超臨界流體Z型并聯(lián)管組流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

趙 于, 胡曉瑋, 劉紅楊, 劉云云, 畢勤成

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710049)

0 引言

在火電、核電、石油、化工等能源動(dòng)力工程中，廣泛存在著流體用于進(jìn)行動(dòng)量傳遞、能量傳遞以及熱量傳遞的分流與匯聚管路結(jié)構(gòu)[1]，如超臨界直流鍋爐水冷壁結(jié)構(gòu)，過熱器結(jié)構(gòu)、核電水回路結(jié)構(gòu)、化工設(shè)備中各種換熱器結(jié)構(gòu)等，當(dāng)流體進(jìn)行"三傳"過程時(shí)，由于分流裝置結(jié)構(gòu)原因，均會(huì)出現(xiàn)一定程度的流量、能量以及熱量偏差，而Z型并聯(lián)管組是上述結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛、最重要的結(jié)構(gòu)之一.國內(nèi)學(xué)者[2-4]如西安交通大學(xué)楊冬、朱玉琴等人通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算研究鍋爐水冷壁流體流量分配及熱偏差問題，而國外學(xué)者[5-8]較多的通過數(shù)值計(jì)算研究單相水在Z型并聯(lián)管組水動(dòng)力問題，但目前Z型并聯(lián)管組中流體流動(dòng)特性研究仍多集中于常規(guī)流體，得結(jié)論應(yīng)用有限，而由于超臨界流體自身具有的高傳熱效率、強(qiáng)氧化及腐蝕等性質(zhì)，越來越多被用于上述工業(yè)中，且超臨界流體在臨界點(diǎn)處由于密度突變，對(duì)流動(dòng)參數(shù)測(cè)量設(shè)備要求高等問題均顯出超臨界流體流動(dòng)特性研究的復(fù)雜性.通過以上考慮，本次實(shí)驗(yàn)基于西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高溫高壓氣水兩相實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用極限溫度為400 ℃的高溫質(zhì)量流量計(jì)研究超臨界流體在Z型并聯(lián)管組中流量分配偏差這一典型流動(dòng)特性問題，闡釋質(zhì)量流速、壓力、熱負(fù)荷偏差及管型結(jié)構(gòu)等影響因素與偏差現(xiàn)象的影響機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于解決流體在分流中出現(xiàn)的流量偏差等問題具有重要的意義.

1 Z型管組分配理論基礎(chǔ)

如圖1所示，因沿集箱長度方向流體質(zhì)量流量持續(xù)變化，故無法用伯努利方程式來分析沿集箱長度的靜壓變化.據(jù)水動(dòng)力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中應(yīng)用動(dòng)量方程來建立集箱內(nèi)靜壓分布的函數(shù)表達(dá)式，并通過試驗(yàn)提出兩種集箱的靜壓變化系數(shù)的計(jì)算公式.

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式(1)中：ρ-流體密度,kg·m-3；Af-Z型分配集箱中流通面積,m2；Ac-Z型分配集箱中支管流通面積,m2；wf-分配集箱中流體軸向流速,m·s-1；wfy-分配集箱支管中流體徑向分流流速,m·s-1.

圖1 Z型布置分配與匯集集箱中壓力變化圖

圖2 Z型分配集箱中流體流動(dòng)分析圖

動(dòng)量守恒方程：

(2)

(3)

式(1)、(3)就是Z型布置分配集箱中能量與動(dòng)量守恒方程式.

并聯(lián)管組支管系統(tǒng)中流量分布均勻，沿其流動(dòng)方向單位長度令為X，大小為x/L，則分配集箱中x點(diǎn)處流速大小為

(4)

將上述假定應(yīng)用于式(3)，積分整理后可得分配集箱中x點(diǎn)處與進(jìn)口處兩點(diǎn)的靜壓差值，其大小也為此處流體靜壓力大小變化的數(shù)值ΔPfx

(5)

當(dāng)x=L，即X=1時(shí)，得到分配集箱中最大靜壓差ΔPfL的計(jì)算式

(6)

式(6)中：Kf為分配集箱靜壓變化系數(shù)，即進(jìn)入支管的流體部分在分流前所有具有的軸向動(dòng)量轉(zhuǎn)化為分配集箱中流體靜壓的動(dòng)量變化系數(shù)，由試驗(yàn)確定，一般取值范圍為0.41～0.95，Cf=1.24，則有

(7)

在Z型集箱系統(tǒng)分配集箱中，流體流動(dòng)的阻力特性決定著其自身流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力與流體靜止時(shí)產(chǎn)生的壓力如何轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換的程度，即隨著ffL/Df的增大，動(dòng)壓力與靜壓力之間轉(zhuǎn)化的程度逐漸降低.對(duì)式(5)簡化得到x點(diǎn)出流體靜壓力簡化公式.如圖1所示的分配集箱中的壓差關(guān)系，根據(jù)式(4)和(6)得到分配集箱內(nèi)靜壓變化值ΔPfx，其值為

ΔPfLX(2-X)

(8)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高壓汽-水兩相流試驗(yàn)臺(tái)完成.實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡圖如圖3所示，該試驗(yàn)臺(tái)使用去離子水為試驗(yàn)所用工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力裝置為一臺(tái)最高壓力40 MPa，最高流量為4.2 t·h-1的三柱塞泵.柱塞泵對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行升壓以滿足試驗(yàn)的需要，升壓為兩路，一路為旁路系統(tǒng)，主要作用是調(diào)節(jié)主路的壓力與流量；另一路為主路，在主路上裝有調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)主路流量與壓力，質(zhì)量流量計(jì)用于測(cè)量預(yù)熱段進(jìn)口流量，經(jīng)過調(diào)節(jié)后的水進(jìn)入再生換熱器，再經(jīng)過預(yù)熱段，在預(yù)熱段用五臺(tái)變壓器對(duì)其進(jìn)行加熱，加熱后的汽-水兩相工質(zhì)進(jìn)入試驗(yàn)段，整個(gè)試驗(yàn)段采用三點(diǎn)式加熱方式，將銅辮用作導(dǎo)線，將銅極板分為三個(gè)部分一次連接到垂直加熱段上，整個(gè)試驗(yàn)段分為垂直加熱試驗(yàn)段與垂直絕熱試驗(yàn)段兩部分，預(yù)熱段進(jìn)口兩相流體經(jīng)過垂直加熱段的進(jìn)一步加熱使工質(zhì)變?yōu)檫^熱蒸汽.經(jīng)過試驗(yàn)段的工質(zhì)經(jīng)過測(cè)量后再次進(jìn)入換熱器后進(jìn)入冷卻器對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻后的工質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)后降為常溫常壓，之后經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后回到試驗(yàn)水箱.整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)均為不銹鋼構(gòu)成，材料為1Cr18Ni9Ti.整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)熱段部分采用5臺(tái)100 kW與兩臺(tái)180 kW的變壓器，再加上換熱器余量回收，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)加熱功率可以達(dá)到1 MW，可以滿足此次試驗(yàn)的要求.實(shí)驗(yàn)段支管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，尺寸為φ 25 mm，分配管尺寸為φ 40 mm，長2 400 mm，支管間距800 mm.

圖3 高溫高壓汽-水兩相流試驗(yàn)系統(tǒng)圖

3 結(jié)果及分析

3.1 流量分配偏差定義

超臨界流體在分配集箱中分配流動(dòng)的過程，既是一種復(fù)雜分流流動(dòng)過程，又是一種變質(zhì)量的流動(dòng)過程.研究超臨界流體在分配集箱并聯(lián)管組各支管內(nèi)流量分配的問題，本質(zhì)上就是要計(jì)算出流體在并聯(lián)系統(tǒng)各支管內(nèi)的流量問題，用流量偏差系數(shù)δLi來表示各支管內(nèi)的流量大小，則其δLi值大小按下式計(jì)算：

(9)

用并聯(lián)管組中流量最大偏差系數(shù)ΔδL表示垂直并聯(lián)管組中流量偏差的最大值.

ΔδL=(δLmax-δLmin)

(10)

式(10)中：δLmax-并聯(lián)管組系統(tǒng)中支管內(nèi)最大流量偏差值；δLmin-并聯(lián)管組系統(tǒng)中支管的最小流量偏差值；ΔδL-并聯(lián)管組系統(tǒng)中支管最大流量與最小流量偏差值的差值.

3.2 質(zhì)量流速、壓力的影響

由流體動(dòng)量方程分析可知，分配管中由于流體靜壓增加，匯集管中流體靜壓減小，故支管中壓差存在差別即流量分配均在差別.圖4和圖5為不考慮熱負(fù)荷作用下，僅考慮質(zhì)量流速、壓力等因素對(duì)Z型管組支管中流體流量偏差的影響.

如圖4所示，本文以超臨界直流鍋爐水冷壁內(nèi)流體流動(dòng)工況為實(shí)驗(yàn)依據(jù)，流體質(zhì)量流速從600至1 200的變化過程中，分配管與匯集管中流體單位靜壓增加，支管1與支管2中壓差增加，流量增加，但由流體靜壓分布曲線可知，分配為非均勻分布，故兩支管流量偏差進(jìn)一步增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，且質(zhì)量流速對(duì)于Z型管組流體流量分布有較大影響.

而圖5所示流體入口壓力對(duì)流量分配的影響，由流體動(dòng)力學(xué)方程可知，在相同入口壓力條件下，支管壓差由流體動(dòng)量方程決定，所以入口壓力對(duì)于流量分配偏差的影響可以忽略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致.

圖4 質(zhì)量流速的影響

圖5 壓力的影響

3.3 熱負(fù)荷偏差的影響

在傳熱設(shè)備中由于結(jié)構(gòu)方式、流體流動(dòng)等復(fù)雜原因會(huì)造成并聯(lián)管組中部分支管存在熱偏差現(xiàn)象，基于此選取極限溫度為400 ℃高溫質(zhì)量流量計(jì)，入口壓力為11 MPa、質(zhì)量流速kg·m-2s-1、熱流密度q=50 kw·m-2以及不均勻加熱比i=1.5/1這一典型工況研究熱偏差對(duì)于流量偏差的影響.

圖6所示為Z型集箱系統(tǒng)并聯(lián)管組支管中單相流體流量分配受熱負(fù)荷影響變化圖.從圖6可知，在開始階段，由于Z型并聯(lián)管組內(nèi)支管1與支管2存在著一定的流量偏差，通過i=1.5/1對(duì)兩支管加熱，當(dāng)隨著分配集箱中入口流體質(zhì)量含氣率即干度逐漸增加，當(dāng)流體溫度接近其飽和溫度，據(jù)流體力學(xué)動(dòng)量方程及傳熱學(xué)理論可知支管1中流體流量逐漸減少，而支管2中流量逐漸增多，故兩支管之間的流量偏差值進(jìn)一步增大，此為管中流體自補(bǔ)償特性.此時(shí)改變不均勻加熱方式，減小兩支管中流體溫差，當(dāng)入口流體溫度達(dá)到其飽和溫度時(shí)，單相流體逐漸向汽-液兩相流體變化，流體密度差減小，兩支管中流量偏差減小.Z型管組系統(tǒng)中兩支管間工質(zhì)質(zhì)量流量會(huì)得到一定的恢復(fù)，管間流量分配不均勻情況會(huì)得到一定的改善.

圖6 Z型管組并聯(lián)支管流量分配受熱負(fù)荷影響

3.4 管型結(jié)構(gòu)的影響

在電廠鍋爐、化工換熱器等設(shè)備中為了增加熱傳遞面積，往往采用多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接管路，此結(jié)構(gòu)在增加流體受熱面基礎(chǔ)上同時(shí)對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)特性有一定的影響，為了分析管型結(jié)構(gòu)對(duì)流量分配的影響，本次選取鍋爐系統(tǒng)中常用的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)作為模型研究.

圖7為六頭內(nèi)螺紋管管型結(jié)構(gòu)簡圖，表1為內(nèi)螺紋管參數(shù)名稱及尺寸.圖8(a)～(d)均表示在相同參數(shù)條件下，Z型管組系統(tǒng)支管為光管及內(nèi)螺紋管時(shí)管內(nèi)工質(zhì)流量偏差隨集箱引入管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速的變化的情況，從圖中可以明顯看出，當(dāng)支管結(jié)構(gòu)為光管時(shí)，兩管間流量偏差較大，壓力不變時(shí)，隨著質(zhì)量流速的增加其流量偏差增大；當(dāng)支管結(jié)構(gòu)換為內(nèi)螺紋管時(shí)，相同干度條件下，支管間流量偏差減小，在較高壓力時(shí)，流量偏差波動(dòng)較小.

圖7 內(nèi)管螺紋管型結(jié)構(gòu)簡圖

所以，通過分析可知，當(dāng)Z型管組并聯(lián)支管采用內(nèi)螺紋管時(shí)可以有效的降低支管間的工質(zhì)流量偏差，一個(gè)可能原因是在相同規(guī)格下，內(nèi)螺紋管中工質(zhì)的摩擦阻力要高于在光管中的阻力，內(nèi)螺紋管中單相水阻力平方區(qū)摩擦阻力系數(shù)是相同規(guī)格的光管的56.7%.故支管較高的摩擦阻力使得分配集箱工質(zhì)靜壓曲線變化更平緩，使得兩相工質(zhì)在分配集箱中相分配的更加均勻，其效果類似于光管結(jié)構(gòu)中加裝節(jié)流圈的作用.但是，內(nèi)螺紋管由于較高的摩擦阻力，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得完全用內(nèi)螺紋管來代替光管會(huì)造成額外的能源消耗，整個(gè)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性也會(huì)進(jìn)一步降低.

表1 內(nèi)螺紋管參數(shù)

(a)p=13 MPa,G=600 kg/(m2s)工況

(b)p=13 MPa,G=1 200 kg/(m2s)工況

(c)p=21 MPa,G=600 kg/(m2s)工況

(d)p=21 MPa,G=1 200 kg/(m2s)工況圖8 管形結(jié)構(gòu)對(duì)Z型集箱支管流量分配的影響

4 結(jié)論

(1)不考慮熱負(fù)荷作用，僅僅考慮流體質(zhì)量流速及入口壓力對(duì)超臨界流體在Z型并聯(lián)管組流量偏差影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論方程分析相一致，其中質(zhì)量流速對(duì)于偏差影響較大，隨著質(zhì)量流速的增加，Z型管組支管中流體流量偏差增大，而壓力影響結(jié)果可以忽略.

(2)通過高溫質(zhì)量流量計(jì)及不均勻加熱方式模擬出傳熱設(shè)備在實(shí)際工程中存在熱負(fù)荷偏差時(shí)，Z型管組支管中流體流量偏差變化機(jī)制.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在低質(zhì)量流速條件下，吸熱較強(qiáng)的支管內(nèi)流體質(zhì)量流速較高，即吸熱管的自補(bǔ)償特性，通過這一發(fā)現(xiàn)，在管組設(shè)計(jì)時(shí)，通過合理的支管布置，可以有效的避免熱負(fù)荷偏差造成的流量偏差的惡化，提高設(shè)備安全運(yùn)行的能力.

(3)在相同的入口流速、壓力及熱流密度條件下，通過采用六頭內(nèi)螺紋管研究管型結(jié)構(gòu)對(duì)于Z型并聯(lián)管組支管流體流量偏差的影響規(guī)律.通過實(shí)驗(yàn)可知六頭內(nèi)螺紋管可以有效的減小支管流量偏差，但無法消除，并且從經(jīng)濟(jì)性角度分析，螺紋管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，管內(nèi)阻力較大，不推薦在支管設(shè)計(jì)中全部改成內(nèi)螺紋管.