集箱的连接型式及其对流量分配的影响

11.4.2　集箱的连接型式及其对流量分配的影响

根据流体的引入引出方式，通常可把并联管组分为两类。一类是典型布置的并联管组系统，另一类是非典型布置的并联管组系统。所谓典型系统是指流体在集箱的端部轴向引入或引出，而非典型系统是指流体沿集箱在布置管组的长度内径向引入或引出，也称为复杂系统。

为了保证在并联各管中流量分配均匀，可采用多种集箱联接型式，如Z型、U型、H型、Ш型及其它的复杂型式。

图11.24　Z型联接系统沿集箱长度工质的压力变化

由于分配集箱和汇集集箱中工质的静压不断变化，当并联管与两个集箱连接后，各管进出口的压差也随之变化，即各管的流动动力不相同，从而影响各并联管的流量分配。而且，各根管子进出口的压差与分配集箱与汇集集箱的连接方式有关，不同的连接方式对各并联管的压差变化影响很大。

图11.24为Z型连接系统，工质从分配集箱的一侧端部引入，而从汇集集箱的另一侧端部引出。分配集箱中沿工质流动方向流量及轴向速度逐渐下降，因此工质动压头下降而静压力p_fx增加。由于流动阻力损失的存在，因此实际的p_fx曲线低于不考虑流动阻力时的静压变化曲线1，两条曲线的差值为分配集箱的流动阻力。汇集集箱中沿长度方向工质流量及流速不断增大，因而动压头增加而静压力p_hx减小。由于有流动阻力损耗，故实际的p_fx曲线高于无流动阻力时的静压变化曲线2，为汇集集箱的流动阻力。由图可见，Δp＝p_fx－p_hx为各管工质流动的进出口压差，分布很不均匀。分配集箱进口侧的管子的Δp最小，因而管内的流量也最小，这根管子成为这一管组中的偏差管，流动工况最为危险。而汇集集箱出口侧的管子的Δp最大，故流量也最大。

图11.25　U型联接系统沿集箱长度工质的压力变化

图11.25为另一种U型连接系统，工质的引入和引出管分别布置于两个集箱的同一侧的端部。此时分配集箱和汇集集箱的静压变化趋势相同。由于汇集集箱的最大静压差Δp_hL大于分配集箱的Δp_fL，因此分配集箱终端处的管子Δp最小，成为这一管组中的偏差管，而分配集箱进口侧管子的Δp最大，故流量也最大。显然，从流量分配均匀性方面考虑，在相同的其它条件下，U型连接系统流量分布比较均匀，Z型系统比U型系统具有较大的流量偏差。

如果选择合理的集箱连接系统，可以有效减小集箱连接造成的流量分布不均匀性。采用多点引入和多点引出的集箱连接方式可以降低集箱中工质流速，使静压变化值减小。图11.26为中点引入中点引出和两点引入两点引出时的集箱静压变化曲线，由图可见，与条件相同的Z型（或U型）比较，前者集箱轴向工质流速为Z型的1/2，其集箱压力变化值为原来1/4；后者的工质流速减小为Z型的1/4，其集箱压力变化值减为原来1/16。

图11.26　两种集箱连接系统的静压分布曲线

（a）中点引入中点引出型；（b）两点引入两点引出型

因此，当工质不是从集箱的端部而是在集箱的侧面的几点上引入和引出时，可以减小流量偏差。随着引入点数目的增加，在集箱中工质的速度显著降低，因此使集箱中的压力变化以及由它而引起的流量偏差减小。在表11.6中列出集箱轴向动压头的变化与引入点数量的关系。由此表可见，当工质由3～4点引入集箱时，其动压头的数值已小到可以略去不计。

表11.6　集箱轴向动压头的变化与引入点数量的关系

这种联接系统又称为Ш型联接系统，如图11.27所示，它也可能产生局部的流量分配不均，例如在工质入口处由于流体的撞击或抽吸作用而引起流量偏差。在同一集箱截面上也可能产生流量分配不均，如图11.27（b）、（c）所示。在汇集集箱中就没有上述问题。

图11.27　Ш型联接系统

除上述几种联接系统外，还有L型、J型、H型及其它复杂型式的联接系统，如图11.28所示，有的可看成是由几个U型或Z型组合而成的系统。实际上，Ш型系统也可以看成由几个U型和Z型组合而成。

图11.28　复杂型式的联接系统

（a）L型　（b）J型　（c）H型　（d）双Z型

显然，并联各管不同的工质进出口压差Δp引起流量分配的不均匀性，Δp的差异取决于不同的集箱连接方式。参照图11.24，任何一种集箱连接方式的任意一根管子的Δp均可表示为

在集箱连接系统中，最危险的管子是流量最小的偏差管，通常用集箱偏差管的压差Δp_p与平均工况管的压差Δp_pj的差值δΔp_jx来计算和判断集箱并联管组的流量偏差的大小。将式（11.89）分别用于偏差管和平均工况管，考虑到集箱的进出口压差对于任意一根管子都是不变的，即p₁－p₂＝const，可得

显然，δΔp_jx＜0。δΔp_jx的绝对值愈大，表明偏差管的流量比平均工况管的流量相差愈多。应用式（11.89）可以确定集箱管组平均工况管、偏差管和最大压差管的坐标位置，再利用式（11.85）和式（11.88）就可以对上式进行计算。

对Z型系统，由于工质的引入和引出管分别在两个集箱的两侧的端部，如果以分配集箱进口截面作为座标原点，则汇集集箱的Δp_hx中的X用1－X变换，则有

由式（11.89）可确定Z型系统平均工况管的X_pj＝0.54、偏差管的X_p＝0、最大压差管的X_max＝1，将X_pj、X_p分别代入式（11.91）后，再代入式（11.90），可算得

同理，对U型系统，引入和引出管在两个集箱的同一侧，不需坐标变换，X_pj＝0.42，X_p＝1，X_max＝0，可算得

从两种连接方式的δΔp_jx计算式也可分析出，如在其它条件相同的情况下，U型系统的流量偏差比Z型系统的要小。

对其它各种集箱连接系统，也可应用上述类似方法，算得其平均工况管位置、偏差管位置、最大压差管位置以及相应的δΔp_jx值，具体可查阅有关锅炉教材或手册。