支路阻抗可調并聯管路流量均布實驗研究

萬智華，王國平，陳宏振，蘇長滿，陳 建

(江蘇建筑職業技術學院 建筑設備與市政工程學院，江蘇 徐州 221116)

支路阻抗可調并聯管路流量均布實驗研究

萬智華，王國平，陳宏振，蘇長滿，陳 建

(江蘇建筑職業技術學院 建筑設備與市政工程學院，江蘇 徐州 221116)

介紹了并聯管路流量均布實驗臺的組成和功能。實驗臺中采用平衡閥代替板翅式換熱器或冷箱的阻抗，同時，為了保證各支路阻抗的一致性，采用標定臺來標定各支路平衡閥的阻抗。結果表明，單相流體在并聯管路中分配較為均勻；異程式布置方式的流量均布性優于同程式布置方式；改變總管流量的大小對并聯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。

并聯管路；流量均布；平衡閥；實驗臺

板翅式換熱器由于換熱效率高、結構緊湊等優點，在小型天然氣液化(LNG)工業中應用廣泛[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/并聯的方式進行連接[2]，并和液化分離等裝置放置在一個箱體(該箱體被稱為冷箱)當中。為了進一步提高天然氣的液化量，也采用串/并聯的方式連接冷箱。但如果分配到串/并聯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行效率，甚至會造成設備的破壞。因此，保證各股制冷劑及天然氣流體進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。

由于并聯管組結構被廣泛應用于工業中，國內外學者對其流量分配規律進行了大量的研究。常用的并聯管組有U型和Z型兩種。分流集管和匯流集管之間的壓差是導致并聯管組流量分布不均的原因[3-5]。并聯管組的管路摩擦阻力系數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[7-8]指出，并聯支管的長度和匯流集箱的管徑的增加可以提高并聯管組流量均布性，不同的集箱和支管管徑比對U型和Z型并聯管組流量分配影響較大。文獻[9]采用數值模擬和實驗的方法研究了并聯管路流量分配的規律，并提出了流體均布優化方案。上述研究的共同點均未考慮并聯支路上連接的板翅式換熱器或冷箱阻抗的影響。因此，本文搭建了一個可以調節支路阻抗的并聯管路流量均布實驗臺，研究了管路布置方式、總管流量和支路阻抗對并聯管路流量均布的影響。

1 實驗臺系統

依據北帕斯260萬噸/年液化工藝用冷箱中的并聯管道結構數據，其板翅式換熱器或冷箱并聯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冷箱及其內部板翅式換熱器實際十分龐大，按實際板翅式換熱器或冷箱搭建實驗臺并不現實，所以需要對問題進行合理地簡化。在本實驗臺中采用平衡閥阻抗代替冷箱或板翅式換熱器的阻抗，搭建八個支路并聯的實驗臺。實驗臺原理圖和現場安裝圖分別如圖2和圖3所示。根據幾何相似原理，實驗臺總管直徑為40 mm，支管直徑為20 mm，支管之間的間距為500 mm。由于實際并聯板翅式換熱器或冷箱的設計阻抗是相同的，所以實驗臺中必須保證各支路平衡閥阻抗相同。因此，設計了如圖4所示的標定臺。在進行每種實驗工況之前必須標定各條支路平衡閥阻抗相同。標定的原理如式(1)所示，當測定每個平衡閥兩端的壓差ΔP和流量Q相等時，即可認為其阻抗值S相等。

(1)

圖1 實際并聯示意圖

圖2 實驗原理圖

圖3 實驗臺現場圖

圖4 標定臺

2 實驗結果分析和討論

2.1 并聯管路流量均布性評價指標

由于本文中并聯支路數很多，為了直觀、準確地反映板翅式換熱器或冷箱并聯管路流量均布的情況，本文采用了以下評價指標：

1)各支管的不均勻度δ(i)

各支管的不均勻度δ(i)是各支管的實際流量Qi與并聯管路的理想平均流量Qavg的相對偏差，用來表征各個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條支路的實際流量，m3/h；n為并聯管路的支管總數，根。當各支管不均勻度δ(i)大于0時，說明該支管實際流量比理想平均流量大；若小于0，說明該支管實際流量比理想平均流量小。

2)不均勻度的標準差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管路整體的流量分配情況。根據統計學中的標準差(standarddeviation)的定義，將各支管的不均勻度δ(i)當作一個樣本，求該樣本的標準差并定義為STD。不均勻度的標準差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，表明并聯管路流量分配得不均勻。不均勻度的標準差STD定義如式(4)所示：

2.2 布置方式的影響

當打開閥門C1、關閉閥門C2時為異程式布置方式；當打開閥門C2、關閉閥門C1時為同程式布置方式。通過調節旁通閥來調節并聯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的流量呈現一個“階梯式”下降趨勢，表明靠近入口的支管流量大，遠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

在不同設計容量的板翅式換熱器及冷箱系統中，冷箱及其內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管路流量均布的影響。三次改變各支路平衡閥的阻抗，根據總管進出口壓差和入口總流量，利用式(1)可以求出并聯管路的總阻抗，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 結束語

本文采用平衡閥代替板翅式換熱器或冷箱的阻抗，設計了一個可以改變支路阻抗的實驗臺，并采用標定臺來標定各支路平衡閥，保證了各支路平衡閥阻抗的一致性。這與實際的工況是相符的。通過實驗研究得出并聯管路流量均布的一些規律：

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

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

3)增加各并聯支路阻抗可以降低STD。因此，在實際冷箱設計時可以通過增大板翅式換熱器或冷箱的阻抗來提高并聯管路流量的均布性能。

[1]嵇訓達. 我國板翅式換熱器技術進展[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計[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型集箱并聯管組流動特性的實驗研究[J].動力工程，2008(4)：514-518.

[5]卜江華，胡明輔，朱孝欽. 并聯管組系統中的流體流量分布研究[J].昆明理工大學學報：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. 并聯管組模型流動均勻性分析[J].天津科技大學學報，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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)基金資助項目 (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鍵技術。

TK124

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.002