垂直并联管低质量流速自补偿特性的研究.docx

1、第32卷第！职2011年2月Feb.2011核动力T：程NuclearPowerEngineering文章编号：0258-0926(2011)01-0070-05垂直并联管低质量流速自补偿特性的研究朱晓静，毕勤成，杨冬，王建国，陈听宽，于水清（西安交通大学能源与动力工程学院.西安.710G49）摘要：针对直径为31.8mm、壁厚为6.0mm的六头内螺纹管，建立了垂直并联管的物理模型，对垂宜并联管的自补偿特性进行了理论计算与实验研究。理论计算表明：具有热负荷偏差的井联垂直管组有明显的自补偿特性；吸热厨较小的垂直管内工质的质量流速随吸热度的增加先减小，后增大；当管内工所的质鼠流速接近或超过平均质仅

2、流速，系统的自补偿特性减弱直至消失。实验研究表明：并联垂食管组的自补偿特性随管内工质干度的增加先增强，后减弱；当工质干度很高时，系统的自补偿特性可能消失并随之出现负流量响应特性；当并联管组内工质汽化程度较低时，不均勾加热比的增大会增强并联管的自'偿特性；当管内工质汽化程度较高时，不均匀加热比的增大会减弱并联管的自补偿特性。关键词：自补偿特性；六头内螺纹管；垂在管屏；低质量流速中图分类号：TK221文献标识码：A收福日期：2009-I0-I2：修回日期：2010-05-061前言垂直并联管组广泛存在于反应堆蒸汽发生器、锅炉水冷壁及一些中小型换热设备中，由于其制造、安装方便，支撑结构简单；

3、因而经常被作为换热设备常用的布置方式，并且其传热特性、阻力特性及水动力不稳定性等相关特性也得到了较为广泛和深入的研究“。研究表明：垂直并联管组在较低的质量流速下，具有自补偿特性价；当并联垂直管各管间受热不均时，受热强的管内工质质量流速大，而受热弱的管内工质的质量流速小。垂直并联管组的这一特性，能够在很大程度上缓解由于热负荷偏差造成的受热管间流星分配的不均匀性。国内外现有文献大多是对自补偿特性的实际应用进行描述和定性分析，本文以直径为31.8mm、壁厚为6.0mm的六头内螺纹管为研究对象，建立垂直并联管组的物理模型，对所建立的试验模型进行理论计算，详细分析了垂直并联管组自补偿特性的成因，并在高压

4、汽水两相流试验台上进行了垂直并联管组自补偿特性的试验研究。2试验系统及试验方法2.1试验系统试验回路系统如图I所示。试验丁质从水箱经再生式换热器图1高压气-水两相流试验系统Fig.1HighPressureSteam-WaterTwoPhaseFlowTestSystem滤网过滤后，进入由高压柱塞泵进行升压，然后分为两路进入系统，一路是试验主回路系统，另一路是为了调节主回路的流量和压力而设计的旁路系统。高压柱塞泵提供的最大压力为42MPa,最大流量为4.5t/h。在试验主回路系统中，试验工质经流量:调节阀和孔板流量计调节流量后，进入再生式换热器吸收试鲍段出来的高温工质热量后.流入预热段，加热到

5、试验段所需的进口温度之后，进入试验段加热至沸腾。试验段排出的汽水混合物经换热器和冷却器冷却后回到储水箱。2.2试验段结构试验段为双管并联形式；单根管结构如图2所示。试验段主要分为3个部分，即垂直加热段、垂直绝热阻力段及水平绝热阻力段，每一段的入口均有600mm的稳定段以保证入口流体流型的充分发展。为了对气-液两相流体进行有效的双参数测量，试验段设计为垂直管与水平管组合的形式。垂直并联管的试验段出口与入口均与集箱连接，由于集箱结构对称，忽略集箱对并联管组流量分配的影响。Fig.2StructureofTestSection2.3试验方法根据实验模型，将内壁热负荷等于拟定工况平均热负荷的实验管称之

6、为补偿管，另一根实验管称之为偏差管。偏差管的内壁热负荷与补偿管的内壁热负荷之比称为不均匀加热比。不均匀加热比i数值越大，两管间的热负荷偏差越大。实验时，首先将并联管组中每根支管的热负荷调整至实验工况，然后，逐渐增加预热段电功率，利用数据采集系统记录相关参数的变化情况,直至出口工质完全汽化。试验参数如下：系统压力P为11.3、12.6、】5.4、22.6、28MPa；平均质量流速Gav为300、400、500、600、700、800kg/(m2s);补偿管内壁平均热负荷如为50、142、149、213kW/m2；不均匀加热比i为1.25、1.3、1.5、2.0。3垂直并联管自补偿特性理论分析按照

7、试验系统的压降计算划分方法，将实验段划分为4个计算区域(图2),区域1为垂直加热段，区域2为垂直绝热段，区域3为弯头，具有局部阻力损失，区域4为水平绝热段。其中由于区域2、3、4为非加热区，忽略其加速压降。图3给出了P为11.3Mpa、Gg为300kg/m2s.如为50kW/n?、i为1.5的补偿管与偏差管内工质质量流速随试验段进口和出口工质干度的变化曲线°图4给出了偏差管中摩擦压降、重位压降以及总压降随进口和出口工质干度变化的曲线。偏差管汁算曲线补偿管计算曲线360340320300280入口工质干度a压降随人口工质干度变化曲线偏差管计算曲线补偿曾计算曲线/,-1.0-0.6-0.

8、20.20.6出口工质干度b压降随出口工.质干度变化曲线图3垂直并联管自补偿特性计算曲线Fig.3CalculationResultofSelf-CompensatingCharacteristicofVerticalParallelTubes由图3a可见，由于补偿管与偏差管之间存在热负荷偏差，所以工质流量的分配在两管间是不均匀的。以图中补偿管的计算曲线为例：在此工况下，其质量流速曲线随干度的变化是多值性的,先减小，在入口工质干度为-0.1附近达到最小值,之后，随着入口工质干度的进一步增大，补偿管内的质量流速开始迅速增大，在入口工质干度大于0.2之后,增大的趋势开始变缓，并逐渐接近平均质量流速

9、。在加热初期，由于两管间存在的热负荷偏差,使得偏差管内工质的平均干度要大于补偿管内工质的干度；此时管内重位压降减小的幅度大于摩入口工质干度入口工质干度sdva压降随入口工质干度变化曲线b压降随出口工质干度变化曲线图4偏差管压降随干度的变化Fig.4VariationofPressureDropwithQualityinDeviationTube擦压降增加的幅度（图4a和4b）。因此，偏差管内阻力减小的幅度大于补偿管内阻力减小的幅度。故在加热初期.并联管的自补偿特性逐渐增强。也就是图3a中当入口工质干度小于-0.2时，补偿管内工质的质最流速随入口工质干度的增大而减小的缘故。随着并联管入口工质干度

10、的进一步增大至-0.2。从图3b中可以明显看出，此时偏差管出口干度约为-0.047,补偿管出口工质干度约为-0.078,即工质在偏差管的出口工质干度大于补偿管。随着偏差管出口工质干度进一步增大,偏差管内出口工质先于补偿管而开始汽化，故摩擦压降先于补偿管而迅速增大，而其重位压降先于补偿管而迅速减小。二者综合作用的结果，使得偏差管内总压降减小的趋势先加剧后变缓。此时偏差管内工质的质虽流速迅速增大，而后开始减小；由于两管间的耦合作用，补偿管内工质的质量流速则先迅速减小后增大。当并联管入口干度大于0.2后，无论是偏差管还是补偿管，管内工质汽化程度都已经较高，其总压降减小的趋势较为平缓，近最小值。此时并

11、联双管的自补偿特性已经较.两管中的工质质量:流速接近平均质量流速。若进一步增大入口工质干度，则并联双管的自补偿特性消失，垂直管屏传热情况趋于恶化。4试验结果及分析由上一节理论计算可知，当垂直并联管发生自补偿特性时，吸热量:小的管内工质的质最流速是减小的，直到管内工质汽化程度很高时，自补偿特性将会逐步消失。图5和图6给出了试验所得到的不同工况下垂直并联管内工质质最流速的G"=500kgm's“G“=430kgm's"325''1'100.20.40.60.81.0出口工质干度图5平均质最流速对自补偿特性的影响Fig.5EffectofA

12、verageMassVelocityonSelf-CompensatingCharacteristics注：尸为15.4MPa,为149kW/m。，为1.342011'11100.20.40.60.81.0出口工质干度图6不均匀加热比对自补偿特性的影响Fig.6EffectofUnevenHeatingRatioonSeCompensatingCharacteristics变化情况。由于试验段出口截面含气率为试验中直接测量，而工程中常用的参数为工质干度，本文采用Armand计算法将截面含气率转化为相应的体积含气率。当体积流量含气率W0.9时，截面含气率a=C",CA=0.83

13、3+0.051nP；当夕0.9时，q=Ca+（1CaHM。再利用式（1）把体积流量含气率转化为相应的干度："+E会从图5和图6中可以看出，试验所得质母流速结果与理论计算结果在曲线形式上非常接近。热负荷较小的补偿管内工质的质量流速先减小，再增大；当管内工质的汽化程度很高时，补偿管的工质质检流速接近或者超过平均质量流速，此时，系统的自补偿特性很弱，若干度进一步增大,则自补偿特性可能消失。4.1工质干度的影响垂直并联管组管内工质干度对系统自补偿特性的影响非常显著。在不同的干度范围内，管内工质质虽流速的变化趋势都不相同。如图5所示，补偿管内工质的质量流速随着工质干度的增加先减小；在达到最小值

14、后开始增大，并不断接近系统平均质虽流速。补偿管内工质质信流速的减小，意味着在工质汽化初期，并联管组管间流量偏差是增大的。对于锅炉水冷壁来说，这是一种较为理想的运行状态。由管间热负荷偏差引起的流量偏差(正流量响应)能够很好地抑制管间的壁温差异，从而减小热应力对水冷壁管的破坏作用。从图5可见，当管内工质干度较高时，由于工质汽化程度很高，重位压降在总压降中的比例很小；因而并联管组中各支管中阻力较为接近；补偿管内工质的质量流速逐渐接近平均质址流速；由于并联管之间的耦合作用，此时，热负荷较高的偏差管内工质的质量流速亦逐渐减小至接近于平均质量流速。尽管此时垂直并联管组仍具有自补偿特性，但是由于工质干度较高

15、，其对管壁冷却能力较差，可能会造成偏离饱和沸腾(DNB)的发生，从而使系统处于危险状况。本文主要采取的试验方法，是在给定管壁热负荷的条件下，改变工质的入口干度，以此来实现对锅炉水冷壁的分段模拟。通过上面的分析可知，在不同的干度范围内，研究对象的自补偿特性的强弱程度不同。换言之，在锅炉水冷壁高度方向不同的区域，垂直并联管组的自补偿特性是不同的。在低干度区域，即锅炉水冷壁下部，并联管组自补偿特性较强，由热负荷偏差引起的流用:偏差较大，因而可以更为有效地抑制管间的壁温偏差；在高干度区域，即锅炉水冷壁上部，并联管组的自补偿特性较弱，甚至可能存在负流量响应特性。4.2不均匀加热比的影响热负荷偏差是造成垂

16、直并联管内各单管工质流量偏差的重要因素。由于垂直并联管组具有较强的热敏感性，因此一旦存在较大的热负荷偏差，流晕偏差就会造成管屏之间出现较大的温度差异，从而产生交变的热应力。长期存在的交变热应力会造成垂直受热管热疲劳，进而出现裂纹直至爆管。因此，热负荷偏差对垂直受热管屏的影响对于换热设备的安全运行是至关重要的。图6给出了P为12.6Mpa、Gav为500kg/m2s>q”为142kW/m2时，不同的不均匀加热比对补偿管内工质质量流速的影响。从图6可见，六头内螺纹管在不同压力、不同的质虽流速下，不均匀加热比对其补偿管内工质质量流速随工质干度变化的影响规律是基本相同的。当系统压力为12.6MP

17、a,工质干度小于0.6时，补偿管质量流速随着内壁热负荷偏差的增大而减小。当干度大于0.6后，补偿管质员流速随着内壁热负荷偏差的增大而增大。当工质干度较高时(大于0.9),管内工质汽化程度很高，不均匀加热比对补偿管内的质量流速变化影响很小。在不均匀加热比不同时，同一干度下，补偿管内工质质量流速较为接近。在不均勾加热比为1.3至2.0范围内，随着热负荷偏差的增大，补偿管内质量流速的最小值减小。以上分析可以看出，六头内螺纹管管内工质汽化程度较低时，热负荷偏差的增大会增强并联管的自补偿特性；当管内工质汽化程度较高时，热负荷偏差的增大会减弱并联管系统的自补偿特性。5结论对垂直六头内螺纹管并联管组在低质量

18、流速下的自补偿特性进行了理论计算和试验研究，研究所得结论如下：(1) 并联垂直管屏在低质量流速下具有自补偿特性。在所建立的物理模型中，吸热歧较小的支管内工质的质量流速随着吸热晨的增加先减小后增大。当管内工质汽化程度较高时，系统的自补偿特性减弱直至消失，补偿管内工质的质虽流速接近或超过平均质量流速。(2) 垂直并联管屏的自补偿特性是由于管内工质的摩擦压降和重位压降的综合作用造成的。偏差管内总压降减小的趋势先加剧后变缓，导致偏差管内工质的质稍流速迅速增大后减小。由于两管间的耦合作用，补偿管内工质的质量流速则先迅速减小后增大。(3)工质干度和并联管间的不均匀加热比等系统参数对系统的自补偿特性有显著的

19、影响。并联垂直管组的自补偿特性随着管内I：质干度的增加先增强，后减弱。当工质干度很高时，系统的自补偿特性有可能消失并随之出现负流鼠响应特性。不均匀加热比对系统自补偿特性的影响比较复杂。当并联管组内丁质汽化程度较低时，热负荷偏差的增大会增强并联管的自补偿特性；当管内工质汽化程度较高时，热负荷偏差的增大会减弱并联管系统的自补偿特性。参考文献：1李会雄，汪斌，陈听宽.垂育并联多通道内高温高压汽水两相流密度波型不稳定性的实验研究J.动力工程，2005,25(1)：55-59.2李永星，尹飞，陈听宽，等.内螺纹管中汽-液两相流摩擦压降特性研究U1.核动力工程，2005,26(3)：228-232.3毕勤

20、成，刘伟民，高峰.等.U型管高压汽-液两相流密度波型不稳定性的实股研究J.核动力工程，2005,26(6):559-562.回孙立.成，阎吕琪.孙中宁.竖代环形流道内欠热沸腾时的气泡行为研究J.核动力工程.2006,27(S1):73-76.5臧希年.主蒸汽骨道破裂登加蒸汽发生器传热管破裂事件树分析UI.核动力工程，2000,21(2)：152-156.6杨朝初，毕勤成，杨冬，等.非圆小通道内水-空气垂宜上升流动流型研究J.工程热物理学报，2006,27(5):787-790.7杨冬，朱晓静，毕勤成，陈听宽.超临界循环流化床水冷壁流动传热的实验研究J.化工机械，2008,35(3):127-1

21、31.8李燕，赵新木，岳光溪，等.低质鼠流速垂直管屏技术的原理与应用分析J.热能动力丁程,2006,21(6)：640-643.9王富文.低质.段流速设计在直流锅炉上的应用J.华中电力，2004,】7(1):38-41.10王富文.优化内螺纹管在低质辱流速直流锅炉设计中的应用JJ.中国电力，2003,36(12):17-20.InvestigationonSelf-CompensatingCharacteristicsofVerticalParallelTubeswithLowMassVelocityZHUXao-jing,BIQing-cheng,YANGDong,WANGJian-guo,

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