1、第32卷第！職2011年2月Feb.2011核動(dòng)力T：程N(yùn)uclearPowerEngineering文章編號：0258-0926(2011)01-0070-05垂直并聯(lián)管低質(zhì)量流速自補(bǔ)償特性的研究朱曉靜，畢勤成，楊冬，王建國，陳聽寬，于水清（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院.西安.710G49）摘要：針對直徑為31.8mm、壁厚為6.0mm的六頭內(nèi)螺紋管，建立了垂直并聯(lián)管的物理模型，對垂宜并聯(lián)管的自補(bǔ)償特性進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究。理論計(jì)算表明：具有熱負(fù)荷偏差的井聯(lián)垂直管組有明顯的自補(bǔ)償特性；吸熱廚較小的垂直管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速隨吸熱度的增加先減小，后增大；當(dāng)管內(nèi)工所的質(zhì)鼠流速接近或超過平均質(zhì)僅

2、流速，系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性減弱直至消失。實(shí)驗(yàn)研究表明：并聯(lián)垂食管組的自補(bǔ)償特性隨管內(nèi)工質(zhì)干度的增加先增強(qiáng)，后減弱；當(dāng)工質(zhì)干度很高時(shí)，系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性可能消失并隨之出現(xiàn)負(fù)流量響應(yīng)特性；當(dāng)并聯(lián)管組內(nèi)工質(zhì)汽化程度較低時(shí)，不均勾加熱比的增大會(huì)增強(qiáng)并聯(lián)管的自'償特性；當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)汽化程度較高時(shí)，不均勻加熱比的增大會(huì)減弱并聯(lián)管的自補(bǔ)償特性。關(guān)鍵詞：自補(bǔ)償特性；六頭內(nèi)螺紋管；垂在管屏；低質(zhì)量流速中圖分類號：TK221文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A收福日期：2009-I0-I2：修回日期：2010-05-061前言垂直并聯(lián)管組廣泛存在于反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器、鍋爐水冷壁及一些中小型換熱設(shè)備中，由于其制造、安裝方便，支撐結(jié)構(gòu)簡單；

3、因而經(jīng)常被作為換熱設(shè)備常用的布置方式，并且其傳熱特性、阻力特性及水動(dòng)力不穩(wěn)定性等相關(guān)特性也得到了較為廣泛和深入的研究“。研究表明：垂直并聯(lián)管組在較低的質(zhì)量流速下，具有自補(bǔ)償特性價(jià)；當(dāng)并聯(lián)垂直管各管間受熱不均時(shí)，受熱強(qiáng)的管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速大，而受熱弱的管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速小。垂直并聯(lián)管組的這一特性，能夠在很大程度上緩解由于熱負(fù)荷偏差造成的受熱管間流星分配的不均勻性。國內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)大多是對自補(bǔ)償特性的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行描述和定性分析，本文以直徑為31.8mm、壁厚為6.0mm的六頭內(nèi)螺紋管為研究對象，建立垂直并聯(lián)管組的物理模型，對所建立的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行理論計(jì)算，詳細(xì)分析了垂直并聯(lián)管組自補(bǔ)償特性的成因，并在高壓

4、汽水兩相流試驗(yàn)臺上進(jìn)行了垂直并聯(lián)管組自補(bǔ)償特性的試驗(yàn)研究。2試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)回路系統(tǒng)如圖I所示。試驗(yàn)丁質(zhì)從水箱經(jīng)再生式換熱器圖1高壓氣-水兩相流試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1HighPressureSteam-WaterTwoPhaseFlowTestSystem濾網(wǎng)過濾后，進(jìn)入由高壓柱塞泵進(jìn)行升壓，然后分為兩路進(jìn)入系統(tǒng)，一路是試驗(yàn)主回路系統(tǒng)，另一路是為了調(diào)節(jié)主回路的流量和壓力而設(shè)計(jì)的旁路系統(tǒng)。高壓柱塞泵提供的最大壓力為42MPa,最大流量為4.5t/h。在試驗(yàn)主回路系統(tǒng)中，試驗(yàn)工質(zhì)經(jīng)流量:調(diào)節(jié)閥和孔板流量計(jì)調(diào)節(jié)流量后，進(jìn)入再生式換熱器吸收試鮑段出來的高溫工質(zhì)熱量后.流入預(yù)熱段，加熱到

5、試驗(yàn)段所需的進(jìn)口溫度之后，進(jìn)入試驗(yàn)段加熱至沸騰。試驗(yàn)段排出的汽水混合物經(jīng)換熱器和冷卻器冷卻后回到儲水箱。2.2試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段為雙管并聯(lián)形式；單根管結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)段主要分為3個(gè)部分，即垂直加熱段、垂直絕熱阻力段及水平絕熱阻力段，每一段的入口均有600mm的穩(wěn)定段以保證入口流體流型的充分發(fā)展。為了對氣-液兩相流體進(jìn)行有效的雙參數(shù)測量，試驗(yàn)段設(shè)計(jì)為垂直管與水平管組合的形式。垂直并聯(lián)管的試驗(yàn)段出口與入口均與集箱連接，由于集箱結(jié)構(gòu)對稱，忽略集箱對并聯(lián)管組流量分配的影響。Fig.2StructureofTestSection2.3試驗(yàn)方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?nèi)壁熱負(fù)荷等于擬定工況平均熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)管稱之

6、為補(bǔ)償管，另一根實(shí)驗(yàn)管稱之為偏差管。偏差管的內(nèi)壁熱負(fù)荷與補(bǔ)償管的內(nèi)壁熱負(fù)荷之比稱為不均勻加熱比。不均勻加熱比i數(shù)值越大，兩管間的熱負(fù)荷偏差越大。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將并聯(lián)管組中每根支管的熱負(fù)荷調(diào)整至實(shí)驗(yàn)工況，然后，逐漸增加預(yù)熱段電功率，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄相關(guān)參數(shù)的變化情況,直至出口工質(zhì)完全汽化。試驗(yàn)參數(shù)如下：系統(tǒng)壓力P為11.3、12.6、】5.4、22.6、28MPa；平均質(zhì)量流速Gav為300、400、500、600、700、800kg/(m2s);補(bǔ)償管內(nèi)壁平均熱負(fù)荷如為50、142、149、213kW/m2；不均勻加熱比i為1.25、1.3、1.5、2.0。3垂直并聯(lián)管自補(bǔ)償特性理論分析按照

7、試驗(yàn)系統(tǒng)的壓降計(jì)算劃分方法，將實(shí)驗(yàn)段劃分為4個(gè)計(jì)算區(qū)域(圖2),區(qū)域1為垂直加熱段，區(qū)域2為垂直絕熱段，區(qū)域3為彎頭，具有局部阻力損失，區(qū)域4為水平絕熱段。其中由于區(qū)域2、3、4為非加熱區(qū)，忽略其加速壓降。圖3給出了P為11.3Mpa、Gg為300kg/m2s.如為50kW/n?、i為1.5的補(bǔ)償管與偏差管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速隨試驗(yàn)段進(jìn)口和出口工質(zhì)干度的變化曲線°圖4給出了偏差管中摩擦壓降、重位壓降以及總壓降隨進(jìn)口和出口工質(zhì)干度變化的曲線。偏差管汁算曲線補(bǔ)償管計(jì)算曲線360340320300280入口工質(zhì)干度a壓降隨人口工質(zhì)干度變化曲線偏差管計(jì)算曲線補(bǔ)償曾計(jì)算曲線/,-1.0-0.6-0.

8、20.20.6出口工質(zhì)干度b壓降隨出口工.質(zhì)干度變化曲線圖3垂直并聯(lián)管自補(bǔ)償特性計(jì)算曲線Fig.3CalculationResultofSelf-CompensatingCharacteristicofVerticalParallelTubes由圖3a可見，由于補(bǔ)償管與偏差管之間存在熱負(fù)荷偏差，所以工質(zhì)流量的分配在兩管間是不均勻的。以圖中補(bǔ)償管的計(jì)算曲線為例：在此工況下，其質(zhì)量流速曲線隨干度的變化是多值性的,先減小，在入口工質(zhì)干度為-0.1附近達(dá)到最小值,之后，隨著入口工質(zhì)干度的進(jìn)一步增大，補(bǔ)償管內(nèi)的質(zhì)量流速開始迅速增大，在入口工質(zhì)干度大于0.2之后,增大的趨勢開始變緩，并逐漸接近平均質(zhì)量流速

9、。在加熱初期，由于兩管間存在的熱負(fù)荷偏差,使得偏差管內(nèi)工質(zhì)的平均干度要大于補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的干度；此時(shí)管內(nèi)重位壓降減小的幅度大于摩入口工質(zhì)干度入口工質(zhì)干度sdva壓降隨入口工質(zhì)干度變化曲線b壓降隨出口工質(zhì)干度變化曲線圖4偏差管壓降隨干度的變化Fig.4VariationofPressureDropwithQualityinDeviationTube擦壓降增加的幅度（圖4a和4b）。因此，偏差管內(nèi)阻力減小的幅度大于補(bǔ)償管內(nèi)阻力減小的幅度。故在加熱初期.并聯(lián)管的自補(bǔ)償特性逐漸增強(qiáng)。也就是圖3a中當(dāng)入口工質(zhì)干度小于-0.2時(shí)，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)最流速隨入口工質(zhì)干度的增大而減小的緣故。隨著并聯(lián)管入口工質(zhì)干度

10、的進(jìn)一步增大至-0.2。從圖3b中可以明顯看出，此時(shí)偏差管出口干度約為-0.047,補(bǔ)償管出口工質(zhì)干度約為-0.078,即工質(zhì)在偏差管的出口工質(zhì)干度大于補(bǔ)償管。隨著偏差管出口工質(zhì)干度進(jìn)一步增大,偏差管內(nèi)出口工質(zhì)先于補(bǔ)償管而開始汽化，故摩擦壓降先于補(bǔ)償管而迅速增大，而其重位壓降先于補(bǔ)償管而迅速減小。二者綜合作用的結(jié)果，使得偏差管內(nèi)總壓降減小的趨勢先加劇后變緩。此時(shí)偏差管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)雖流速迅速增大，而后開始減小；由于兩管間的耦合作用，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速則先迅速減小后增大。當(dāng)并聯(lián)管入口干度大于0.2后，無論是偏差管還是補(bǔ)償管，管內(nèi)工質(zhì)汽化程度都已經(jīng)較高，其總壓降減小的趨勢較為平緩，近最小值。此時(shí)并

11、聯(lián)雙管的自補(bǔ)償特性已經(jīng)較.兩管中的工質(zhì)質(zhì)量:流速接近平均質(zhì)量流速。若進(jìn)一步增大入口工質(zhì)干度，則并聯(lián)雙管的自補(bǔ)償特性消失，垂直管屏傳熱情況趨于惡化。4試驗(yàn)結(jié)果及分析由上一節(jié)理論計(jì)算可知，當(dāng)垂直并聯(lián)管發(fā)生自補(bǔ)償特性時(shí)，吸熱量:小的管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)最流速是減小的，直到管內(nèi)工質(zhì)汽化程度很高時(shí)，自補(bǔ)償特性將會(huì)逐步消失。圖5和圖6給出了試驗(yàn)所得到的不同工況下垂直并聯(lián)管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)最流速的G"=500kgm's“G“=430kgm's"325''1'100.20.40.60.81.0出口工質(zhì)干度圖5平均質(zhì)最流速對自補(bǔ)償特性的影響Fig.5EffectofA

12、verageMassVelocityonSelf-CompensatingCharacteristics注：尸為15.4MPa,為149kW/m。，為1.342011'11100.20.40.60.81.0出口工質(zhì)干度圖6不均勻加熱比對自補(bǔ)償特性的影響Fig.6EffectofUnevenHeatingRatioonSeCompensatingCharacteristics變化情況。由于試驗(yàn)段出口截面含氣率為試驗(yàn)中直接測量，而工程中常用的參數(shù)為工質(zhì)干度，本文采用Armand計(jì)算法將截面含氣率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的體積含氣率。當(dāng)體積流量含氣率W0.9時(shí)，截面含氣率a=C",CA=0.83

13、3+0.051nP；當(dāng)夕0.9時(shí)，q=Ca+（1CaHM。再利用式（1）把體積流量含氣率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的干度："+E會(huì)從圖5和圖6中可以看出，試驗(yàn)所得質(zhì)母流速結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果在曲線形式上非常接近。熱負(fù)荷較小的補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速先減小，再增大；當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)的汽化程度很高時(shí)，補(bǔ)償管的工質(zhì)質(zhì)檢流速接近或者超過平均質(zhì)量流速，此時(shí)，系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性很弱，若干度進(jìn)一步增大,則自補(bǔ)償特性可能消失。4.1工質(zhì)干度的影響垂直并聯(lián)管組管內(nèi)工質(zhì)干度對系統(tǒng)自補(bǔ)償特性的影響非常顯著。在不同的干度范圍內(nèi)，管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)雖流速的變化趨勢都不相同。如圖5所示，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速隨著工質(zhì)干度的增加先減小；在達(dá)到最小值

14、后開始增大，并不斷接近系統(tǒng)平均質(zhì)雖流速。補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)信流速的減小，意味著在工質(zhì)汽化初期，并聯(lián)管組管間流量偏差是增大的。對于鍋爐水冷壁來說，這是一種較為理想的運(yùn)行狀態(tài)。由管間熱負(fù)荷偏差引起的流量偏差(正流量響應(yīng))能夠很好地抑制管間的壁溫差異，從而減小熱應(yīng)力對水冷壁管的破壞作用。從圖5可見，當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)干度較高時(shí)，由于工質(zhì)汽化程度很高，重位壓降在總壓降中的比例很小；因而并聯(lián)管組中各支管中阻力較為接近；補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速逐漸接近平均質(zhì)址流速；由于并聯(lián)管之間的耦合作用，此時(shí)，熱負(fù)荷較高的偏差管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速亦逐漸減小至接近于平均質(zhì)量流速。盡管此時(shí)垂直并聯(lián)管組仍具有自補(bǔ)償特性，但是由于工質(zhì)干度較高

15、，其對管壁冷卻能力較差，可能會(huì)造成偏離飽和沸騰(DNB)的發(fā)生，從而使系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀況。本文主要采取的試驗(yàn)方法，是在給定管壁熱負(fù)荷的條件下，改變工質(zhì)的入口干度，以此來實(shí)現(xiàn)對鍋爐水冷壁的分段模擬。通過上面的分析可知，在不同的干度范圍內(nèi)，研究對象的自補(bǔ)償特性的強(qiáng)弱程度不同。換言之，在鍋爐水冷壁高度方向不同的區(qū)域，垂直并聯(lián)管組的自補(bǔ)償特性是不同的。在低干度區(qū)域，即鍋爐水冷壁下部，并聯(lián)管組自補(bǔ)償特性較強(qiáng)，由熱負(fù)荷偏差引起的流用:偏差較大，因而可以更為有效地抑制管間的壁溫偏差；在高干度區(qū)域，即鍋爐水冷壁上部，并聯(lián)管組的自補(bǔ)償特性較弱，甚至可能存在負(fù)流量響應(yīng)特性。4.2不均勻加熱比的影響熱負(fù)荷偏差是造成垂

16、直并聯(lián)管內(nèi)各單管工質(zhì)流量偏差的重要因素。由于垂直并聯(lián)管組具有較強(qiáng)的熱敏感性，因此一旦存在較大的熱負(fù)荷偏差，流暈偏差就會(huì)造成管屏之間出現(xiàn)較大的溫度差異，從而產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力。長期存在的交變熱應(yīng)力會(huì)造成垂直受熱管熱疲勞，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋直至爆管。因此，熱負(fù)荷偏差對垂直受熱管屏的影響對于換熱設(shè)備的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。圖6給出了P為12.6Mpa、Gav為500kg/m2s>q”為142kW/m2時(shí)，不同的不均勻加熱比對補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速的影響。從圖6可見，六頭內(nèi)螺紋管在不同壓力、不同的質(zhì)雖流速下，不均勻加熱比對其補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速隨工質(zhì)干度變化的影響規(guī)律是基本相同的。當(dāng)系統(tǒng)壓力為12.6MP

17、a,工質(zhì)干度小于0.6時(shí)，補(bǔ)償管質(zhì)量流速隨著內(nèi)壁熱負(fù)荷偏差的增大而減小。當(dāng)干度大于0.6后，補(bǔ)償管質(zhì)員流速隨著內(nèi)壁熱負(fù)荷偏差的增大而增大。當(dāng)工質(zhì)干度較高時(shí)(大于0.9),管內(nèi)工質(zhì)汽化程度很高，不均勻加熱比對補(bǔ)償管內(nèi)的質(zhì)量流速變化影響很小。在不均勻加熱比不同時(shí)，同一干度下，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流速較為接近。在不均勾加熱比為1.3至2.0范圍內(nèi)，隨著熱負(fù)荷偏差的增大，補(bǔ)償管內(nèi)質(zhì)量流速的最小值減小。以上分析可以看出，六頭內(nèi)螺紋管管內(nèi)工質(zhì)汽化程度較低時(shí)，熱負(fù)荷偏差的增大會(huì)增強(qiáng)并聯(lián)管的自補(bǔ)償特性；當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)汽化程度較高時(shí)，熱負(fù)荷偏差的增大會(huì)減弱并聯(lián)管系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性。5結(jié)論對垂直六頭內(nèi)螺紋管并聯(lián)管組在低質(zhì)量

18、流速下的自補(bǔ)償特性進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，研究所得結(jié)論如下：(1) 并聯(lián)垂直管屏在低質(zhì)量流速下具有自補(bǔ)償特性。在所建立的物理模型中，吸熱歧較小的支管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速隨著吸熱晨的增加先減小后增大。當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)汽化程度較高時(shí)，系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性減弱直至消失，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)雖流速接近或超過平均質(zhì)量流速。(2) 垂直并聯(lián)管屏的自補(bǔ)償特性是由于管內(nèi)工質(zhì)的摩擦壓降和重位壓降的綜合作用造成的。偏差管內(nèi)總壓降減小的趨勢先加劇后變緩，導(dǎo)致偏差管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)稍流速迅速增大后減小。由于兩管間的耦合作用，補(bǔ)償管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流速則先迅速減小后增大。(3)工質(zhì)干度和并聯(lián)管間的不均勻加熱比等系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性有顯著的

19、影響。并聯(lián)垂直管組的自補(bǔ)償特性隨著管內(nèi)I：質(zhì)干度的增加先增強(qiáng)，后減弱。當(dāng)工質(zhì)干度很高時(shí)，系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性有可能消失并隨之出現(xiàn)負(fù)流鼠響應(yīng)特性。不均勻加熱比對系統(tǒng)自補(bǔ)償特性的影響比較復(fù)雜。當(dāng)并聯(lián)管組內(nèi)丁質(zhì)汽化程度較低時(shí)，熱負(fù)荷偏差的增大會(huì)增強(qiáng)并聯(lián)管的自補(bǔ)償特性；當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)汽化程度較高時(shí)，熱負(fù)荷偏差的增大會(huì)減弱并聯(lián)管系統(tǒng)的自補(bǔ)償特性。參考文獻(xiàn)：1李會(huì)雄，汪斌，陳聽寬.垂育并聯(lián)多通道內(nèi)高溫高壓汽水兩相流密度波型不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究J.動(dòng)力工程，2005,25(1)：55-59.2李永星，尹飛，陳聽寬，等.內(nèi)螺紋管中汽-液兩相流摩擦壓降特性研究U1.核動(dòng)力工程，2005,26(3)：228-232.3畢勤

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22、CHENTing-kuan,YUShui-qing(SchoolofEnergyandPowerEngineering.Xi'anJiaotongUniversity,Xi*an,710049,China)Abstract:Thephysicalmodelhasbeenbuiltupbyusingparallelsixheadinternallyribbedpipesof031.8mmx6.0mmtodothecalculationfbrtheverticalparalleltubeswithself-compensatingcharacteristics.Accordingtothe

23、theoreticalcalculationresult,theverticalparalleltubeswithheatfluxdifferencebetweenpipeshaveobviousself-compensatingcharacteristics.Meanwhile,themassvelocityofwaterinthepipewithlowerheatfluxgoesdownfirstandthengoesupwiththeincreasingofheatabsorption.Whenthesteamqualityreacheshighlevel,themassvelocityinlowerheatfluxtubemeetsorexceedstheaveragevalueandtheself-compensatingcharacteristicsofthesystemdisappears.Theexperimentalresearchhasbeencaniedoutbasedonthecalculationresult.Theexperimentalresultssh