支路阻抗可调并联管路流量均布实验研究

万智华，王国平，陈宏振，苏长满，陈 建

(江苏建筑职业技术学院 建筑设备与市政工程学院，江苏 徐州 221116)

支路阻抗可调并联管路流量均布实验研究

万智华，王国平，陈宏振，苏长满，陈 建

(江苏建筑职业技术学院 建筑设备与市政工程学院，江苏 徐州 221116)

介绍了并联管路流量均布实验台的组成和功能。实验台中采用平衡阀代替板翅式换热器或冷箱的阻抗，同时，为了保证各支路阻抗的一致性，采用标定台来标定各支路平衡阀的阻抗。结果表明，单相流体在并联管路中分配较为均匀；异程式布置方式的流量均布性优于同程式布置方式；改变总管流量的大小对并联管路流量均布性能影响不大；增大支路阻抗有利于提高流量均布性能。

并联管路；流量均布；平衡阀；实验台

板翅式换热器由于换热效率高、结构紧凑等优点，在小型天然气液化(LNG)工业中应用广泛[1]。板翅式换热器中的封条和翅片通过钎焊连接，如果换热器长度或者截面积过大将会降低钎焊的质量。为了解决单台LNG板翅式换热器换热能力有限的问题，常采用多台板翅式换热器串/并联的方式进行连接[2]，并和液化分离等装置放置在一个箱体(该箱体被称为冷箱)当中。为了进一步提高天然气的液化量，也采用串/并联的方式连接冷箱。但如果分配到串/并联的板翅式换热器及冷箱的制冷剂或天然气流量不均匀，不仅会降低换热器及冷箱的运行效率，甚至会造成设备的破坏。因此，保证各股制冷剂及天然气流体进入各支路的流量在合理的范围，对于板翅式换热器及冷箱的安全性和可靠性具有十分重要的意义。

由于并联管组结构被广泛应用于工业中，国内外学者对其流量分配规律进行了大量的研究。常用的并联管组有U型和Z型两种。分流集管和汇流集管之间的压差是导致并联管组流量分布不均的原因[3-5]。并联管组的管路摩擦阻力系数会增加流量分配的不平衡性，且分支管的横截面大小对流量均布性影响较大[6]。文献[7-8]指出，并联支管的长度和汇流集箱的管径的增加可以提高并联管组流量均布性，不同的集箱和支管管径比对U型和Z型并联管组流量分配影响较大。文献[9]采用数值模拟和实验的方法研究了并联管路流量分配的规律，并提出了流体均布优化方案。上述研究的共同点均未考虑并联支路上连接的板翅式换热器或冷箱阻抗的影响。因此，本文搭建了一个可以调节支路阻抗的并联管路流量均布实验台，研究了管路布置方式、总管流量和支路阻抗对并联管路流量均布的影响。

1 实验台系统

依据北帕斯260万吨/年液化工艺用冷箱中的并联管道结构数据，其板翅式换热器或冷箱并联管路简化示意图如图1所示。总管长度为4 900 mm，总管直径为300 mm，支管直径为150 mm。板翅式换热器的长、宽、高尺寸分别为7 400 mm，1 200 mm和1 304 mm。由于大型LNG冷箱及其内部板翅式换热器实际十分庞大，按实际板翅式换热器或冷箱搭建实验台并不现实，所以需要对问题进行合理地简化。在本实验台中采用平衡阀阻抗代替冷箱或板翅式换热器的阻抗，搭建八个支路并联的实验台。实验台原理图和现场安装图分别如图2和图3所示。根据几何相似原理，实验台总管直径为40 mm，支管直径为20 mm，支管之间的间距为500 mm。由于实际并联板翅式换热器或冷箱的设计阻抗是相同的，所以实验台中必须保证各支路平衡阀阻抗相同。因此，设计了如图4所示的标定台。在进行每种实验工况之前必须标定各条支路平衡阀阻抗相同。标定的原理如式(1)所示，当测定每个平衡阀两端的压差ΔP和流量Q相等时，即可认为其阻抗值S相等。

(1)

图1 实际并联示意图

图2 实验原理图

图3 实验台现场图

图4 标定台

2 实验结果分析和讨论

2.1 并联管路流量均布性评价指标

由于本文中并联支路数很多，为了直观、准确地反映板翅式换热器或冷箱并联管路流量均布的情况，本文采用了以下评价指标：

1)各支管的不均匀度δ(i)

各支管的不均匀度δ(i)是各支管的实际流量Qi与并联管路的理想平均流量Qavg的相对偏差，用来表征各个支管偏离平均流量的程度，其定义如式(2)所示。δ(i)可以用来比较同一工况下各支管流量的大小。并联管路的理想平均流量Qavg如式(3)所示。

(3)

式中：Qi为第i条支路的实际流量，m3/h；n为并联管路的支管总数，根。当各支管不均匀度δ(i)大于0时，说明该支管实际流量比理想平均流量大；若小于0，说明该支管实际流量比理想平均流量小。

2)不均匀度的标准差STD

各支管的不均匀度δ(i)只是反映了各支管流量的分配情况，却无法比较不同工况下并联管路整体的流量分配情况。根据统计学中的标准差(standarddeviation)的定义，将各支管的不均匀度δ(i)当作一个样本，求该样本的标准差并定义为STD。不均匀度的标准差STD可以反映各支管不均匀度δ(i)波动的大小。STD值越大，各支管不均匀度δ(i)的波动越大，表明并联管路流量分配得不均匀。不均匀度的标准差STD定义如式(4)所示：

2.2 布置方式的影响

当打开阀门C1、关闭阀门C2时为异程式布置方式；当打开阀门C2、关闭阀门C1时为同程式布置方式。通过调节旁通阀来调节并联管路入口总管的流量，做了总管流量值分别为3.5m3/h、4.8m3/h和5.4m3/h的三种工况。异程式布置方式下三种流量工况各支管的不均匀度δ(i)如图5所示。从图5中可以看出，支管编号从1到8的流量呈现一个“阶梯式”下降趋势，表明靠近入口的支管流量大，远离入口的支管流量小。

图5 各支管不均匀度δ(i)

表1 不同流量工况下异程式和同程式布置方式STD对比

2.3 支路阻抗的影响

在不同设计容量的板翅式换热器及冷箱系统中，冷箱及其内部板翅式换热器的阻抗有所不同，所以有必要研究不同冷箱或板翅式换热器阻抗对并联管路流量均布的影响。三次改变各支路平衡阀的阻抗，根据总管进出口压差和入口总流量，利用式(1)可以求出并联管路的总阻抗，其值分别为0.22kPa·m-6·h2、0.26kPa·m-6·h2、0.31kPa·m-6·h2。图6为不同阻抗工况下各支管不均匀度δ(i)的变化情况。

图6 不同阻抗工况下各支管不均匀度δ(i)

3 结束语

本文采用平衡阀代替板翅式换热器或冷箱的阻抗，设计了一个可以改变支路阻抗的实验台，并采用标定台来标定各支路平衡阀，保证了各支路平衡阀阻抗的一致性。这与实际的工况是相符的。通过实验研究得出并联管路流量均布的一些规律：

1)通过对比不同流量工况下并联管路流量分配情况，异程式布置方式下的STD要小于同程式布置方式。因此，为提高并联管路流量的均布性，应优先采用异程式并联管路的布置方式。

2)单相流体在并联管路中分配均匀较好，且改变总管流量对并联管路流量均布性能影响不大。

3)增加各并联支路阻抗可以降低STD。因此，在实际冷箱设计时可以通过增大板翅式换热器或冷箱的阻抗来提高并联管路流量的均布性能。

[1]嵇训达. 我国板翅式换热器技术进展[J].低温与特气，1998(1)：24-29.

[2]秦燕，阎振贵. 百万吨级乙烯冷箱的设计[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]韦晓丽，缪正清. Z型和U型集箱并联管组流动特性的实验研究[J].动力工程，2008(4)：514-518.

[5]卜江华，胡明辅，朱孝钦. 并联管组系统中的流体流量分布研究[J].昆明理工大学学报：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]张润来，方一红. 并联管组模型流动均匀性分析[J].天津科技大学学报，2007(2)：45-48.

[9]张淑文，王伟平，杨健，等. 冷箱U型和Z型集管流体分布特性数值模拟[J].低温工程，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

国家高技术研究发展计划(863计划)基金资助项目 (2013AA09A216)。

万智华(1990-)，男，硕士，助教，研究方向：LNG板翅式换热器冷箱安全性及关键技术。

TK124

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.002