CN112923347A - 一种新型环型阵列流量分配装置设计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源化工设备领域的流量分配装置，公开了一种新型环型阵列流量分配装置设计，包括进口分配集箱、出口汇集集箱、引入管、引出管和支管，环型阵列流量分配装置在结构上完全中心对称，进口分配集箱和出口汇集集箱均为圆柱型，引入管和引出管分别位于圆柱型进口分配集箱和出口汇集集箱的中心，支管连接在进口分配集箱和出口汇集集箱之间，各根支管的圆心等间距分布在一个与集箱中心线同心的圆上；引入管、引出管和集箱连接处均设置倒角，同时将进口分配集箱与出口汇集集箱靠近支管的内表面设计为向内凹陷的内凹球形导流面。本发明显著提升各并联支管内工质流量分配的均匀性，降低超温爆管等事故的发生概率，改善设备安全性能及换热性能。
Description
技术领域
本发明涉及能源化工设备领域的流量分配装置，具体涉及一种新型环型阵列流量分配装置设计。
背景技术
工质的流量分配过程广泛存在于锅炉水冷壁、蒸汽发生器、换热器等能源化工设备的运行中。为了在较小布置空间下获得较高传热效率，同时尽可能降低沿程的压降损失，这些设备均采用并联管结构对工质进行分配输运和热量传递，通过集箱将工质分入到各个支管中，工质在沿支管流动过程中吸收管壁传递过来的热量，最后汇入汇集集箱后流出。现有设备中采用的工质分配结构为传统的集箱-并联管型式，包括轴向引入引出型式、径向引入引出型式等(如图1所示)，但无论哪种型式，其各根支管均并非对称布置，往往是沿着集箱内工质流动方向上并排布置，受集箱引入引出位置处的工质流速变化、T型三通分流、汇流过程中的工质流速变化以及沿集箱流动方向上的摩擦压降等因素影响，沿集箱各个位置处工质的静压分布并不均匀，这直接导致沿集箱并排布置的各支管的进口压力以及出口压力之间存在明显差异，而分配进入各支管的工质流量与该支管的进出口压降呈正相关关系，因此，各并联支管内的流量分配比例往往并不均匀。
具体地，在传统的轴向引入引出式并联管系统中，分配T型三通的分流作用导致分配集箱中的流体静压沿流动方向逐渐升高，汇集T型三通的汇流作用导致汇集集箱中的流体静压沿流动方向逐渐降低。同时，在流体沿集箱流动的过程中存在摩擦阻力，在相邻支管间集箱内的流体静压沿着流动方向会有轻微的下降。由于支管沿着集箱内工质流动方向顺序并排布置，导致各支管的进出口压降呈现明显差异，各支管的流量分配极不均匀，如图2和图3所示。在传统的径向引入引出型式的并联管内，除了T型三通分流、汇流过程中的工质流速变化以及沿集箱流动方向上的摩擦压降等因素影响之外，由于系统来流方向、出流方向与集箱内工质的流动方向垂直，引入管及引出管附近的工质被迫急剧转向，或分往两侧、或从两侧汇合，导致集箱内在引入管和引出管附近的工质扰动极为剧烈，流体静压急剧变化，使得集箱内的静压分布更为不均匀。例如，图4给出了分配集箱内引入管附近工质的静压分布。
综上，现有设备中采用的并联管分配结构存在缺点，工质往往难以均匀地分配到各个支管中，导致各支管间运行工况相差很大，严重降低换热设备的运行效率。此外，各支管内流体沿程吸收管壁侧传来的热量，物性往往发生剧烈变化，当某些支管分配进入的工质流量较低或者蒸汽含量较高时，在靠近这些支管的出口处极容易引发传热恶化、壁面过热现象，甚至导致管路超温爆管等重大事故，严重威胁设备的安全运行，降低设备使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于设计一种新型的流量分配装置实现工质流量的均匀分配。
发明人调研分析了以往各种类型的并联管，发现导致其流量分配不均匀的根本原因在于结构上的非对称设计导致各支管进出口压力的不均等。
本发明提供一种新型环型阵列流量分配装置设计，采用如下技术方案：
一种新型环型阵列流量分配装置设计，包括进口分配集箱、出口汇集集箱、引入管、引出管和支管，所述环型阵列流量分配装置在结构上完全中心对称，所述进口分配集箱和出口汇集集箱均为圆柱型，所述引入管位于圆柱型进口分配集箱的中心，所述引出管位于圆柱型出口汇集集箱的中心，所述支管连接在所述进口分配集箱和出口汇集集箱之间，各根所述支管的圆心等间距分布在一个与进口分配集箱和出口汇集集箱中心线同心的圆上。
进一步地，所述与进口分配集箱和出口汇集集箱中心线同心的圆的半径(简称为“分布半径”)，设计时可以根据支管数目、支管直径及间距等因素进行调整，如果支管数较多或者需要增大支管间距，可以适当增大该分布半径。
发明人进一步发现，由于工质从引入管进入分配集箱后，引入管附近的工质速度方向被迫急剧转向分往四周进入各个支管，扰动较为剧烈，容易形成各种涡流，影响各支管流量分配的均匀性，同时产生较大的静压损失，消耗较高的泵功。同样的，汇集集箱内工质从四周支管汇集到集箱中心区域，然后被迫急剧改变方向进入引出管，在引出管附近产生较大的扰动和静压损失。
因此，为了降低引入管及引出管附近工质流速的变化及其引起的扰动和静压损失，在本申请的一种优选实施方式中，所述引入管和进口分配集箱的连接处以及所述引出管和出口汇集集箱连接处均设置倒角，同时将进口分配集箱与出口汇集集箱靠近支管的内表面设计为向内凹陷的内凹球形导流面。
进一步地，可根据热源类型及结构等因素，将热源布置在各根所述支管内部包围的区域或者整个装置外部。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于全对称设计原理，从流量分配装置进口到各支管再到装置出口，各支路的流动设置完全对称，这确保了各支管进口压力以及出口压力均等，消除了结构差异引发的流量分配不均问题，实现各支管流量的均匀分配；
(2)球形导流面的设计，可以使得引入管来流流体相对更为平缓地分往四周流入各个支管，同时各支管出口流体更为平缓地汇集流入引出管，减小分配集箱以及汇集集箱内的涡流扰动，有利于工质流量的均匀分配，同时也大大降低了沿程的压降损失；
(3)本发明流量分配装置能够显著提升各并联支管内工质流量分配的均匀性，降低因流量分配不均引发的管壁过热、超温爆管等严重事故的发生概率，改善系统运行安全性能及整体换热性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为传统并联管布置型式(a轴向引入引出型式；b径向引入引出型式)；
图2为传统并联管集箱内分流、汇流及摩擦阻力引发的静压变化示意图；
图3为传统轴向引入引出型式的并联管内的集箱静压变化及流量分配示意图(a-Z型并联管结构示意图，b-Z型并联管集箱内的工质静压变化示意图，c-Z型并联管集箱流量分配示意图，d-U型并联管结构示意图，e-U型并联管集箱内的工质静压变化示意图，f-U型并联管集箱流量分配示意图)；
图4为传统径向引入引出型式的并联管分配集箱内的工质静压变化示意图；
图5为实施例1新型环型阵列流量分配装置结构示意图；
图6为图5的剖面视图；
图7为图5对应的支管布置位置俯视图；
图8为图5的3D示意图；
图9为进口流速为5m/s条件下，实施例1新型环型阵列流量分配装置和传统Z型、U型并联管内各支管平均工质流速的计算结果；
图10为进口流速为10m/s条件下，实施例1新型环型阵列流量分配装置和传统Z型、U型并联管内各支管平均工质流速的计算结果；
附图标记：1-进口分配集箱，2-出口汇集集箱，3-引入管，4-引出管，5-支管，6-倒角，7-内凹球型导流面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图5～8所示，一种新型环型阵列流量分配装置设计，包括进口分配集箱1、出口汇集集箱2、引入管3、引出管4和支管5，所述环型阵列流量分配装置在结构上完全中心对称，所述进口分配集箱和出口汇集集箱均为圆柱型，所述引入管位于圆柱型进口分配集箱的中心，所述引出管位于圆柱型出口汇集集箱的中心，所述支管连接在所述进口分配集箱和出口汇集集箱之间，各根所述支管的圆心等间距分布在一个与进口分配集箱和出口汇集集箱中心线同心的圆上，所述引入管和进口分配集箱的连接处以及所述引出管与出口汇集集箱连接处均设置倒角6，同时将进口分配集箱与出口汇集集箱靠近支管的内表面设计为向内凹陷的内凹球形导流面7。
发明人基于Ansys数值模拟软件，建立了本专利提出的新型流量分配装置的三维几何模型，模型中设定引入管直径为60mm，长度为200mm，进口分配集箱与出口汇集集箱的厚度为50mm，半径为250mm，倒角半径为100mm，球形导流面半径为500mm，支管数目为8根，支管半径为20mm，支管中心线距离集箱中心线为220mm，支管长度为1000mm。同时，发明人基于同等的几何尺寸建立了传统Z型、U型并联管结构的对应三维几何模型，并采用常温常压水为工质，通过Fluent软件开展数值计算，对比了相同工况下这三种分配结构内各支管工质流量分配的均匀程度。图9和图10分别给出了进口流速为5m/s和10m/s条件下，本发明设计的新型流量分配装置和传统Z型、U型并联管内各支管平均工质流速的计算结果，同时图中也给出了各支管间流体平均流速的相对标准偏差(用RSD表示)，RSD越小，表明各支管流量分配越均匀。从图9和图10中可以明显看出，相比于传统Z型、U型并联管，本发明设计的新型环型阵列分配装置的流量分配均匀性明显更好。
本发明技术可应用于能源化工领域各类热能传递设备内的工质分配结构设计，包括(超)临界锅炉的水冷壁及过热器系统、核反应堆内的蒸汽发生器、太阳能光热发电系统内的吸热器等现有各类能源系统内的热量交换设备以及化工领域内的各类换热器等均可采用本专利技术对其内部的工质分配结构进行设计和改进。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种新型环型阵列流量分配装置设计，包括进口分配集箱、出口汇集集箱、引入管、引出管和支管，其特征在于，所述环型阵列流量分配装置在结构上完全中心对称，所述进口分配集箱和出口汇集集箱均为圆柱型，所述引入管位于圆柱型进口分配集箱的中心，所述引出管位于圆柱型出口汇集集箱的中心，所述支管连接在所述进口分配集箱和出口汇集集箱之间，各根所述支管的圆心等间距分布在一个与进口分配集箱和出口汇集集箱中心线同心的圆上。
2.根据权利要求1所示新型环型阵列流量分配装置设计，其特征在于，所述与进口分配集箱和出口汇集集箱中心线同心的圆的半径，设计时根据支管数目、支管直径及间距进行调整。
3.根据权利要求1所示新型环型阵列流量分配装置设计，其特征在于，所述引入管和进口分配集箱的连接处以及所述引出管和出口汇集集箱连接处均设置倒角，同时将进口分配集箱与出口汇集集箱靠近支管的内表面设计为向内凹陷的内凹球形导流面。
4.根据权利要求1所示新型环型阵列流量分配装置设计，其特征在于，根据热源类型及结构，将热源布置在各根所述支管内部包围的区域或者整个装置外部。
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