支路阻抗可調(diào)并聯(lián)管路流量均布實(shí)驗(yàn)研究

萬智華，王國平，陳宏振，蘇長滿，陳 建

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備與市政工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

支路阻抗可調(diào)并聯(lián)管路流量均布實(shí)驗(yàn)研究

萬智華，王國平，陳宏振，蘇長滿，陳 建

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備與市政工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

介紹了并聯(lián)管路流量均布實(shí)驗(yàn)臺的組成和功能。實(shí)驗(yàn)臺中采用平衡閥代替板翅式換熱器或冷箱的阻抗，同時(shí)，為了保證各支路阻抗的一致性，采用標(biāo)定臺來標(biāo)定各支路平衡閥的阻抗。結(jié)果表明，單相流體在并聯(lián)管路中分配較為均勻；異程式布置方式的流量均布性優(yōu)于同程式布置方式；改變總管流量的大小對并聯(lián)管路流量均布性能影響不大；增大支路阻抗有利于提高流量均布性能。

并聯(lián)管路；流量均布；平衡閥；實(shí)驗(yàn)臺

板翅式換熱器由于換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在小型天然氣液化(LNG)工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。板翅式換熱器中的封條和翅片通過釬焊連接，如果換熱器長度或者截面積過大將會降低釬焊的質(zhì)量。為了解決單臺LNG板翅式換熱器換熱能力有限的問題，常采用多臺板翅式換熱器串/并聯(lián)的方式進(jìn)行連接[2]，并和液化分離等裝置放置在一個(gè)箱體(該箱體被稱為冷箱)當(dāng)中。為了進(jìn)一步提高天然氣的液化量，也采用串/并聯(lián)的方式連接冷箱。但如果分配到串/并聯(lián)的板翅式換熱器及冷箱的制冷劑或天然氣流量不均勻，不僅會降低換熱器及冷箱的運(yùn)行效率，甚至?xí)斐稍O(shè)備的破壞。因此，保證各股制冷劑及天然氣流體進(jìn)入各支路的流量在合理的范圍，對于板翅式換熱器及冷箱的安全性和可靠性具有十分重要的意義。

由于并聯(lián)管組結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，國內(nèi)外學(xué)者對其流量分配規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。常用的并聯(lián)管組有U型和Z型兩種。分流集管和匯流集管之間的壓差是導(dǎo)致并聯(lián)管組流量分布不均的原因[3-5]。并聯(lián)管組的管路摩擦阻力系數(shù)會增加流量分配的不平衡性，且分支管的橫截面大小對流量均布性影響較大[6]。文獻(xiàn)[7-8]指出，并聯(lián)支管的長度和匯流集箱的管徑的增加可以提高并聯(lián)管組流量均布性，不同的集箱和支管管徑比對U型和Z型并聯(lián)管組流量分配影響較大。文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法研究了并聯(lián)管路流量分配的規(guī)律，并提出了流體均布優(yōu)化方案。上述研究的共同點(diǎn)均未考慮并聯(lián)支路上連接的板翅式換熱器或冷箱阻抗的影響。因此，本文搭建了一個(gè)可以調(diào)節(jié)支路阻抗的并聯(lián)管路流量均布實(shí)驗(yàn)臺，研究了管路布置方式、總管流量和支路阻抗對并聯(lián)管路流量均布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)

依據(jù)北帕斯260萬噸/年液化工藝用冷箱中的并聯(lián)管道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其板翅式換熱器或冷箱并聯(lián)管路簡化示意圖如圖1所示?？偣荛L度為4 900 mm，總管直徑為300 mm，支管直徑為150 mm。板翅式換熱器的長、寬、高尺寸分別為7 400 mm，1 200 mm和1 304 mm。由于大型LNG冷箱及其內(nèi)部板翅式換熱器實(shí)際十分龐大，按實(shí)際板翅式換熱器或冷箱搭建實(shí)驗(yàn)臺并不現(xiàn)實(shí)，所以需要對問題進(jìn)行合理地簡化。在本實(shí)驗(yàn)臺中采用平衡閥阻抗代替冷箱或板翅式換熱器的阻抗，搭建八個(gè)支路并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)臺。實(shí)驗(yàn)臺原理圖和現(xiàn)場安裝圖分別如圖2和圖3所示。根據(jù)幾何相似原理，實(shí)驗(yàn)臺總管直徑為40 mm，支管直徑為20 mm，支管之間的間距為500 mm。由于實(shí)際并聯(lián)板翅式換熱器或冷箱的設(shè)計(jì)阻抗是相同的，所以實(shí)驗(yàn)臺中必須保證各支路平衡閥阻抗相同。因此，設(shè)計(jì)了如圖4所示的標(biāo)定臺。在進(jìn)行每種實(shí)驗(yàn)工況之前必須標(biāo)定各條支路平衡閥阻抗相同。標(biāo)定的原理如式(1)所示，當(dāng)測定每個(gè)平衡閥兩端的壓差ΔP和流量Q相等時(shí)，即可認(rèn)為其阻抗值S相等。

(1)

圖1 實(shí)際并聯(lián)示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3 實(shí)驗(yàn)臺現(xiàn)場圖

圖4 標(biāo)定臺

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

2.1 并聯(lián)管路流量均布性評價(jià)指標(biāo)

由于本文中并聯(lián)支路數(shù)很多，為了直觀、準(zhǔn)確地反映板翅式換熱器或冷箱并聯(lián)管路流量均布的情況，本文采用了以下評價(jià)指標(biāo)：

1)各支管的不均勻度δ(i)

各支管的不均勻度δ(i)是各支管的實(shí)際流量Qi與并聯(lián)管路的理想平均流量Qavg的相對偏差，用來表征各個(gè)支管偏離平均流量的程度，其定義如式(2)所示。δ(i)可以用來比較同一工況下各支管流量的大小。并聯(lián)管路的理想平均流量Qavg如式(3)所示。

(3)

式中：Qi為第i條支路的實(shí)際流量，m3/h；n為并聯(lián)管路的支管總數(shù)，根。當(dāng)各支管不均勻度δ(i)大于0時(shí)，說明該支管實(shí)際流量比理想平均流量大；若小于0，說明該支管實(shí)際流量比理想平均流量小。

2)不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)差STD

各支管的不均勻度δ(i)只是反映了各支管流量的分配情況，卻無法比較不同工況下并聯(lián)管路整體的流量分配情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差(standarddeviation)的定義，將各支管的不均勻度δ(i)當(dāng)作一個(gè)樣本，求該樣本的標(biāo)準(zhǔn)差并定義為STD。不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)差STD可以反映各支管不均勻度δ(i)波動的大小。STD值越大，各支管不均勻度δ(i)的波動越大，表明并聯(lián)管路流量分配得不均勻。不均勻度的標(biāo)準(zhǔn)差STD定義如式(4)所示：

2.2 布置方式的影響

當(dāng)打開閥門C1、關(guān)閉閥門C2時(shí)為異程式布置方式；當(dāng)打開閥門C2、關(guān)閉閥門C1時(shí)為同程式布置方式。通過調(diào)節(jié)旁通閥來調(diào)節(jié)并聯(lián)管路入口總管的流量，做了總管流量值分別為3.5m3/h、4.8m3/h和5.4m3/h的三種工況。異程式布置方式下三種流量工況各支管的不均勻度δ(i)如圖5所示。從圖5中可以看出，支管編號從1到8的流量呈現(xiàn)一個(gè)“階梯式”下降趨勢，表明靠近入口的支管流量大，遠(yuǎn)離入口的支管流量小。

圖5 各支管不均勻度δ(i)

表1 不同流量工況下異程式和同程式布置方式STD對比

2.3 支路阻抗的影響

在不同設(shè)計(jì)容量的板翅式換熱器及冷箱系統(tǒng)中，冷箱及其內(nèi)部板翅式換熱器的阻抗有所不同，所以有必要研究不同冷箱或板翅式換熱器阻抗對并聯(lián)管路流量均布的影響。三次改變各支路平衡閥的阻抗，根據(jù)總管進(jìn)出口壓差和入口總流量，利用式(1)可以求出并聯(lián)管路的總阻抗，其值分別為0.22kPa·m-6·h2、0.26kPa·m-6·h2、0.31kPa·m-6·h2。圖6為不同阻抗工況下各支管不均勻度δ(i)的變化情況。

圖6 不同阻抗工況下各支管不均勻度δ(i)

3 結(jié)束語

本文采用平衡閥代替板翅式換熱器或冷箱的阻抗，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以改變支路阻抗的實(shí)驗(yàn)臺，并采用標(biāo)定臺來標(biāo)定各支路平衡閥，保證了各支路平衡閥阻抗的一致性。這與實(shí)際的工況是相符的。通過實(shí)驗(yàn)研究得出并聯(lián)管路流量均布的一些規(guī)律：

1)通過對比不同流量工況下并聯(lián)管路流量分配情況，異程式布置方式下的STD要小于同程式布置方式。因此，為提高并聯(lián)管路流量的均布性，應(yīng)優(yōu)先采用異程式并聯(lián)管路的布置方式。

2)單相流體在并聯(lián)管路中分配均勻較好，且改變總管流量對并聯(lián)管路流量均布性能影響不大。

3)增加各并聯(lián)支路阻抗可以降低STD。因此，在實(shí)際冷箱設(shè)計(jì)時(shí)可以通過增大板翅式換熱器或冷箱的阻抗來提高并聯(lián)管路流量的均布性能。

[1]嵇訓(xùn)達(dá). 我國板翅式換熱器技術(shù)進(jìn)展[J].低溫與特氣，1998(1)：24-29.

[2]秦燕，閻振貴. 百萬噸級乙烯冷箱的設(shè)計(jì)[J].杭氧科技，2008(1)：10-16.

[3]Mcnonn J S.Mechanics of manifold flow[J].Transaction ASME，1959，119：1103-1142.

[4]韋曉麗，繆正清. Z型和U型集箱并聯(lián)管組流動特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].動力工程，2008(4)：514-518.

[5]卜江華，胡明輔，朱孝欽. 并聯(lián)管組系統(tǒng)中的流體流量分布研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2003，28(5)：131-142.

[6]Shen P I.The effect of friction on flow distribution in dividing and combining flow manifolds[J].Journal of Fluids Engineering，1992，114(1)：121-123.

[7]Tonomura O，Tanaka S，Noda M，et al. CFD-based optimal design of manifold in plate-fin microdevices[J].Chemical Engineering Journal，2004，101(1-3)：397-402.

[8]張潤來，方一紅. 并聯(lián)管組模型流動均勻性分析[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2)：45-48.

[9]張淑文，王偉平，楊健，等. 冷箱U型和Z型集管流體分布特性數(shù)值模擬[J].低溫工程，2012(6)：22-28.

Parallel Pipelines with a Variable Branch Impedance Flow Distribution Test System

WAN Zhihua,WANG Guoping, CHEN Hongzhen, SU Changman, CHEN Jian

(Construction Equipment and Municipal Engineering, Jiangsu Jianzhu Institute, Xuzhou 221116,China)

The composition and function of parallel pipelines flow distribution test system was introduced. The impedance of plate-fin heat exchanger or cold box in the test system are substituted by the balancing valves, and in order to keep the consistency of the branch impedance, the balancing valves were calibrated by the calibration. The results show that the flow distribution characteristics of single phase in the parallel pipelines is uniform. Direct return arrangement of pipelines have a better uniform flow distribution characteristics than reversed arrangement of pipelines. Changing the inlet flow rate has little effect on the flow distribution characteristics. Enlarging the impedance of each parallel branch is beneficial to flow distribution characteristics.

parallel pipeline; flow distribution; balancing valve; test system

2014-09-09；修改日期: 2014-12-19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目 (2013AA09A216)。

萬智華(1990-)，男，碩士，助教，研究方向：LNG板翅式換熱器冷箱安全性及關(guān)鍵技術(shù)。

TK124

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.002