CN111006096A - 一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其包括由两根通道以任意角度相交连接的枝型结构，所述枝型通道内存在两股冷热流体发生掺混，所述枝型通道内支管射流区安装有射流扰动空心固体，用于减小支管射流对主管管壁的冲击；所述枝型通道内流体掺混区域阵列安装有掺混扰动空心固体，用于均匀增强掺混区冷热流体混合，所述两种空心固体为高导热性材料构成且内填充有相变介质，利用相变介质的相变过程对冷流体加热，对热流体冷却，从而抑制温度场的脉动，所述相变介质内添加有高导热性材料，用于强化相变材料的传热，从而约束枝型通道内流体掺混过程中的脉动现象，在不明显增加流动阻力的基础上，改善枝型通道由于流体掺混所造成的疲劳损伤问题。

Description

一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构
技术领域：
本发明涉及通道管路疲劳损伤防护技术领域，特别是涉及枝型通道内冷热流体掺混产生疲劳损伤的抑制的结构与方法。
技术背景：
动力装置作为核电厂、热电厂、石油化工、暖通空调与液化天然气工业的能量来源与动力核心，其管路系统极其庞大且错综复杂，并存在大量枝型通道，供不同性质的流体进行联接、混合、反应等。现有枝型通道多数由两根通道通过一定角度相交连接，其界面多为圆形或矩形等形状。而枝型通道内不同性质的冷热流体发生剧烈掺混，形成明显的热分层现象以及极不均匀的速度场、压力场与温度场，造成枝型通道壁面长期受到上述三种非定常的、极不均匀的物理场所形成的冲击应力、压应力和热应力作用，使得所述枝型通道掺混区域的管壁极易产生裂纹、穿透等疲劳损伤，进而导致通道发生泄露事故，严重影响装置的安全和稳定的运行。
专利CN101598258B所公开的一种T型管道冷热流体混合过程中降低热疲劳的装置和方法将多孔介质添加入T型管道冷热流体混合区域，利用多孔介质对流体流动较好的湍流增强作用与多孔介质较高的导热性能，对T型管道冷热流体混合区域的速度波动与温度波动起到抑制效果，从而改善T型管道热疲劳损伤的产生与发展。但是，多孔介质的添加使得T型通道内流体的流动压力损失十分巨大，加入多孔介质后T型通道掺混区域内轴向压降可达不添加多孔介质时的87倍左右。
发明内容：
本发明针对现有技术中枝型通道混合区域极易产生因冷热流体剧烈掺混所带来的疲劳损伤问题，提供一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构。本发明应用于流体掺混的枝型通道，将有效地约束并降低枝型通道内冷热流体掺混所造成的速度场波动、压力场波动及温度场波动，从而显著地减少和抑制枝型通道管壁疲劳损伤的产生与发展。
本发明为了解决上述现有技术问题所采取的技术方案是：
提供一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，包括两根通道以任意角度相交连接的枝型结构。其中，所述枝型通道内两股冷热流体发生掺混。所述枝型通道支管射流区域安装有射流扰动空心固体，对支管射流进行第一次扰动，利用上述空心固体对于支管射流较强的扰动作用，减小支管射流对于主管管壁的冲击并降低支管射流带来的巨大速度与温度波动。所述枝型通道冷热流体掺混区域内以叉排或顺排等方式阵列安装有掺混扰动空心固体，利用所述阵列安装的空心固体对掺混流体进行第二次扰动，干扰热分层现象的形成，均匀增强掺混流体内部的流动传热，从而提高冷热流体混合区域的温度均匀性。所述两种空心固体由高导热性材料构成且内部填充有相变介质，所述相变介质的平均相变温度低于发生掺混的热流体的温度，所述相变介质的平均相变温度高于发生掺混的冷流体温度，利用相变介质发生相变吸收热流体热量以加热冷流体，降低掺混流体的温度不均匀性。所述掺混扰动空心固体内相变介质的相变温度的变更可通过更换流体掺混区域来进行改变，从而保证相变介质的相变温度处于冷热流体温度之间。所述相变介质内添加有至少一种高导热性材料，所述高导热性材料的导热系数高于所述相变介质的导热系数，用于提高相变介质的传热性能。
因为枝型通道内冷热流体混合剧烈，而且扰流空心固体为高导热性材料构成，同时相变介质内部亦加入有高热性材料，所以热流体与扰流空心固体之间的换热强烈。所以，通过以上措施，即使热流体与扰流空心固体的接触时间较短，二者之间也可以产生较强的换热过程，从而保证部分相变材料熔化并之后对冷流体放热，以减少枝型通道内部冷热混合流体的热波动现象，进而减少枝型通道壁面的温度脉动，最终抑制枝型通道的疲劳损伤。
本发明还提供一种枝型通道冷热流体掺混过程中降低疲劳损伤的方法，其特征在于：所述方法通过在枝型通道支管射流区域安装射流扰动空心固体，在枝型通道冷热流体掺混区域内阵列安装掺混扰动空心固体，所述两种空心固体由高导热性材料构成且内部添加有相变介质，所述相变介质中添加有高导热性材料，从而在不明显增加流动阻力的基础上，有效地约束枝型通道内掺混流体的温度波动、压力波动与速度波动，以抑制所述枝型通道的疲劳损伤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过在枝型通道支管射流区域安装射流扰动空心固体，利用上述空心固体较大扰流作用对支管射流进行第一次扰动，从而减小支管射流对于主管管壁的冲击并降低支管射流带来的巨大速度与温度波动；通过在枝型通道流体掺混区域以叉排或顺排等方式阵列安装有掺混扰动空心固体，利用阵列安装的空心固体对于掺混流体流动的均匀扰动及湍流增强作用对掺混流体进行第二次扰动，促进所述枝型通道内冷热流体的掺混过程，干扰热分层现象形成，以强化掺混流体速度场的均匀性，降低掺混流体压力场的振荡性，削弱掺混流体温度场的波动性；同时，相比于专利CN101598258B中在T型通道内插入多孔介质的方法，叉排或顺排等阵列布置扰流固体的技术对流动阻力影响较小，从而在不明显增加流动阻力的基础上，抑制所述枝型通道疲劳损伤问题的产生与发展。
本发明通过在上述两种空心固体中添加相变介质，相变介质的相变温度低于热流体温度，高于冷流体温度。本发明利用相变介质潜热大、发生相变时的传热能力强和热流密度大等优点，使相变介质在接触到较热流体时，发生吸热相变过程，降低较热流体温度；使相变介质在接触到较冷流体时，发生放热相变过程，提高较冷流体温度，进一步约束掺混流体的温度场波动，从而抑制所述枝型通道疲劳损伤问题的产生与发展。与此同时，由于枝型通道内冷热流体的掺混会造成明显的热分层效应，所以空心固体中的相变介质可以充分的吸收并释放热量。
本发明通道在上述相变介质中添加高导热性材料，所述高导热性材料的导热系数高于所述相变介质的导热系数，进一步增强相变介质的传热性能，使相变介质在遇到冷热流体时可以快速发生相变，迅速完成热流体-相变介质-冷流体之间的能量交换过程。即使热流体与扰流空心固体之间的接触时间较短，二者之间也可以产生较强的换热过程，从而保证部分相变材料熔化并之后对冷流体放热，进一步削弱掺混流体温度场的不均匀性与不稳定性，从而抑制所述枝型通道疲劳损伤问题的产生与发展。
附图说明：
图1为本发明的一种抑制疲劳损伤枝型通道结构的示意图；
图2为本发明的一种抑制疲劳损伤枝型通道结构的支管射流区示意图；
图3为本发明的一种抑制疲劳损伤枝型通道结构的流体掺混区示意图；
图4为本发明的一种抑制疲劳损伤枝型通道结构内部射流扰流固体的横截面示意图；
图5为本发明的一种抑制疲劳损伤枝型通道结构工作时某时刻对称面的温度分布图；
其中：1.枝型通道；2.主管；3.支管；4.支管射流区；5.流体掺混区；6.射流扰动空心圆柱；7.掺混扰动空心圆柱；8.相变介质；9.高导热性材料。
具体实施方式：
下面结合本发明附图及具体实施例，对本发明的实施方法做进一步的阐述。以下实施例仅用于说明及解释本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1、2、3与4所示，一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其包括枝型通道1，所述枝型通道1是由主管2与支管3以90°相交连接的枝型结构构成；主管流体为48℃在所述主管2内流动，支管流体为33℃在所述支管3内流动；支管流体射入支管射流区4，并与主管流体在流体掺混区5发生掺混；所述支管掺混区安装有由高导热性材料构成的射流扰动空心圆柱6，对支管射流进行扰流，从而减小支管射流对于主管管壁的冲击并降低支管射流带来的巨大速度与温度波动；所述流体掺混区5内以叉排等阵列排布方式安装有由高导热性材料构成的掺混扰动空心圆柱7，利用阵列排布的掺混扰动空心圆柱7对于掺混流体流动的均匀扰动及湍流增强作用，促进所述枝型通道内冷热流体的掺混过程，抑制掺混流体的速度、压力与温度波动，提高枝型通道内掺混流体速度、压力与温度场的稳定性；所述两种空心固体6与7由高导热性材料构成，例如铝(导热系数为217.7W·m-1·K-1)所述两种空心圆柱6与7内添加有相变介质8，所述相变介质为石蜡正二十二烷C22H46(平均相变温度为42℃，导热系数为0.2W·m-1·K-1)；所述相变介质8的平均相变温度低于发生掺混的热流体的温度，所述相变介质8的平均相变温度高于发生掺混的冷流体温度，利用相变介质8发生相变吸收热流体热量以加热冷流体，降低掺混流体的温度波动；所述相变介质8中添加有高导热性材料9，增强相变介质的传热性能，使相变介质在遇到冷热流体时可以快速发生相变，进一步减少掺混流体的温度波动，从而通过本发明的枝型通道结构抑制掺混流体对于通道壁面的疲劳损伤作用；如图5所示，枝型通道内扰动空心固体中的部分相变介质温度已达43.25℃，高于相变介质的相变温度。这说明，枝型通道内扰动空心固体中的相变介质已在工作过程中发生相变，从而发挥相变介质的能量交换作用；所述流体掺混区5通过法兰与支管射流区4和下游通道相连，掺混扰动空心圆柱7内相变介质8的相变温度的变更可通过更换流体掺混区5来进行改变，从而保证相变介质的相变温度处于冷热流体温度之间。

Claims (11)

1.一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，包括至少一个枝型结构。其特征在于：所述枝型通道内不同流体发生掺混；所述枝型通道内支管射流区域安装有射流扰动空心固体，该空心固体对支管射流进行扰动；流体掺混区域内阵列安装有掺混扰动空心固体，该空心固体对掺混流体进行均匀扰动；所述两种空心固体内填充有相变介质，相变介质发生相变吸收热流体热量以加热冷流体；所述相变介质内添加有高导热性材料，该高导热性材料用于提高相变介质的传热性能；所述流体掺混区域通过法兰与支管射流区域和下游通道相连接，用于更换流体掺混区域内的相变介质。
2.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道至少包含一个由两根通道以任意角度相交连接的枝型结构，所述通道界面可以为圆形、矩形、椭圆形等任意形状。
3.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道内的掺混流体为至少两股冷热流体发生掺混，所述冷热流体可为相同或不同物性参数、相同或不同种类的多股流体。
4.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道的支管射流区域为以支管轴线所在的主管横截面为起始平面，向上游与下游延伸1.5倍支管直径长度的主管区域。
5.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道支管射流区域内存在至少一个任意形状的、由高导热性材料构成的射流扰动空心固体。
6.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道的流体掺混区域为以支管轴线所在的主管横截面为参考平面，主管下游1.5倍至6倍支管直径长度的主管区域。
7.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述枝型通道的流体掺混区域内以叉排、顺排等阵列方式安装有至少三个任意形状的、由高导热性材料构成的掺混扰动空心固体。
8.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述空心固体内填充有至少一种相变介质，所述相变介质的材料为金属、非金属或化合物，所述相变介质的平均相变温度低于发生掺混的热流体的温度，所述相变介质的相变温度高于发生掺混的冷流体温度。
9.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述相变介质内添加有至少一种高导热性材料，所述高导热性材料为金属或非金属，所述高导热性材料的导热系数高于所述相变介质的导热系数。
10.如权利要求1所述的一种抑制疲劳损伤的枝型通道结构，其特征在于：所述流体掺混区域通过法兰等连接方式与支管射流区域和下游通道相连接。
11.一种抑制枝型通道疲劳损伤的方法，其特征在于：包括如权利要求1至10中任一项所述的枝型通道结构。
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