超临界流体Z型并联管组流动特性实验研究

赵 于, 胡晓玮, 刘红杨, 刘云云, 毕勤成

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室， 陕西 西安 710049)

0 引言

在火电、核电、石油、化工等能源动力工程中，广泛存在着流体用于进行动量传递、能量传递以及热量传递的分流与汇聚管路结构[1]，如超临界直流锅炉水冷壁结构，过热器结构、核电水回路结构、化工设备中各种换热器结构等，当流体进行"三传"过程时，由于分流装置结构原因，均会出现一定程度的流量、能量以及热量偏差，而Z型并联管组是上述结构中应用最广泛、最重要的结构之一.国内学者[2-4]如西安交通大学杨冬、朱玉琴等人通过实验及数值计算研究锅炉水冷壁流体流量分配及热偏差问题，而国外学者[5-8]较多的通过数值计算研究单相水在Z型并联管组水动力问题，但目前Z型并联管组中流体流动特性研究仍多集中于常规流体，得结论应用有限，而由于超临界流体自身具有的高传热效率、强氧化及腐蚀等性质，越来越多被用于上述工业中，且超临界流体在临界点处由于密度突变，对流动参数测量设备要求高等问题均显出超临界流体流动特性研究的复杂性.通过以上考虑，本次实验基于西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，高温高压气水两相实验平台，应用极限温度为400 ℃的高温质量流量计研究超临界流体在Z型并联管组中流量分配偏差这一典型流动特性问题，阐释质量流速、压力、热负荷偏差及管型结构等影响因素与偏差现象的影响机制，实验结果对于解决流体在分流中出现的流量偏差等问题具有重要的意义.

1 Z型管组分配理论基础

如图1所示，因沿集箱长度方向流体质量流量持续变化，故无法用伯努利方程式来分析沿集箱长度的静压变化.据水动力计算标准方法中应用动量方程来建立集箱内静压分布的函数表达式，并通过试验提出两种集箱的静压变化系数的计算公式.

质量守恒方程：

(1)

式(1)中：ρ-流体密度,kg·m-3；Af-Z型分配集箱中流通面积,m2；Ac-Z型分配集箱中支管流通面积,m2；wf-分配集箱中流体轴向流速,m·s-1；wfy-分配集箱支管中流体径向分流流速,m·s-1.

图1 Z型布置分配与汇集集箱中压力变化图

图2 Z型分配集箱中流体流动分析图

动量守恒方程：

(2)

(3)

式(1)、(3)就是Z型布置分配集箱中能量与动量守恒方程式.

并联管组支管系统中流量分布均匀，沿其流动方向单位长度令为X，大小为x/L，则分配集箱中x点处流速大小为

(4)

将上述假定应用于式(3)，积分整理后可得分配集箱中x点处与进口处两点的静压差值，其大小也为此处流体静压力大小变化的数值ΔPfx

(5)

当x=L，即X=1时，得到分配集箱中最大静压差ΔPfL的计算式

(6)

式(6)中：Kf为分配集箱静压变化系数，即进入支管的流体部分在分流前所有具有的轴向动量转化为分配集箱中流体静压的动量变化系数，由试验确定，一般取值范围为0.41～0.95，Cf=1.24，则有

(7)

在Z型集箱系统分配集箱中，流体流动的阻力特性决定着其自身流动时产生的压力与流体静止时产生的压力如何转换及转换的程度，即随着ffL/Df的增大，动压力与静压力之间转化的程度逐渐降低.对式(5)简化得到x点出流体静压力简化公式.如图1所示的分配集箱中的压差关系，根据式(4)和(6)得到分配集箱内静压变化值ΔPfx，其值为

ΔPfLX(2-X)

(8)

2 实验系统

本实验在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室高压汽-水两相流试验台完成.实验台系统简图如图3所示，该试验台使用去离子水为试验所用工质，实验系统动力装置为一台最高压力40 MPa，最高流量为4.2 t·h-1的三柱塞泵.柱塞泵对试验用水进行升压以满足试验的需要，升压为两路，一路为旁路系统，主要作用是调节主路的压力与流量；另一路为主路，在主路上装有调节阀以调节主路流量与压力，质量流量计用于测量预热段进口流量，经过调节后的水进入再生换热器，再经过预热段，在预热段用五台变压器对其进行加热，加热后的汽-水两相工质进入试验段，整个试验段采用三点式加热方式，将铜辫用作导线，将铜极板分为三个部分一次连接到垂直加热段上，整个试验段分为垂直加热试验段与垂直绝热试验段两部分，预热段进口两相流体经过垂直加热段的进一步加热使工质变为过热蒸汽.经过试验段的工质经过测量后再次进入换热器后进入冷却器对其进行冷却，冷却后的工质经过调节后降为常温常压，之后经转子流量计后回到试验水箱.整个试验系统均为不锈钢构成，材料为1Cr18Ni9Ti.整个实验系统预热段部分采用5台100 kW与两台180 kW的变压器，再加上换热器余量回收，整个试验系统加热功率可以达到1 MW，可以满足此次试验的要求.实验段支管材质为1Cr18Ni9Ti，尺寸为φ 25 mm，分配管尺寸为φ 40 mm，长2 400 mm，支管间距800 mm.

图3 高温高压汽-水两相流试验系统图

3 结果及分析

3.1 流量分配偏差定义

超临界流体在分配集箱中分配流动的过程，既是一种复杂分流流动过程，又是一种变质量的流动过程.研究超临界流体在分配集箱并联管组各支管内流量分配的问题，本质上就是要计算出流体在并联系统各支管内的流量问题，用流量偏差系数δLi来表示各支管内的流量大小，则其δLi值大小按下式计算：

(9)

用并联管组中流量最大偏差系数ΔδL表示垂直并联管组中流量偏差的最大值.

ΔδL=(δLmax-δLmin)

(10)

式(10)中：δLmax-并联管组系统中支管内最大流量偏差值；δLmin-并联管组系统中支管的最小流量偏差值；ΔδL-并联管组系统中支管最大流量与最小流量偏差值的差值.

3.2 质量流速、压力的影响

由流体动量方程分析可知，分配管中由于流体静压增加，汇集管中流体静压减小，故支管中压差存在差别即流量分配均在差别.图4和图5为不考虑热负荷作用下，仅考虑质量流速、压力等因素对Z型管组支管中流体流量偏差的影响.

如图4所示，本文以超临界直流锅炉水冷壁内流体流动工况为实验依据，流体质量流速从600至1 200的变化过程中，分配管与汇集管中流体单位静压增加，支管1与支管2中压差增加，流量增加，但由流体静压分布曲线可知，分配为非均匀分布，故两支管流量偏差进一步增加，实验结果与理论分析一致，且质量流速对于Z型管组流体流量分布有较大影响.

而图5所示流体入口压力对流量分配的影响，由流体动力学方程可知，在相同入口压力条件下，支管压差由流体动量方程决定，所以入口压力对于流量分配偏差的影响可以忽略，实验结果与理论分析一致.

图4 质量流速的影响

图5 压力的影响

3.3 热负荷偏差的影响

在传热设备中由于结构方式、流体流动等复杂原因会造成并联管组中部分支管存在热偏差现象，基于此选取极限温度为400 ℃高温质量流量计，入口压力为11 MPa、质量流速kg·m-2s-1、热流密度q=50 kw·m-2以及不均匀加热比i=1.5/1这一典型工况研究热偏差对于流量偏差的影响.

图6所示为Z型集箱系统并联管组支管中单相流体流量分配受热负荷影响变化图.从图6可知，在开始阶段，由于Z型并联管组内支管1与支管2存在着一定的流量偏差，通过i=1.5/1对两支管加热，当随着分配集箱中入口流体质量含气率即干度逐渐增加，当流体温度接近其饱和温度，据流体力学动量方程及传热学理论可知支管1中流体流量逐渐减少，而支管2中流量逐渐增多，故两支管之间的流量偏差值进一步增大，此为管中流体自补偿特性.此时改变不均匀加热方式，减小两支管中流体温差，当入口流体温度达到其饱和温度时，单相流体逐渐向汽-液两相流体变化，流体密度差减小，两支管中流量偏差减小.Z型管组系统中两支管间工质质量流量会得到一定的恢复，管间流量分配不均匀情况会得到一定的改善.

图6 Z型管组并联支管流量分配受热负荷影响

3.4 管型结构的影响

在电厂锅炉、化工换热器等设备中为了增加热传递面积，往往采用多种复杂结构连接管路，此结构在增加流体受热面基础上同时对管内流体流动特性有一定的影响，为了分析管型结构对流量分配的影响，本次选取锅炉系统中常用的内螺纹结构作为模型研究.

图7为六头内螺纹管管型结构简图，表1为内螺纹管参数名称及尺寸.图8(a)～(d)均表示在相同参数条件下，Z型管组系统支管为光管及内螺纹管时管内工质流量偏差随集箱引入管内工质质量流速的变化的情况，从图中可以明显看出，当支管结构为光管时，两管间流量偏差较大，压力不变时，随着质量流速的增加其流量偏差增大；当支管结构换为内螺纹管时，相同干度条件下，支管间流量偏差减小，在较高压力时，流量偏差波动较小.

图7 内管螺纹管型结构简图

所以，通过分析可知，当Z型管组并联支管采用内螺纹管时可以有效的降低支管间的工质流量偏差，一个可能原因是在相同规格下，内螺纹管中工质的摩擦阻力要高于在光管中的阻力，内螺纹管中单相水阻力平方区摩擦阻力系数是相同规格的光管的56.7%.故支管较高的摩擦阻力使得分配集箱工质静压曲线变化更平缓，使得两相工质在分配集箱中相分配的更加均匀，其效果类似于光管结构中加装节流圈的作用.但是，内螺纹管由于较高的摩擦阻力，复杂的结构，使得完全用内螺纹管来代替光管会造成额外的能源消耗，整个设备的经济性也会进一步降低.

表1 内螺纹管参数

(a)p=13 MPa,G=600 kg/(m2s)工况

(b)p=13 MPa,G=1 200 kg/(m2s)工况

(c)p=21 MPa,G=600 kg/(m2s)工况

(d)p=21 MPa,G=1 200 kg/(m2s)工况图8 管形结构对Z型集箱支管流量分配的影响

4 结论

(1)不考虑热负荷作用，仅仅考虑流体质量流速及入口压力对超临界流体在Z型并联管组流量偏差影响，实验结果与理论方程分析相一致，其中质量流速对于偏差影响较大，随着质量流速的增加，Z型管组支管中流体流量偏差增大，而压力影响结果可以忽略.

(2)通过高温质量流量计及不均匀加热方式模拟出传热设备在实际工程中存在热负荷偏差时，Z型管组支管中流体流量偏差变化机制.通过实验发现，在低质量流速条件下，吸热较强的支管内流体质量流速较高，即吸热管的自补偿特性，通过这一发现，在管组设计时，通过合理的支管布置，可以有效的避免热负荷偏差造成的流量偏差的恶化，提高设备安全运行的能力.

(3)在相同的入口流速、压力及热流密度条件下，通过采用六头内螺纹管研究管型结构对于Z型并联管组支管流体流量偏差的影响规律.通过实验可知六头内螺纹管可以有效的减小支管流量偏差，但无法消除，并且从经济性角度分析，螺纹管结构复杂，造价较高，管内阻力较大，不推荐在支管设计中全部改成内螺纹管.