T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的裝置和方法

2023-05-17 21:36:56 1

專利名稱：T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及熱疲勞防護技術領域，特別是涉及 一種T型管道冷熱 流體混合過程中降低熱疲勞的裝置和方法。
背景技術：
在石油化工、航空航天、核電廠和熱電廠、暖通空調、液化天然 氣終端等許多領域都存在大量的T型管道，現有技術的一種三維T 型管道冷熱流體混合過程如圖1所示，其中主管和支管截面都為正方 形，主管邊長dm為100mm,支管邊長db為50mm;主管入口為熱水， 入口溫度Th為343.48K，入口速度為0.15m/s;支管入口為冷水，入 口溫度Te為296.78K，入口速度為0.3m/s。在T型管道中的冷熱流體 混合流動過程中，由於浮升力和慣性力的影響，T型管壁面一時受低 溫流體衝擊， 一時受高溫流體衝擊，其內部的冷熱流體混合引起的溫 度波動，容易誘發T型管道熱疲勞，導致T型管道失效，特別是對 於高溫、高壓、劇毒、有放射性流體在T型管道的混合引起的熱疲勞， 更要受到重視。

發明內容
本發明實施例要解決的問題是提供一種T型管道冷熱流體混合 過程中降低熱疲勞的裝置和方法，以克服現有技術中在T型管道內部 的冷熱流體混合引起的溫度波動容易誘發T型管道熱疲勞的缺陷。
為達到上述目的，本發明實施例的技術方案提供一種T型管道冷 熱流體混合過程中降低熱疲勞的裝置，所述裝置由安裝於所述T型管 道的冷熱流體混合區中的多孔介質構成。
其中，所述多孔介質固體骨架的導熱係數大於流體的導熱係數。
其中，所述多孔介質的材料為金屬或非金屬。其中，所述多孔介質整體式或堆積式安裝到所述T型管道中。 其中，所述多孔介質的孔隙率為2%~98%。 其中，所述多孔介質為紫銅燒結球。
其中，所述冷熱流體混合區以各支管軸線交點為中心，向各支管
軸線延伸距離為其當量半徑的4~12倍。
本發明實施例的技術方案還提供一種T型管道冷熱流體混合過
程中降低熱疲勞的方法，所述方法通過在T型管道的冷熱流體混合區
中填充多孔介質，以降低所述T型管道的熱疲勞。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有如下優點
本發明通過在T型管道流體混合區中填充多孔介質，約東冷熱流
體混合過程中的速度波動和溫度波動，從而削弱冷熱流體對管壁的熱
衝擊，有效降低瞬時溫度和時均溫度以及溫度波動幅度，改善瞬時溫
度波動的能譜特性，降低T型管道熱疲勞。


圖l為現有技術的 一種T型管道冷熱流體混合過程示意圖2為本發明的一種安裝有降低熱疲勞裝置的T型管道的三視圖3為本發明實施例的一種T型管道冷熱流體混合過程示意圖4為圖l過程中的某時刻截面y/d^0的溫度雲圖和速度矢量圖5為圖3過程中的某時刻截面y/d^0的溫度雲圖和速度矢量圖6為本發明實施例的主管中有無填充多孔介質情形截面
y/d^0.7的時均無量綱溫度對比圖7為本發明實施例的主管中有無填充多孔介質情形截面
y/db=0.7的均方根無量綱溫度對比圖8為本發明實施例的主管中有無填充多孔介質情形三個位置點
上的瞬時無量綱溫度隨時間變化圖9為本發明實施例的主管中有無填充多孔介質情形溫度變化最
大的兩個位置點上的瞬時溫度平方值的能譜密度圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細 描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
本發明的一種T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的方法 為通過在T型管道的冷熱流體混合區中填充多孔介質，以降低所述 T型管道的熱疲勞。其中，T型管道各支管截面形狀可以是圓形、矩 形和橢圓形，兩入口支管和出口支管軸線夾角可以是任意角度，各支 管截面積可以不相等，T型管道可以任意放置。該冷熱流體可以是同 一種流體，也可以是不同種流體，冷熱兩流體進入各自支管的流動可 以是層流也可以是湍流，冷熱流體進入各自支管的溫度存在溫差。
本發明的一種安裝有降低熱疲勞的裝置的T型管道的三視圖如 圖2所示，該降低熱疲勞的裝置由安裝於所述T型管道的冷熱流體混 合區中的多孔介質構成，所述多孔介質固體骨架的導熱係數大於流體 的導熱係數，孔隙率為2%~98%,材料為金屬或非金屬，可以整體 式或堆積式安裝到所述T型管道中。所述冷熱流體混合區以各支管軸 線交點為中心，向各支管軸線延伸距離為其當量半徑的4 12倍。
下面結合實施例對本發明進行詳細說明
本發明實施例的一種T型管道冷熱流體混合過程示意圖如圖3 所示，該T型管道的主管和支管截面都為正方形，主管邊長cL為 100mm，支管邊長db為50mm;主管入口為熱水，入口溫度Th為 343.48K，入口速度為0.15m/s;支管入口為冷水，入口溫度Tc為 296.78K，入口速度為0.3m/s;該降低熱疲勞的裝置由安裝於所述T 型管道的冷熱流體混合區中的多孔介質構成，本實施例中的多孔介質 孔為燒結球，直徑為28mm，孔隙率為30%，材料為紫銅，主管中多 孔介質的填充位置從^《=-3到x/《=3。
運用計算流體力學方法分別對圖1和圖3的混合流動進行仿真計 算，可以獲得如圖4所示的圖1過程中的某時刻截面y/db=0的溫度雲 圖和速度矢量圖，和圖5所示的圖3過程中的某時刻截面y/db=0的溫
5度雲圖和速度矢量圖，從圖4和圖5中可以看出，填充有多孔介質後 在主管混合區速度和溫度分布都較為均勻。 本發明實施例中根據公式
設定一個瞬時無量綱溫度，其中，7T是瞬時無量綱溫度，《是瞬時溫 度，K是冷流體入口溫度，K是熱流體入口溫度。降低瞬時溫度，是 指在同一情況下，混合區中填充有多孔介質時的瞬時無量綱溫度較沒 有填充多孔介質時的瞬時無量綱溫度小。
本發明實施例中針對有無多孔介質情形，計算某截面上某位置點 上的時均無量綱溫度。本實施例根據公式
確定時均無量綱溫度，其中，N為時間採樣點數，7T是瞬時無量綱溫 度。降低時均溫度，是指在同一情況下，混合區中填充有多孔介質時 的時均無量綱溫度較沒有填充多孔介質時的時均無量綱溫度小。圖6
為主管中有無填充多孔介質情形截面y/d^0.7的時均無量綱溫度對比
圖，從圖中可以看出，填充有多孔介質後，同一位置上的時均無量綱 溫度較沒有填充多孔介質的時均無量綱溫度小，可見填充有多孔介質 可以降低平均溫度。
本發明實施例中針對有無多孔介質情形，計算某截面上某位置點 上的均方根無量綱溫度。本實施例根據公式
確定均方根無量綱溫度，其中，N為時間釆樣點數，7T是瞬時無量綱
溫度，F是時均無量綱溫度。降低溫度波動幅度，是指在同一情況下， 混合區中填充有多孔介質時的均方根無量綱溫度較沒有填充多孔介
質時的均方根無量綱溫度小。圖7為主管中有無填充多孔介質情形截面y/df0.7的均方根無量綱溫度對比圖，從圖中可以看出，填充有多 孔介質後，同一位置上的均方根無量綱溫度較沒有填充多孔介質的均 方根無量綱溫度小，可見填充有多孔介質可以減少溫度波動幅度。
本發明實施例中針對有無多孔介質情形，從數值結果中提取主管 上壁面(z/db=l)和下壁面上(z/db=-l)和混合區中瞬時無量綱溫度 波動幅度最大的點，分析這三個點瞬時無量綱溫度隨時間變化情況。
圖8為主管中有無填充多孔介質情形這三個位置點上的瞬時無量綱
溫度隨時間變化趨勢圖。從圖中可以看出，填充有多孔介質後，同一 壁面上的瞬時無量綱溫度較沒有填充多孔介質的瞬時無量綱溫度波 動幅度小，可見填充有多孔介質可以減少溫度波動幅度。
本發明實施例中針對有無多孔介質情形，從數值結果中提取混合 區中瞬時溫度波動幅度最大兩個點，運用快速傅立葉變換，對這兩個
點的瞬時溫度平方值做PSD (Power Spectrum Densities,能譜密度) 函數，獲得這兩個點的PSD與頻率之間的關係。改善瞬時溫度波動 的能譜特性，是指在同一情況下，混合區中填充有多孔介質時的瞬時 溫度平方值的能譜密度函數PSD較沒有填充多孔介質時的瞬時溫度 平方值的能譜密度函數PSD在某些頻域中小。圖9為主管中有無填
充多孔介質情形溫度變化最大的兩個位置點上的瞬時溫度平方值的 能譜密度圖。從圖中可以看出，在2-3Hz頻域範圍內，填充有多孔介 質的瞬時溫度平方值的能譜密度值較沒有填充多孔介質的瞬時溫度 平方值的能譜密度值小很多，可見填充有多孔介質可以有效改善溫度 波動的能譜特性。
從以上計算和比較結果可以看到，本發明實施例通過在T型管道 流體混合區中填充多孔介質，約束冷熱流體混合過程中的速度波動和 溫度波動，從而削弱冷熱流體對管壁的熱衝擊，有效降低瞬時溫度和 時均溫度以及溫度波動幅度，改善瞬時溫度波動的能譜特性，有效降 低T型管道的熱疲勞風險，達到防護目的，本發明可為各種T型管道的安全運行提供有效保障。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領 域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以 做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1、一種T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的裝置，其特徵在於，所述裝置由安裝於所述T型管道的冷熱流體混合區中的多孔介質構成。
2、 如權利要求1所述的T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲 勞的裝置，其特徵在於，所述多孔介質固體骨架的導熱係數大於流體 的導熱係數。
3、 如權利要求1所述的T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲 勞的裝置，其特徵在於，所述多孔介質的材料為金屬或非金屬。
4、 如權利要求1所述的T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲 勞的裝置，其特徵在於，所述多孔介質整體式或堆積式安裝到所述T 型管道中。
5、 如權利要求1所述的T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲 勞的裝置，其特徵在於，所述多孔介質的孔隙率為2%~98%。
6、 如權利要求1至5任一項所述的T型管道冷熱流體混合過程 中降低熱疲勞的裝置，其特徵在於，所述多孔介質為紫銅燒結球。
7、 如權利要求1至5任一項所述的T型管道冷熱流體混合過程 中降低熱疲勞的裝置，其特徵在於，所述冷熱流體混合區以各支管軸 線交點為中心，向各支管軸線延伸距離為其當量半徑的4~12倍。
8、 一種T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的方法，其特 徵在於，所述方法通過在T型管道的冷熱流體混合區中填充多孔介 質，以降低所述T型管道的熱疲勞。全文摘要
本發明公開了一種T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的裝置，所述裝置由安裝於所述T型管道的冷熱流體混合區中的多孔介質構成。本發明還公開了一種T型管道冷熱流體混合過程中降低熱疲勞的方法。本發明通過在T型管道流體混合區中填充多孔介質，約束冷熱流體混合過程中的速度波動和溫度波動，從而削弱冷熱流體對管壁的熱衝擊，有效降低瞬時溫度和時均溫度以及溫度波動幅度，改善瞬時溫度波動的能譜特性，降低T型管道熱疲勞。
文檔編號F16L57/00GK101598258SQ20091008257
公開日2009年12月9日 申請日期2009年4月27日 優先權日2009年4月27日
發明者濤 盧, 姜培學, 張有為, 郭志軍 申請人:清華大學;北京化工大學