集箱系統氣液兩相流分配特性的實驗研究

摘要：在空氣-水實驗臺上，針對集箱中存在的氣相和液相分配不均勻問題，進行了進一步深入的研究，并在設計的四種內套筒結構的試驗段上進行了分配特性的比對。由實驗結果得知，試驗段的氣相和液相分配均勻性有了比較大的改善，而且隨著入口條件的變化，分配依然良好。

關鍵詞：多并聯分支管集箱 內套筒 徑向引入 分配特性

0 引言

現代工業中，徑向引入多分并聯支管水平分配集箱系統已經普遍應用在鍋爐受熱面及其它換熱器和凝結器等設備中。聯箱的幾何結構、進口質量流速對分支管集箱系統的流量分配有著密不可分的關系。本文研究的是聯箱總體結構不變時，通過改變內部套筒的幾何結構來提高聯箱各分支管的分配特性，并通過實驗得到定量的數據及分析結果。

1 實驗系統及實驗參數

1.1 實驗系統

實驗系統如圖1所示。本實驗的實驗工質為空氣和水。數據測量系統、水路系統和氣路系統組成本實驗的試驗系統。

1.2 實驗段幾何結構

在先前對笛形管實驗的基礎上[1]，設計了四個幾何結構不同的試驗段進行實驗。分別將試驗段編號為5#，6#，7#，8#。5#是將3個小孔（每個5mm）開在內套筒徑向和四根分支管對應的正下方，3個小孔成45°排列；6#將2個槽（每個2.4mm）開在內套筒上，其位置是在中間兩根分支管的正下方延伸到端面，如圖2（1）；7#在內套筒上開孔（9mm），一共四個，位置是分支管正下方向中心偏移15mm處；8#將孔開在4根分支管正下方以及左右兩根分支管的中心，同時內套筒上也有1個7.4mm的開孔，一共6個，如圖2（2）。沒有任何部件加裝在1#聯箱里，其結構是傳統聯箱；2#是將一個笛形管加在聯箱內部，笛型孔的直徑為9mm，3#試驗段是在2#試驗段基礎上將笛型孔直徑改為6mm，4#試驗段是在2#試驗段基礎上將笛型孔兩側移動15mm。

1.3 實驗參數

本次實驗參數范圍如下：

氣相入口流量：0～15m3/h；

液相入口質量流速：0～0.5m3/h；

工作溫度：15-30℃（常溫）

工作壓力范圍：0.11-0.15 MPa

1.4 處理方法

并聯分支管中氣相和水相的流比定義[2][3]如下所示，該定義為了更準確的分析氣相和水相流量的偏差程度。

wk，j—并聯分支管內氣相和水相的質量流量

N—分支管的數目

βk，j—并聯分支管內氣相和水相的質量流量與全部分支管平均質量流量的比值

上式反映了并聯分支管偏離均相分配的程度

2 實驗結果的分析

2.1 比較實驗段整體分配情況

不同工況下分別對1#～8#進行實驗，其氣相流比和液相流比分布圖如圖3所示。從圖3可以看出，偏離（1，1）坐標點的是1#，這表明分配效果最差的是1#。而在坐標點（1，1）附近均勻分布的為3#，4#，7#，8#，以坐標點（1，1）為圓心，半徑為0.2的圓內，分配尤其均勻的是7#，8#。

圖3 實驗段整體分配特性

2.2 固定入口氣相質量流速時分支管分配特性的比較

當6.78kg/（m2·s） 作為聯箱的入口氣體質量流速時，將水相的質量流速逐漸提高，分布在0.9～1.1之間的是7#的氣相流比，而在0.85～1.3之間的是7#的水相分布；當10.2kg/（m2·s）作為箱體入口氣體的質量流速時，同樣將水相的質量流速慢慢提高，得知在0.85～1.1之間分布的是7#氣相流比，0.85～1.1之間分布的是7#水相流比；總體來說，流比的分布相對集中在1上下，說明水相的增加對7#試驗段各分支管分配均勻性影響不大，分配更穩定。

把5.43kg/（m2·s）作為聯箱入口氣體的質量流速時，并將水相的質量流速逐步提高，在0.9～1.1之間的是7#的氣相流比，0.85～1.2之間分布的是7#的水相流比；把6.78kg/（m2·s）作為箱體入口氣體的質量流速時，同時將水相的質量流速逐步提高，發現0.85～1.15之間分布的是7#的氣相流比，在0.85～1.2之間分布的是7#的水相流比；總體來說，流比的分布相對集中在0.85～1.2這個區間，分配比較均勻穩定，說明水相的增加對8#試驗段各分支管分配均勻性影響不大。

2.3 固定入口水相質量流速時分支管分配特性的比較

當56.7kg/（m2·s）作為聯箱入口氣體的質量流速時，將氣相的質量流速逐步提高，發現分布在0.85～1.2之間的是7#的氣相流比，0.85～1.15之間的是7#水相分布；當85kg/（m2·s）作為聯箱入口氣體的質量流速時，將水相的質量流速逐漸提高，得知分布在0.9～1.1之間的是7#氣相流比，0.85～1.25之間分布的是水相流比；總體來說，流比的分布相對集中在0.8～1.25這個區間，分配比較均勻穩定，說明水相的增加對7#試驗段各分支管分配均勻性影響不大。

當56.7kg/（m2·s）作為聯箱入口氣體的質量流速時，將氣相的質量流速逐漸提高，分布在0.85～1.2之間的是8#的氣相流比，分布在0.8～1.2之間的是8#的水相流比；當113kg/（m2·s）為聯箱入口氣體的質量流速時，將水相的質量流速逐漸提高，發現分布在0.9～1.1之間的是8#的氣相流比，分布在0.8～1.2之間的為8#的水相流比；總體來說，流比的分布相對集中在0.8～1.2這個區間，分配比較均勻穩定，說明水相的增加對8#試驗段各分支管分配均勻性影響不大。

3 結語

由此實驗可得知，套筒加裝在聯箱內部可以使箱體內氣相和液相的分配變得均勻，分配效果得到提高。加裝的內套筒幾何結構不同時，其分配效果也不一樣。不過分配效果相較于傳統聯箱都有了很大的改善；分配最為理想的是7#、8#試驗段。

參考文獻：

[1]許哲.內套筒聯箱內氣液兩相流實驗和T型三通相分離研究[J].北京：華北電力大學.

[2]徐寶全，王研，章燕謀，林宗虎.水平U型和Z型集箱系統的流量流分配特性實驗研究[J].動力工程，Vol.17 No.4 Aug.1997.

[3]龐力平.氣液兩相流聯箱中流量分配的理論和實驗研究.