一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法技术方案

本发明专利技术涉及一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法，包括汽包以及轴线水平设置的锅筒，汽包位于锅筒上方；锅筒通过上升管和下降管与汽包连通形成回路，且上升管的上端部伸入汽包内部；汽包的侧部分别设置补水管和带有阀门的溢流管，汽包顶部设置蒸汽导出管；锅筒的一端均匀开设若干列管孔，管孔内均安装有加热管；加热管的管束间隙内均匀布置有若干列测压孔，测压孔内均安装有测压装置。本发明专利技术通过设置锅筒、汽包、上升管、下降管、溢流管和蒸汽导出管等部件，构成分体管壳式余热锅炉自然循环实验系统平台；锅筒管束间隙布置有测压孔，形成压力测点，能够采用压差法对管束中不同区域的含汽率进行同时测量，操作便捷，可靠性高。

Split tube shell type waste heat boiler experimental system and experimental method

The invention relates to a split tubular waste heat boiler test system and test method, including the drum and the drum axis is arranged horizontally, the drum is positioned above the drum; drum up pipe and drum and connected to form a loop through the down pipe, and the upper end of the tube into the drum up the internal side of the drum respectively; set the water pipe and an overflow pipe with valve, drum is arranged on the top of the steam outlet pipe; one end of the drum is provided with a plurality of uniform tube hole, pipe holes is provided with a heating pipe; the heating pipe bundle gap are evenly distributed in a plurality of rows of hole, pressure measuring holes is provided with a pressure measuring device. By setting the drum, the drum, the ascending pipe and the descending pipe, an overflow pipe and a steam outlet pipe, a split tubular waste heat boiler natural circulation system experimental platform; the drum gap is arranged bundle hole, forming pressure, can the pressure difference method of steam rate were measured at the same time, operation convenient containing different regions of the tube in the beam, high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法
本专利技术涉及工业余热回收利用设备及方法研究领域，具体涉及一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法。
技术介绍
余热利用技术一直处于研究热点的地位，伴随着许多先进技术的涌现以及落后技术的淘汰。近年来，我国的政策导向使余热利用技术在工业中的应用得到快速发展，一些高耗能工业的余热利用具有了成熟的技术发展潜力和市场应用前景。管壳式余热锅炉是回收高温烟气余热的重要设备，其本质是利用高温烟气作为热源产生蒸汽的换热器，产生的蒸汽可作为发电、供暖以及化工原料等。传统的管壳式余热锅炉采用的是单管壳结构，工质受热相变产生的蒸汽在同一空间分离。在石化行业中，由于烟气量较大，烟气温度高，考虑到加工成本等因素，其往往采用分体管壳汽水空间结构，基本构造为：在下部锅筒之上再设计安装一个汽包，锅筒与汽包分别通过上升管和下降管相连接。其基本工作原理为：下部锅筒内布置有多根换热管束，高温烟气或工艺气自一侧进入并与管子内壁对流换热，进而将锅筒与管束间的工作介质(一般为水)加热并使之气化，蒸汽与饱和水在密度差(自然循环)或循环泵(强制循环)的驱动下向上流动，经上升管进入上部汽包，在汽包内蒸汽被分离，未汽化的工质则与锅炉补水一起经下降管进入下部锅筒。在管壳式余热锅炉的运行过程中，工质受热并发生相变，其流动属于复杂管束结构中两相流动换热问题。分体管壳空间内汽液两相流动状况是影响余热锅炉换热性能与安全性能的决定因素。对于分体管壳式余热锅炉的研究，主要以实验研究为主，在实验设计过程中，汽液两相流体在管束间的流型、含汽率以及管壁附近沸腾及对流传热系数往往是研究的重点。受制于锅筒与管束的复杂结构，对于管束间汽液两相流型的研究开展较少，即使将锅筒外壁做成透明结构，也很难在实验过程中观察到管束内部汽液两相流体的流型变化。由于锅筒外壁为圆筒形状，透明材料无法使用可以耐高温的玻璃材质，多采取有机玻璃制成，而有机玻璃的变性温度一般在90℃左右，因而在这种实验平台中无法将工质水直接在标准大气压下加热至沸腾，只能对锅筒内部进行抽真空处理，从而降低工质水的饱和温度，负压工况下的实验，对压力的测量会带来一定的干扰，同时对实验测量也造成较大误差。目前，管束间汽液两相流体含汽率的测量多采用γ射线或热探针的手段，综合各类文献可以发现，γ射线在实验过程中不仅存在辐射等问题，而且也不能保证测量的准确性。将热探针放入流场中监测某一点处在一段时间内的平均含汽率，其原理是利用汽液两相物质不同的介电常数，但同样存在弊端，在气泡上升过程中，对于大气泡的监测较为容易却不一定能准确监测到流过的小气泡，而且对于后处理过程中汽液两相介电常数临界值的选取同样对结果影响较大。综合以上分析，目前在测量管束间含汽率时所常用的γ射线与热探针等手段，在测量操作的简便性、可靠性等方面均存在一定的问题。综合文献调研同样可以发现，有关管壳式换热器相变换热方面的实验研究，均没有同时将管束表面沸腾与对流换热系数的测量与其当地含汽率的测量相关联。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法，该系统能够对于管束间汽液两相流型进行研究，同时能够利用压差法原理对管束间的含汽率进行测量以及计算。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括汽包以及轴线水平设置的锅筒，汽包位于锅筒上方；锅筒通过上升管和下降管与汽包连通形成回路，且上升管的上端部伸入汽包内部；汽包的侧部分别设置补水管和带有阀门的溢流管，汽包顶部设置蒸汽导出管；锅筒的一端均匀开设若干列管孔，管孔内均安装有加热管；加热管的管束间隙内均匀布置有若干列测压孔，测压孔内均安装有测压装置。进一步地，锅筒包括管板、耐高温钢化玻璃、有机玻璃、圆环挡板、两个均带有沉孔的玻璃固定基座以及两端开口的圆筒；其中，管板与圆筒一端焊接，管孔和测压孔均开设在管板上；圆筒另一端固定连接一个玻璃固定基座，该玻璃固定基座的沉孔内安装耐高温钢化玻璃，另一个玻璃固定基座的沉孔内安装有机玻璃，圆环挡板设置在有机玻璃外侧；两个玻璃固定基座的沉孔均向外，玻璃固定基座与圆环挡板通过螺栓固定连接。进一步地，测压装置包括一端伸入锅筒内2～3cm的金属导压管，金属导压管的另一端穿过测压孔且通过阀门连接导压软管，导压软管连接第一压差变送器，第一压差变送器通过导线连接采集板，采集板连接计算机。进一步地，相邻两列管孔之间设置一列测温孔或一列测压孔，测温孔和测压孔交错设置且呈轴对称分布；测温孔内均安装有测温装置，测温装置包括设置在加热管外管壁上的热电偶感温头，热电偶感温头通过导线连接采集板，采集板连接计算机。进一步地，下降管底部安装底座，底座上开设有与下降管相连通的螺纹孔，螺纹孔内安装热电偶。进一步地，蒸汽导出管中安装一涡街流量计；下降管分为上部弯管段、中间三通管道以及下部弯管段；中间三通管道的上端口布置第一阀门且通过法兰与上部弯管段相连，下端口布置电磁流量计且通过法兰与下部弯管段相连，第三个端口布置有第二阀门且与动力泵相连；上升管的中部通过法兰连接能够拆卸更换的直管段，直管段上设置两个取压孔。进一步地，加热管为电加热管，且自下而上，每-排划分为一个加热单元，每个加热单元连接一台可调式变压器。进一步地，补水管的出口低于溢流管的入口。利用如上所述分体管壳式余热锅炉实验系统进行的分体管壳式余热锅炉实验方法：包括以下步骤：(a)通过补水管向汽包内注入去离子水，直至水位与溢流管的入口持平时停止，检查密封性；(b)利用加热管将去离子水加热至沸腾；(c)待汽包内的饱和水水位降低至溢流管入口以下时，重新通过补水管补水，并调整进入汽包内的水量，直至水位始终维持在溢流管入口处为止，关闭溢流管上的阀门；(d)此时系统运行稳定，通过测压装置采集系统中的压差，采集结束后停止加热和补水，完成自然循环实验。进一步地，在步骤(d)中运行稳定后，测量加热管的管壁温度，结合加热管不同排管束间两压力测点测量得到的压差值计算含汽率及管壁处沸腾和对流换热系数hb&c，其计算步骤具体包括：1)将加热管不同排管束间两压力测点测量得到的压差值分解为：ΔPm＝ΔPg+ΔPmom+ΔPf(1)式(1)中Pout为上部压力测点所测压力值，Pin为下部压力测点所测压力值，ΔPg为该两压力测点间的重位压降，ΔPmom为该两压力测点间的加速压降，ΔPf为该两压力测点间的摩擦压降；2)求得该两压力测点间的重位压降ΔPg；式中，g为重力常数，L为两压力测点间的距离，ρg和ρL分别为汽相和液相的密度，x为汽相质量含汽率，S为汽相和液相之间的速度滑移比，可通过下式进行计算，P为管束中两根管子的节距，D为管子的外径，Ri和Cap分别为两系数，式中μL为液相的动力粘度，Vmax为汽液两相在管束中的最大流速，σ为液相的表面张力，G为汽液两相的质量流速；3)求得该两压力测点间的加速压降ΔPmom；式中下标out和in分别表示下部压力测点和上部压力测点，α为两压力测点间汽相体积含汽率；4)求得该两压力测点间的摩擦压降ΔPf；式中为汽液两相流摩擦压降倍增因子，Xtt为Martinelli参数，ΔPwater为两压力测点间全水压降，ΔPwater＝ΔPm,water-ρLgL；Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：包括汽包(3)以及轴线水平设置的锅筒(8)，汽包(3)位于锅筒(8)上方；锅筒(8)通过上升管(6)和下降管(17)与汽包(3)连通形成回路，且上升管(6)的上端部伸入汽包(3)内部；汽包(3)的侧部分别设置补水管(20)和带有阀门的溢流管(5)，汽包(3)顶部设置蒸汽导出管(1)；锅筒(8)的一端均匀开设若干列管孔，管孔内均安装有加热管(9)；加热管(9)的管束间隙内均匀布置有若干列测压孔(11)，测压孔(11)内均安装有测压装置。

【技术特征摘要】
1.一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：包括汽包(3)以及轴线水平设置的锅筒(8)，汽包(3)位于锅筒(8)上方；锅筒(8)通过上升管(6)和下降管(17)与汽包(3)连通形成回路，且上升管(6)的上端部伸入汽包(3)内部；汽包(3)的侧部分别设置补水管(20)和带有阀门的溢流管(5)，汽包(3)顶部设置蒸汽导出管(1)；锅筒(8)的一端均匀开设若干列管孔，管孔内均安装有加热管(9)；加热管(9)的管束间隙内均匀布置有若干列测压孔(11)，测压孔(11)内均安装有测压装置。2.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：锅筒(8)包括管板(25)、耐高温钢化玻璃(35)、有机玻璃(36)、圆环挡板、两个均带有沉孔的玻璃固定基座以及两端开口的圆筒；其中，管板(25)与圆筒一端焊接，管孔和测压孔(11)均开设在管板(25)上；圆筒另一端固定连接一个玻璃固定基座，该玻璃固定基座的沉孔内安装耐高温钢化玻璃(35)，另一个玻璃固定基座的沉孔内安装有机玻璃(36)，圆环挡板设置在有机玻璃(36)外侧；两个玻璃固定基座的沉孔均向外，玻璃固定基座与圆环挡板通过螺栓(34)固定连接。3.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：测压装置包括一端伸入锅筒(8)内2～3cm的金属导压管(26)，金属导压管(26)的另一端穿过测压孔(11)且通过阀门连接导压软管(28)，导压软管(28)连接第一压差变送器(29)，第一压差变送器(29)通过导线连接采集板(21)，采集板(21)连接计算机(33)。4.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：相邻两列管孔之间设置一列测温孔(10)或一列测压孔(11)，测温孔(10)和测压孔(11)交错设置且呈轴对称分布；测温孔(10)内均安装有测温装置，测温装置包括设置在加热管(9)外管壁上的热电偶感温头(23)，热电偶感温头(23)通过导线连接采集板(21)，采集板(21)连接计算机(33)。5.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：下降管(17)底部安装底座，底座上开设有与下降管(17)相连通的螺纹孔，螺纹孔内安装热电偶(12)。6.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：蒸汽导出管(1)中安装一涡街流量计(2)；下降管(17)分为上部弯管段、中间三通管道以及下部弯管段；中间三通管道的上端口布置第一阀门(16)且通过法兰与上部弯管段相连，下端口布置电磁流量计(13)且通过法兰与下部弯管段相连，第三个端口布置有第二阀门(15)且与动力泵(14)相连；上升管(6)的中部通过法兰连接能够拆卸更换的直管段，直管段上设置两个取压孔。7.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：加热管(9)为电加热管，且自下而上，每2-3排划分为一个加热单元，每个加热单元连接一台可调式变压器(32)。8.根据权利要求1所述的一种分体管壳式余热锅炉实验系统，其特征在于：补水管(20)的出口低于溢流管(5)的入口。9.利用权利要求1所述分体管壳式余热锅炉实验系统进行的分体管壳式余热锅炉实验方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)通过补水管(20)向汽包(3)内注入去离子水，直至水位与溢流管(5)的入口持平时停止，检查密封性；(b)利用加热管(9)将去离子水加热至沸腾；(c)待汽包(3)内的饱和水水位降低至溢流管(5)入口以下时，重新通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵怀爽，梁志远，王云刚，赵钦新，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61