多并联分支管联箱气液两相流流量分配的研究

朱 波，庞力平，吕玉贤

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206)

0 引 言

在锅炉、蒸发器、冷凝器等换热器中都会设置很多并联管路，由于两相流流过三通时通常会发生气液相分离的现象，所以当气液两相流流经这些管路时会发生气液两相分配不均，有些支管气多一些，有的支管水多一些，这样会造成分支管路受热不均，严重的话或造成超温爆管。所以对联箱中的两相流动特性及分配特性的研究，改善和促进并联管组中两相流量的分配均匀性，对保证锅炉设备工作可靠性以及运行的经济性有着重要意义。

影响气液两相流体在联箱内分配特性的因素很多，其中，气液两相流体的入口干度和联箱的几何结构在很大程度上影响着气液两相流在联箱并联分支管的分配特性。

国内外针对对多并联分支管联箱两相流分配特性研究很多，针对两相流体分配不均的特点，从联箱的几何结构上尝试了很多改善两相流流分配均匀性的方法。Kim 和Sin［1］通过改变分支管在联箱内的插入深度来调节两相流体的流动，发现插入深度越深，液相流体涌向下游的分支管。文献［2］通过在联箱入口处加喷口的方法来调节联箱的分配特性，发现通过改变喷口尺寸可以有效地改善两相分配不均的问题，但并不适用于所有工况。文献［3］研究了在联箱入口加装加速管的水平U 型Z 型联箱系统的两相分配特性，用实验方法证明了加速管能明显改善两相分配的均匀性。文献［4］研究了径向引入多并联分支管联箱内加入笛形管以后的分配特性，通过将两相流体在环形空腔内二次混合来促进流体的均匀分配，取得了不错的效果。

本文通过实验的方法确定了传统联箱内出现的严重的相分离现象，并得出了入口干度和两相流比系数之间的定性关系。比较了加装笛形管均流器［5］以后气液两相流量分配特性的变化，并与原联箱分配特性进行比较，证明了笛形管均流器改善两相分配的效果，并得出水平并联联箱在加装笛形管以后的分配结果。

1 实验系统

1.1 实验装置

实验台是为研究分配多并联分支管联箱内气液两相流流量分配特性而搭建的，实验台系统图如图1 所示，实验台主要分为四部分，第一部分是供水系统和供气系统，第二部分是可视段 (实验段)，第三部分是测量段，气相和液相经过分离罐分离以后进入各自的测量段，分别进行流量测量，第四部分是数据采集部分，通过数据采集仪进行数据采集。

1.2 实验段设计

实验段为径向引入双入口分配联箱，为了便于进行可视化研究，实验段由有机玻璃材质做成。经过计算，分支管尺寸为15 ×7 mm，内径为9 mm，入口尺寸为35 mm，内径25 mm，联箱内径45 mm，布置方式如图2，图3 所示，图2 为未加装笛形管均流器的实验段，图3 为加装笛形管均流器的实验段。

图1 实验台系统图Fig.1 Experimental apparatus

1.3 测量方法

整个测量过程是在恒温的条件下进行的，入口空气温度基本保持在15 ±2℃ (冬季)。

供水供气段:空气首先由空气压缩机 (3)压缩以后流向稳压罐 (4)，稳压罐除了为实验台提供稳定的压强以外，还可以将空气中的水分分离出来，用以保护空气入口处的空气玻璃转子流量计 (7)。水路大概流程是，经由恒温水箱(1)出来的水由给水泵提供动能，经过液体转子流量计 (8)调节流量以后同空气一同流向混合器 (9)，然后进入可视段 (10)。

图2 未加装笛形管联箱Fig.2 Header without flute distributor

图3 加装笛形管联箱Fig.3 Header adding flute distributor

测量段:测量分支管与小罐 (11)相连，其它分支管与大罐 (12)相连。两个测量罐之间装有U 形管压差计 (13)，通过调节出口阀门(15)将两测量管的压差调为零。由于大罐体积较小罐大很多，故可认为背压在测量过程中是恒定的。

1.4 实验参数范围

为了达到不同的干度范围，本实验设计了25个不同的工况，实验参数范围如下所示:干度范围 (入口):0.075 4 ～0.279 9质量流速范围 (入口):

气相11.928 kg/m2s ～21.994 kg/m2s;液相45.25 kg/m2s ～152.95 kg/m2s;温 度:15℃ ～17℃ (环 境 温 度);入 口 压 力:0.11 MPa ～0.19 MPa。

由表1可知，卤汁1、卤汁2总酸与过氧化值、总酸与亚硝酸盐、过氧化值与亚硝酸盐基本不相关（r＜0.30）。

2 实验结果分析

2.1 实验数据处理方法

为了将得到的实验结果进行统计分析，体现分配联箱各分支管两相的分配特性，本文在数据处理当中引入了两个重要的参数用来分析各分支管流量的偏差程度和各分支管分配均匀性程度的变化。

2.1.1 流比系数β

式中:βk，i为第i 根分支管气相或液相的流比系数;wk，i为第i 根分支管气相或液相的质量流量;N 为实验段分支管总数。流比系数βk，i反映了各分支管气相或液相质量流量与平均流量的偏离程度，βk，i大于1 表明第i 根支管流量偏大，βk，i小于1 表明第i 根分支管流量偏小。

2.1.2 标准流比偏差系数STD

式中:STDk为气相或液相的标准流比偏差系数;N为实验段分支管总数，标准流比偏差系数STDk反映了不同工况下气相或液相分配的均匀性程度。STDk越接近于0，表明分配均匀性越好，STDk越大，表明分配均匀性越差。

2.2 误差分析

2.2.1 误差来源

2.2.2 误差结果

为了对实验误差进行量度，在此引入总质量平衡误差，关系式如式所示，

总质量平衡误差是针对每个工况定义的实验误差，是衡量实验精确度和可信度的重要指标，总质量平衡误差产生的原因除了上述提出的读数误差和测量仪表产生的误差以外，更主要的是评定由于在单独测量不同分支管时入口条件变化引起的误差。

本实验误差结果如图4 所示，气相流体总质量平衡误差76% 集中在±0.04 之间，液相流体总质量平衡误差76%集中在-0.08 和0.04 之间，保证了实验的可靠性。

3 实验结果分析

3.1 分支管位置的影响

在不加装笛形管均流器的实验结果中可以看到，如图5 图6 所示，发生了明显的气液两相分配不均的情况，第1，4，7 号分支管气相流量小，2，3，4，5 号分支管气相流量大，相反地，1，4，7 号分支管液相流量大，2，3，4，5 号分支管液相流量大。即，气相倾向于流入两个入口附近的分支管，液相倾向于流入远端的分支管。

3.2 干度的影响

图4 气液两相总质量平衡误差Fig.4 Gas and liquid's total mass balance error

随着入口干度的增加，如图5 所示，气相流量分配流比系数向1 靠近，但各分支管变化程度不同，其中，4 号分支管变化尤为明显，当干度x =0.075 4 ～0.124 2 时，0.6 ＜βg，4＜0.8，当x=0.214 77 ～0.279 9 时，βg，4≈1 ;由于3 号和5号分支管的流比系数几乎没有变化，1，2，6，7号分支管也都趋近于1，所以两侧描述流比系数的图线趋近于直线。

再看液相流量分配情况，和气相流比系数的规律相同，如图6 所示，各分支管的液相流比系数随着干度的增大也都趋近于1，当干度x =0.075 4 ～0.124 2 时，1.5 ＜βl，4＜1.8，当x =0.214 77 ～0.279 9 时，βl，4≈1.2;随 着 干 度 增加，两侧描述流比系数的图线也趋近于直线。

将气液两相流STD 值进行曲线拟合，如图7所示，发现未加装笛形管均流器的联箱气相STD值随入口干度增加而减小，分配趋于均匀。液相STD 值随入口干度增加而增大，分配趋于恶化。加装笛形管均流器的联箱STD 值无明显变化，且处于较低水平。

3.3 联箱几何结构对两相分配的影响

加入笛形管均流分配器以后，气液两相的分配不均的现象都得到了明显的改善，由于加入笛形管以后两相流动相当复杂，所以规律性很差，如图8，图9 所示，气相流比分配系数都集中在0.8 ＜βg＜1.2 范围内，但4 号分支管的气相流比系数大于1，与不加地形管均流器的联箱有相反地特性。液相流比偏差系数除了个别超过了1.2 以外，大部分也都集中在 (0.8，1.2)范围内。

图6 未加装笛形管均流器联箱液相流比Fig.6 Liquid flow ratio of header without flute distributor

图7 气液两相标准流比偏差系数拟合曲线Fig.7 Fitting curve of gas and liquid’s STD

图8 加装笛形管联箱气相流比Fig.8 Gas flow ratio of header adding flute distributor

图9 加装笛形管联箱液相流比Fig.9 Liquid flow ratio of header adding flute distributor

4 结 论

(1)传统的径向引入多并联分支管联箱会发生严重的气液两相分配不均的现象，气相流体分配呈M 型分布，即气相流体多集中在入口附近的4 根分支管内，液相流体分配呈W 型分布，即液相流体多集中在两端的分支管和中间管等3 根分支管内。随着入口干度的增加，两相流体分布都趋于均匀，气液两相的流比系数图向直线趋近，两相流体分布都趋于均匀，相反，干度越小，两相分配均匀性会恶化。

(2)笛形管均流器可以明显改善传统联箱气液两相分配不均的情况，且分配特性比较稳定，受入口干度影响不大。笛形管均流器加剧了气液两相流体在联箱内的扰动，当流体从小孔流出以后在笛形管与联箱内壁之间形成的环形空腔内进行了二次混合，且由于混合过程较原联箱结构中流体流动速度更快，湍流程度更强，所以两相混合的更加均匀，分配的也更加均匀。

［1］Nae -Hyun Kim，Tae-Ryong Sin.Two-phase flow distribution of air – water annular flow in a parallel flow heat exchanger ［J］.International Journal of Multiphase Flow，2006，32:1340 -1353.

［2］Marchitto A.Experiments on two-phase flow distribution inside parallel channels of compact heat exchangers［J］.International Journal of Multiphase Flow，2008，34:128 -144.

［3］王妍梵，徐宝全，章燕谋，等.水平U 型和Z 型集箱系统的两相流流量分配特性实验研究［J］.中国锅炉压力容器安全，1996，13 (3):9 -15

［4］庞力平.气液两相流联箱中流量分配的理论和实验研究［D］.北京:华北电力大学，2010.

［5］朱众勇.分配联箱气液两相流特性及可视化研究［D］.北京:华北电力大学，2010.