián)管組中兩相流量的分配均勻性，對保證鍋爐設(shè)備工作可靠性以及運行的經(jīng)濟性有著重要意義。

影響氣液兩相流體在聯(lián)箱內(nèi)分配特性的因素很多，其中，氣液兩相流體的入口干度和聯(lián)箱的幾何結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著氣液兩相流在聯(lián)箱并聯(lián)分支管的分配特性。

國內(nèi)外針對對多并聯(lián)分支管聯(lián)箱兩相流分配特性研究很多，針對兩相流體分配不均的特點，從聯(lián)箱的幾何結(jié)構(gòu)上嘗試了很多改善兩相流流分配均勻性的方法。Kim 和Sin［1］通過改變分支管在聯(lián)箱內(nèi)的插入深度來調(diào)節(jié)兩相流體的流動，發(fā)現(xiàn)插入深度越深，液相流體涌向下游的分支管。文獻［2］通過在聯(lián)箱入口處加噴口的方法來調(diào)節(jié)聯(lián)箱的分配特性，發(fā)現(xiàn)通過改變噴口尺寸可以有效地改善兩相分配不均的問題，但并不適用于所有工況。文獻［3］研究了在聯(lián)箱入口加裝加速管的水平U 型Z 型聯(lián)箱系統(tǒng)的兩相分配特性，用實驗方法證明了加速管能明顯改善兩相分配的均勻性。文獻［4］研究了徑向引入多并聯(lián)分支管聯(lián)箱內(nèi)加入笛形管以后的分配特性，通過將兩相流體在環(huán)形空腔內(nèi)二次混合來促進流體的均勻分配，取得了不錯的效果。

本文通過實驗的方法確定了傳統(tǒng)聯(lián)箱內(nèi)出現(xiàn)的嚴重的相分離現(xiàn)象，并得出了入口干度和兩相流比系數(shù)之間的定性關(guān)系。比較了加裝笛形管均流器［5］以后氣液兩相流量分配特性的變化，并與原聯(lián)箱分配特性進行比較，證明了笛形管均流器改善兩相分配的效果，并得出水平并聯(lián)聯(lián)箱在加裝笛形管以后的分配結(jié)果。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

實驗臺是為研究分配多并聯(lián)分支管聯(lián)箱內(nèi)氣液兩相流流量分配特性而搭建的，實驗臺系統(tǒng)圖如圖1 所示，實驗臺主要分為四部分，第一部分是供水系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，第二部分是可視段 (實驗段)，第三部分是測量段，氣相和液相經(jīng)過分離罐分離以后進入各自的測量段，分別進行流量測量，第四部分是數(shù)據(jù)采集部分，通過數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集。

1.2 實驗段設(shè)計

實驗段為徑向引入雙入口分配聯(lián)箱，為了便于進行可視化研究，實驗段由有機玻璃材質(zhì)做成。經(jīng)過計算，分支管尺寸為15 ×7 mm，內(nèi)徑為9 mm，入口尺寸為35 mm，內(nèi)徑25 mm，聯(lián)箱內(nèi)徑45 mm，布置方式如圖2，圖3 所示，圖2 為未加裝笛形管均流器的實驗段，圖3 為加裝笛形管均流器的實驗段。

圖1 實驗臺系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental apparatus

1.3 測量方法

整個測量過程是在恒溫的條件下進行的，入口空氣溫度基本保持在15 ±2℃ (冬季)。

供水供氣段:空氣首先由空氣壓縮機 (3)壓縮以后流向穩(wěn)壓罐 (4)，穩(wěn)壓罐除了為實驗臺提供穩(wěn)定的壓強以外，還可以將空氣中的水分分離出來，用以保護空氣入口處的空氣玻璃轉(zhuǎn)子流量計 (7)。水路大概流程是，經(jīng)由恒溫水箱(1)出來的水由給水泵提供動能，經(jīng)過液體轉(zhuǎn)子流量計 (8)調(diào)節(jié)流量以后同空氣一同流向混合器 (9)，然后進入可視段 (10)。

圖2 未加裝笛形管聯(lián)箱Fig.2 Header without flute distributor

圖3 加裝笛形管聯(lián)箱Fig.3 Header adding flute distributor

測量段:測量分支管與小罐 (11)相連，其它分支管與大罐 (12)相連。兩個測量罐之間裝有U 形管壓差計 (13)，通過調(diào)節(jié)出口閥門(15)將兩測量管的壓差調(diào)為零。由于大罐體積較小罐大很多，故可認為背壓在測量過程中是恒定的。

1.4 實驗參數(shù)范圍

為了達到不同的干度范圍，本實驗設(shè)計了25個不同的工況，實驗參數(shù)范圍如下所示:干度范圍 (入口):0.075 4 ～0.279 9質(zhì)量流速范圍 (入口):

氣相11.928 kg/m2s ～21.994 kg/m2s;液相45.25 kg/m2s ～152.95 kg/m2s;溫 度:15℃ ～17℃ (環(huán) 境 溫 度);入 口 壓 力:0.11 MPa ～0.19 MPa。

由表1可知，鹵汁1、鹵汁2總酸與過氧化值、總酸與亞硝酸鹽、過氧化值與亞硝酸鹽基本不相關(guān)（r＜0.30）。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)處理方法

為了將得到的實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，體現(xiàn)分配聯(lián)箱各分支管兩相的分配特性，本文在數(shù)據(jù)處理當中引入了兩個重要的參數(shù)用來分析各分支管流量的偏差程度和各分支管分配均勻性程度的變化。

2.1.1 流比系數(shù)β

式中:βk，i為第i 根分支管氣相或液相的流比系數(shù);wk，i為第i 根分支管氣相或液相的質(zhì)量流量;N 為實驗段分支管總數(shù)。流比系數(shù)βk，i反映了各分支管氣相或液相質(zhì)量流量與平均流量的偏離程度，βk，i大于1 表明第i 根支管流量偏大，βk，i小于1 表明第i 根分支管流量偏小。

2.1.2 標準流比偏差系數(shù)STD

式中:STDk為氣相或液相的標準流比偏差系數(shù);N為實驗段分支管總數(shù)，標準流比偏差系數(shù)STDk反映了不同工況下氣相或液相分配的均勻性程度。STDk越接近于0，表明分配均勻性越好，STDk越大，表明分配均勻性越差。

2.2 誤差分析

2.2.1 誤差來源

2.2.2 誤差結(jié)果

為了對實驗誤差進行量度，在此引入總質(zhì)量平衡誤差，關(guān)系式如式所示，

總質(zhì)量平衡誤差是針對每個工況定義的實驗誤差，是衡量實驗精確度和可信度的重要指標，總質(zhì)量平衡誤差產(chǎn)生的原因除了上述提出的讀數(shù)誤差和測量儀表產(chǎn)生的誤差以外，更主要的是評定由于在單獨測量不同分支管時入口條件變化引起的誤差。

本實驗誤差結(jié)果如圖4 所示，氣相流體總質(zhì)量平衡誤差76% 集中在±0.04 之間，液相流體總質(zhì)量平衡誤差76%集中在-0.08 和0.04 之間，保證了實驗的可靠性。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 分支管位置的影響

在不加裝笛形管均流器的實驗結(jié)果中可以看到，如圖5 圖6 所示，發(fā)生了明顯的氣液兩相分配不均的情況，第1，4，7 號分支管氣相流量小，2，3，4，5 號分支管氣相流量大，相反地，1，4，7 號分支管液相流量大，2，3，4，5 號分支管液相流量大。即，氣相傾向于流入兩個入口附近的分支管，液相傾向于流入遠端的分支管。

3.2 干度的影響

圖4 氣液兩相總質(zhì)量平衡誤差Fig.4 Gas and liquid's total mass balance error

隨著入口干度的增加，如圖5 所示，氣相流量分配流比系數(shù)向1 靠近，但各分支管變化程度不同，其中，4 號分支管變化尤為明顯，當干度x =0.075 4 ～0.124 2 時，0.6 ＜βg，4＜0.8，當x=0.214 77 ～0.279 9 時，βg，4≈1 ;由于3 號和5號分支管的流比系數(shù)幾乎沒有變化，1，2，6，7號分支管也都趨近于1，所以兩側(cè)描述流比系數(shù)的圖線趨近于直線。

再看液相流量分配情況，和氣相流比系數(shù)的規(guī)律相同，如圖6 所示，各分支管的液相流比系數(shù)隨著干度的增大也都趨近于1，當干度x =0.075 4 ～0.124 2 時，1.5 ＜βl，4＜1.8，當x =0.214 77 ～0.279 9 時，βl，4≈1.2;隨 著 干 度 增加，兩側(cè)描述流比系數(shù)的圖線也趨近于直線。

將氣液兩相流STD 值進行曲線擬合，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)未加裝笛形管均流器的聯(lián)箱氣相STD值隨入口干度增加而減小，分配趨于均勻。液相STD 值隨入口干度增加而增大，分配趨于惡化。加裝笛形管均流器的聯(lián)箱STD 值無明顯變化，且處于較低水平。

3.3 聯(lián)箱幾何結(jié)構(gòu)對兩相分配的影響

加入笛形管均流分配器以后，氣液兩相的分配不均的現(xiàn)象都得到了明顯的改善，由于加入笛形管以后兩相流動相當復(fù)雜，所以規(guī)律性很差，如圖8，圖9 所示，氣相流比分配系數(shù)都集中在0.8 ＜βg＜1.2 范圍內(nèi)，但4 號分支管的氣相流比系數(shù)大于1，與不加地形管均流器的聯(lián)箱有相反地特性。液相流比偏差系數(shù)除了個別超過了1.2 以外，大部分也都集中在 (0.8，1.2)范圍內(nèi)。

圖6 未加裝笛形管均流器聯(lián)箱液相流比Fig.6 Liquid flow ratio of header without flute distributor

圖7 氣液兩相標準流比偏差系數(shù)擬合曲線Fig.7 Fitting curve of gas and liquid’s STD

圖8 加裝笛形管聯(lián)箱氣相流比Fig.8 Gas flow ratio of header adding flute distributor

圖9 加裝笛形管聯(lián)箱液相流比Fig.9 Liquid flow ratio of header adding flute distributor

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)的徑向引入多并聯(lián)分支管聯(lián)箱會發(fā)生嚴重的氣液兩相分配不均的現(xiàn)象，氣相流體分配呈M 型分布，即氣相流體多集中在入口附近的4 根分支管內(nèi)，液相流體分配呈W 型分布，即液相流體多集中在兩端的分支管和中間管等3 根分支管內(nèi)。隨著入口干度的增加，兩相流體分布都趨于均勻，氣液兩相的流比系數(shù)圖向直線趨近，兩相流體分布都趨于均勻，相反，干度越小，兩相分配均勻性會惡化。

(2)笛形管均流器可以明顯改善傳統(tǒng)聯(lián)箱氣液兩相分配不均的情況，且分配特性比較穩(wěn)定，受入口干度影響不大。笛形管均流器加劇了氣液兩相流體在聯(lián)箱內(nèi)的擾動，當流體從小孔流出以后在笛形管與聯(lián)箱內(nèi)壁之間形成的環(huán)形空腔內(nèi)進行了二次混合，且由于混合過程較原聯(lián)箱結(jié)構(gòu)中流體流動速度更快，湍流程度更強，所以兩相混合的更加均勻，分配的也更加均勻。

［1］Nae -Hyun Kim，Tae-Ryong Sin.Two-phase flow distribution of air – water annular flow in a parallel flow heat exchanger ［J］.International Journal of Multiphase Flow，2006，32:1340 -1353.

［2］Marchitto A.Experiments on two-phase flow distribution inside parallel channels of compact heat exchangers［J］.International Journal of Multiphase Flow，2008，34:128 -144.

［3］王妍梵，徐寶全，章燕謀，等.水平U 型和Z 型集箱系統(tǒng)的兩相流流量分配特性實驗研究［J］.中國鍋爐壓力容器安全，1996，13 (3):9 -15

［4］龐力平.氣液兩相流聯(lián)箱中流量分配的理論和實驗研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［5］朱眾勇.分配聯(lián)箱氣液兩相流特性及可視化研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.