本發(fā)明涉及工業(yè)余熱回收利用設(shè)備及方法研究領(lǐng)域，具體涉及一種分體管殼式余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

余熱利用技術(shù)一直處于研究熱點(diǎn)的地位，伴隨著許多先進(jìn)技術(shù)的涌現(xiàn)以及落后技術(shù)的淘汰。近年來(lái)，我國(guó)的政策導(dǎo)向使余熱利用技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用得到快速發(fā)展，一些高耗能工業(yè)的余熱利用具有了成熟的技術(shù)發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)應(yīng)用前景。管殼式余熱鍋爐是回收高溫?zé)煔庥酂岬闹匾O(shè)備，其本質(zhì)是利用高溫?zé)煔庾鳛闊嵩串a(chǎn)生蒸汽的換熱器，產(chǎn)生的蒸汽可作為發(fā)電、供暖以及化工原料等。傳統(tǒng)的管殼式余熱鍋爐采用的是單管殼結(jié)構(gòu)，工質(zhì)受熱相變產(chǎn)生的蒸汽在同一空間分離。在石化行業(yè)中，由于煙氣量較大，煙氣溫度高，考慮到加工成本等因素，其往往采用分體管殼汽水空間結(jié)構(gòu)，基本構(gòu)造為：在下部鍋筒之上再設(shè)計(jì)安裝一個(gè)汽包，鍋筒與汽包分別通過(guò)上升管和下降管相連接。其基本工作原理為：下部鍋筒內(nèi)布置有多根換熱管束，高溫?zé)煔饣蚬に嚉庾砸粋?cè)進(jìn)入并與管子內(nèi)壁對(duì)流換熱，進(jìn)而將鍋筒與管束間的工作介質(zhì)(一般為水)加熱并使之氣化，蒸汽與飽和水在密度差(自然循環(huán))或循環(huán)泵(強(qiáng)制循環(huán))的驅(qū)動(dòng)下向上流動(dòng)，經(jīng)上升管進(jìn)入上部汽包，在汽包內(nèi)蒸汽被分離，未汽化的工質(zhì)則與鍋爐補(bǔ)水一起經(jīng)下降管進(jìn)入下部鍋筒。在管殼式余熱鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中，工質(zhì)受熱并發(fā)生相變，其流動(dòng)屬于復(fù)雜管束結(jié)構(gòu)中兩相流動(dòng)換熱問(wèn)題。分體管殼空間內(nèi)汽液兩相流動(dòng)狀況是影響余熱鍋爐換熱性能與安全性能的決定因素。

對(duì)于分體管殼式余熱鍋爐的研究，主要以實(shí)驗(yàn)研究為主，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽液兩相流體在管束間的流型、含汽率以及管壁附近沸騰及對(duì)流傳熱系數(shù)往往是研究的重點(diǎn)。受制于鍋筒與管束的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對(duì)于管束間汽液兩相流型的研究開(kāi)展較少，即使將鍋筒外壁做成透明結(jié)構(gòu)，也很難在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到管束內(nèi)部汽液兩相流體的流型變化。由于鍋筒外壁為圓筒形狀，透明材料無(wú)法使用可以耐高溫的玻璃材質(zhì)，多采取有機(jī)玻璃制成，而有機(jī)玻璃的變性溫度一般在90℃左右，因而在這種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中無(wú)法將工質(zhì)水直接在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下加熱至沸騰，只能對(duì)鍋筒內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，從而降低工質(zhì)水的飽和溫度，負(fù)壓工況下的實(shí)驗(yàn)，對(duì)壓力的測(cè)量會(huì)帶來(lái)一定的干擾，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量也造成較大誤差。

目前，管束間汽液兩相流體含汽率的測(cè)量多采用γ射線或熱探針的手段，綜合各類文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，γ射線在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅存在輻射等問(wèn)題，而且也不能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。將熱探針?lè)湃肓鲌?chǎng)中監(jiān)測(cè)某一點(diǎn)處在一段時(shí)間內(nèi)的平均含汽率，其原理是利用汽液兩相物質(zhì)不同的介電常數(shù)，但同樣存在弊端，在氣泡上升過(guò)程中，對(duì)于大氣泡的監(jiān)測(cè)較為容易卻不一定能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到流過(guò)的小氣泡，而且對(duì)于后處理過(guò)程中汽液兩相介電常數(shù)臨界值的選取同樣對(duì)結(jié)果影響較大。綜合以上分析，目前在測(cè)量管束間含汽率時(shí)所常用的γ射線與熱探針等手段，在測(cè)量操作的簡(jiǎn)便性、可靠性等方面均存在一定的問(wèn)題。

綜合文獻(xiàn)調(diào)研同樣可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)管殼式換熱器相變換熱方面的實(shí)驗(yàn)研究，均沒(méi)有同時(shí)將管束表面沸騰與對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)量與其當(dāng)?shù)睾实臏y(cè)量相關(guān)聯(lián)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種分體管殼式余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法，該系統(tǒng)能夠?qū)τ诠苁g汽液兩相流型進(jìn)行研究，同時(shí)能夠利用壓差法原理對(duì)管束間的含汽率進(jìn)行測(cè)量以及計(jì)算。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

包括汽包以及軸線水平設(shè)置的鍋筒，汽包位于鍋筒上方；鍋筒通過(guò)上升管和下降管與汽包連通形成回路，且上升管的上端部伸入汽包內(nèi)部；汽包的側(cè)部分別設(shè)置補(bǔ)水管和帶有閥門(mén)的溢流管，汽包頂部設(shè)置蒸汽導(dǎo)出管；鍋筒的一端均勻開(kāi)設(shè)若干列管孔，管孔內(nèi)均安裝有加熱管；加熱管的管束間隙內(nèi)均勻布置有若干列測(cè)壓孔，測(cè)壓孔內(nèi)均安裝有測(cè)壓裝置。

進(jìn)一步地，鍋筒包括管板、耐高溫鋼化玻璃、有機(jī)玻璃、圓環(huán)擋板、兩個(gè)均帶有沉孔的玻璃固定基座以及兩端開(kāi)口的圓筒；其中，管板與圓筒一端焊接，管孔和測(cè)壓孔均開(kāi)設(shè)在管板上；圓筒另一端固定連接一個(gè)玻璃固定基座，該玻璃固定基座的沉孔內(nèi)安裝耐高溫鋼化玻璃，另一個(gè)玻璃固定基座的沉孔內(nèi)安裝有機(jī)玻璃，圓環(huán)擋板設(shè)置在有機(jī)玻璃外側(cè)；兩個(gè)玻璃固定基座的沉孔均向外，玻璃固定基座與圓環(huán)擋板通過(guò)螺栓固定連接。

進(jìn)一步地，測(cè)壓裝置包括一端伸入鍋筒內(nèi)2～3cm的金屬導(dǎo)壓管，金屬導(dǎo)壓管的另一端穿過(guò)測(cè)壓孔且通過(guò)閥門(mén)連接導(dǎo)壓軟管，導(dǎo)壓軟管連接第一壓差變送器，第一壓差變送器通過(guò)導(dǎo)線連接采集板，采集板連接計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，相鄰兩列管孔之間設(shè)置一列測(cè)溫孔或一列測(cè)壓孔，測(cè)溫孔和測(cè)壓孔交錯(cuò)設(shè)置且呈軸對(duì)稱分布；測(cè)溫孔內(nèi)均安裝有測(cè)溫裝置，測(cè)溫裝置包括設(shè)置在加熱管外管壁上的熱電偶感溫頭，熱電偶感溫頭通過(guò)導(dǎo)線連接采集板，采集板連接計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，下降管底部安裝底座，底座上開(kāi)設(shè)有與下降管相連通的螺紋孔，螺紋孔內(nèi)安裝熱電偶。

進(jìn)一步地，蒸汽導(dǎo)出管中安裝一渦街流量計(jì)；下降管分為上部彎管段、中間三通管道以及下部彎管段；中間三通管道的上端口布置第一閥門(mén)且通過(guò)法蘭與上部彎管段相連，下端口布置電磁流量計(jì)且通過(guò)法蘭與下部彎管段相連，第三個(gè)端口布置有第二閥門(mén)且與動(dòng)力泵相連；上升管的中部通過(guò)法蘭連接能夠拆卸更換的直管段，直管段上設(shè)置兩個(gè)取壓孔。

進(jìn)一步地，加熱管為電加熱管，且自下而上，每-排劃分為一個(gè)加熱單元，每個(gè)加熱單元連接一臺(tái)可調(diào)式變壓器。

進(jìn)一步地，補(bǔ)水管的出口低于溢流管的入口。

利用如上所述分體管殼式余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的分體管殼式余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)方法：包括以下步驟：

(a)通過(guò)補(bǔ)水管向汽包內(nèi)注入去離子水，直至水位與溢流管的入口持平時(shí)停止，檢查密封性；

(b)利用加熱管將去離子水加熱至沸騰；

(c)待汽包內(nèi)的飽和水水位降低至溢流管入口以下時(shí)，重新通過(guò)補(bǔ)水管補(bǔ)水，并調(diào)整進(jìn)入汽包內(nèi)的水量，直至水位始終維持在溢流管入口處為止，關(guān)閉溢流管上的閥門(mén)；

(d)此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)測(cè)壓裝置采集系統(tǒng)中的壓差，采集結(jié)束后停止加熱和補(bǔ)水，完成自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)一步地，在步驟(d)中運(yùn)行穩(wěn)定后，測(cè)量加熱管的管壁溫度，結(jié)合加熱管不同排管束間兩壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的壓差值計(jì)算含汽率及管壁處沸騰和對(duì)流換熱系數(shù)h_b&c，其計(jì)算步驟具體包括：

1)將加熱管不同排管束間兩壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的壓差值分解為：

ΔP_m＝ΔP_g+ΔP_mom+ΔP_f (1)

式(1)中P_out為上部壓力測(cè)點(diǎn)所測(cè)壓力值，P_in為下部壓力測(cè)點(diǎn)所測(cè)壓力值，ΔP_g為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的重位壓降，ΔP_mom為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的加速壓降，ΔP_f為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的摩擦壓降；

2)求得該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的重位壓降ΔP_g；

式中，g為重力常數(shù)，L為兩壓力測(cè)點(diǎn)間的距離，ρ_g和ρ_L分別為汽相和液相的密度，x為汽相質(zhì)量含汽率，S為汽相和液相之間的速度滑移比，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算，

P為管束中兩根管子的節(jié)距，D為管子的外徑，Ri和Cap分別為兩系數(shù)，

式中μ_L為液相的動(dòng)力粘度，V_max為汽液兩相在管束中的最大流速，σ為液相的表面張力，G為汽液兩相的質(zhì)量流速；

3)求得該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的加速壓降ΔP_mom；

式中下標(biāo)out和in分別表示下部壓力測(cè)點(diǎn)和上部壓力測(cè)點(diǎn)，α為兩壓力測(cè)點(diǎn)間汽相體積含汽率；

4)求得該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的摩擦壓降ΔP_f；

式中為汽液兩相流摩擦壓降倍增因子，

X_tt為Martinelli參數(shù)，

ΔP_water為兩壓力測(cè)點(diǎn)間全水壓降，ΔP_water＝ΔP_m,water-ρ_LgL；

ΔP_m,water為按照自然循環(huán)流動(dòng)條件下以相同流量向鍋筒內(nèi)注入去離子水時(shí)，測(cè)量得到的兩壓力測(cè)點(diǎn)間的壓差值；

5)汽相體積含汽率α與汽相質(zhì)量含汽率x的關(guān)系如下：

根據(jù)公式(1)～(5)進(jìn)行迭代計(jì)算求解α和x；

6)求得管壁處沸騰和對(duì)流換熱系數(shù)h_b&c；

q＝h_b&cA(T_wall-T_sat)

式中q為熱流密度，由實(shí)驗(yàn)設(shè)定的熱流密度值獲得，A為加熱管的表面積，T_wall為測(cè)量得到的管壁溫度，T_sat為實(shí)驗(yàn)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和水的溫度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置鍋筒、汽包、上升管、下降管、溢流管和蒸汽導(dǎo)出管等部件，構(gòu)成分體管殼式余熱鍋爐自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)；鍋筒管束間隙布置有測(cè)壓孔，形成壓力測(cè)點(diǎn)，能夠采用壓差法對(duì)管束中不同區(qū)域的含汽率進(jìn)行測(cè)量，相比于傳統(tǒng)γ射線和熱探針的方法而言，操作更為安全可靠便捷，可同時(shí)對(duì)管束中多處區(qū)域的含汽率進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；本發(fā)明汽包一側(cè)設(shè)置有補(bǔ)水管，在進(jìn)行熱態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)改變補(bǔ)水的溫度進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入下降管的工質(zhì)水的溫度，方便研究鍋筒在不同過(guò)冷度的鍋爐補(bǔ)水條件下的實(shí)驗(yàn)；本發(fā)明的汽包一側(cè)設(shè)置有溢流管，可以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中汽液兩相的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)在同一液位高度下進(jìn)行，保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。

進(jìn)一步地，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外殼采用金屬及耐高溫鋼化玻璃，可以在常壓及低壓條件下運(yùn)行，相比于傳統(tǒng)有機(jī)玻璃的管殼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以耐受更高的溫度，采用工質(zhì)水作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)時(shí)，不需考慮高溫水致使有機(jī)玻璃變性等問(wèn)題，無(wú)需抽真空處理；同時(shí)能夠更加方便地對(duì)汽液兩相流體在管束中沸騰換熱時(shí)的流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和拍攝，可直觀分辨出管束中汽液兩相流體在不同管束區(qū)域的流型分布情況。

進(jìn)一步地，本發(fā)明根據(jù)對(duì)稱性原理，在管束中一列測(cè)壓孔的對(duì)稱側(cè)布置一列測(cè)溫孔，可對(duì)相同含汽率條件下的管束壁溫進(jìn)行測(cè)量，使得含汽率與壁溫各自獨(dú)立進(jìn)行測(cè)量，互不干擾，可更為準(zhǔn)確地研究含汽率對(duì)當(dāng)?shù)毓苁鴵Q熱的影響。

進(jìn)一步地，本發(fā)明通過(guò)設(shè)置熱電偶能夠測(cè)量實(shí)際進(jìn)入鍋筒的補(bǔ)水溫度；除測(cè)溫外，在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)還可用于排放鍋筒內(nèi)的工質(zhì)水。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的下降管中間設(shè)置為三通管道，正常熱態(tài)自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)下降管上的第一閥門(mén)、關(guān)閉第二閥門(mén)即可；進(jìn)行相同流量的全水壓降測(cè)試時(shí)，只需關(guān)閉下降管上的第一閥門(mén)、打開(kāi)第二閥門(mén)，操作更為簡(jiǎn)便。同時(shí)，本發(fā)明的上升管和下降管均采用分段處理，各連接處均采用法蘭連接，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)管段的拆卸，更換不同長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)管件，便于對(duì)分體管殼式余熱鍋爐在不同長(zhǎng)度上升管條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

進(jìn)一步地，本發(fā)明鍋筒內(nèi)的加熱管管束分區(qū)域進(jìn)行加熱，每2-3排管束作為一個(gè)加熱單元并與一個(gè)可調(diào)式變壓器相連，整個(gè)管束區(qū)域自下而上可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為不同的熱負(fù)荷，更加貼近實(shí)際情況。

進(jìn)一步地，本發(fā)明補(bǔ)水管的位置布置于液位之下，可保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于補(bǔ)水對(duì)液位波動(dòng)的影響。

本發(fā)明還提供了針對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)下部鍋筒管束區(qū)域通過(guò)壓差法測(cè)量計(jì)算管束中含汽率的方法，計(jì)算過(guò)程中對(duì)汽液兩相流體的滑移進(jìn)行了考慮，更貼近實(shí)際情況，使計(jì)算更為準(zhǔn)確，所有計(jì)算公式均可實(shí)現(xiàn)程序化，便于迭代計(jì)算，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的批量計(jì)算。

【附圖說(shuō)明】

圖1為本發(fā)明的主體部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明加熱管附近壓力及溫度測(cè)量示意圖。

圖3為本發(fā)明鍋筒內(nèi)管孔以及測(cè)壓孔和測(cè)溫孔的分布示意圖。

圖4為本發(fā)明鍋筒的側(cè)面剖視圖。

圖中，1-蒸汽導(dǎo)出管；2-渦街流量計(jì)；3-汽包；4-溢流管閥門(mén)；5-溢流管；6-上升管；7-第二壓差變送器；8-鍋筒；9-加熱管；10-測(cè)溫孔；11-測(cè)壓孔；12-熱電偶；13-電磁流量計(jì)；14-動(dòng)力泵；15-第二閥門(mén)；16-第一閥門(mén)；17-下降管；18-補(bǔ)水泵；19-汽水分離封頭；20-補(bǔ)水管；21-采集板；22-熱電偶防水導(dǎo)線；23-熱電偶感溫頭；24-加熱管擋片；25-管板；26金屬導(dǎo)壓管；27-導(dǎo)壓管閥門(mén)；28-導(dǎo)壓軟管；29-第一壓差變送器；30-壓差變送器導(dǎo)線；31-電加熱管導(dǎo)線；32-可調(diào)式變壓器；33-計(jì)算機(jī)；34-螺栓；35-耐高溫鋼化玻璃；36-有機(jī)玻璃；37-玻璃固定基座，38-沉孔。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明包括汽包3以及軸線水平設(shè)置的鍋筒8，汽包3位于鍋筒8上方；鍋筒8頂部通過(guò)上升管6與上部的汽包3相連，汽包3底部設(shè)置有下降管17，下降管17與鍋筒8底部相連，鍋筒8通過(guò)上升管6和下降管17與汽包3連通形成回路。

上升管6的上端部伸入汽包3內(nèi)部且安裝有汽水分離封頭19。上升管6的中部通過(guò)法蘭連接能夠拆卸更換不同長(zhǎng)度的直管段，直管段上一定長(zhǎng)度處設(shè)置兩個(gè)取壓孔，其內(nèi)安裝第二壓差變送器7。

下降管17分為上部彎管段、中間三通管道以及下部彎管段；中間三通管道的上端口布置第一閥門(mén)16且通過(guò)法蘭與上部彎管段相連，下端口布置電磁流量計(jì)13且通過(guò)法蘭與下部彎管段相連，第三個(gè)端口布置有第二閥門(mén)15且與動(dòng)力泵14相連。下降管17下部彎管段底部設(shè)置熱電偶12，用于測(cè)量實(shí)際進(jìn)入鍋筒8的補(bǔ)水溫度；熱電偶12與一底座通過(guò)螺紋連接，該底座與管道外壁密封焊接且其上設(shè)置與下降管17相連通的螺紋孔，熱電偶12除測(cè)溫外，在每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)還可用于排放鍋筒8內(nèi)的工質(zhì)水。

汽包3的側(cè)部分別設(shè)置補(bǔ)水管20和帶有溢流管閥門(mén)4的溢流管5，補(bǔ)水管20的出口低于溢流管5的入口，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)液位之下，補(bǔ)水管20連接補(bǔ)水泵18，溢流管5位置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)液位齊平。汽包3頂部設(shè)置蒸汽導(dǎo)出管1，蒸汽導(dǎo)出管1中安裝一渦街流量計(jì)2。

動(dòng)力泵14與上文所述補(bǔ)水泵18在接入實(shí)驗(yàn)管段之前均設(shè)置有旁路，用于調(diào)節(jié)供水量。

鍋筒8深10-15cm，其一端均勻開(kāi)設(shè)若干列管孔，管孔內(nèi)均安裝有加熱管9，加熱管9上套接加熱管擋片24；加熱管9的管束間隙內(nèi)均勻布置有若干列測(cè)壓孔11和若干列測(cè)溫孔10，測(cè)壓孔11內(nèi)均安裝有測(cè)壓裝置，測(cè)溫孔10內(nèi)均安裝有測(cè)溫裝置。

參見(jiàn)圖2，測(cè)壓裝置包括每個(gè)測(cè)壓孔11均配備有一根的金屬導(dǎo)壓管26，金屬導(dǎo)壓管26一端由測(cè)壓孔11伸入鍋筒8內(nèi)2～3cm，且所有金屬導(dǎo)壓管26的伸入長(zhǎng)度相同，保證金屬導(dǎo)壓管26的入口在同一幾何平面；金屬導(dǎo)壓管26的另一端穿過(guò)測(cè)壓孔11且通過(guò)導(dǎo)壓管閥門(mén)27連接導(dǎo)壓軟管28，導(dǎo)壓軟管28預(yù)留一定長(zhǎng)度，另一端在接入第一壓差變送器29接口之前，需保證一段軟管浸泡于冷水中，其中，每?jī)筛鶎?dǎo)壓軟管28連接在一個(gè)第一壓差變送器29上；第一壓差變送器29連接壓差變送器導(dǎo)線30。

測(cè)溫裝置包括埋焊固定在加熱管9外壁面上的熱電偶感溫頭23，熱電偶感溫頭23的固定點(diǎn)與伸入的鍋筒8內(nèi)的金屬導(dǎo)壓管26出口處上下相同，處于同一幾何平面；熱電偶感溫頭23連接熱電偶防水導(dǎo)線22，熱電偶防水導(dǎo)線22由管板25上的測(cè)溫孔10伸入。

熱電偶導(dǎo)線22以及壓差變送器導(dǎo)線30，均接入采集板21，采集板21連接計(jì)算機(jī)33，用于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量的溫度與壓差信號(hào)值。

參見(jiàn)圖3，相鄰兩列管孔之間設(shè)置一列測(cè)溫孔10或一列測(cè)壓孔11，測(cè)溫孔10和測(cè)壓孔11交錯(cuò)設(shè)置且呈軸對(duì)稱分布，即每列壓力測(cè)孔11與每列測(cè)溫孔10均相間布置，且沿中心線呈對(duì)稱分布，每一列測(cè)溫孔10與另一側(cè)的一列測(cè)壓孔11相對(duì)應(yīng)，與一列測(cè)壓孔11相鄰的為一列測(cè)溫孔10，每一列測(cè)溫孔10均與測(cè)壓孔11布置于同一水平線。測(cè)壓孔11布置于兩列管孔中間，同一列測(cè)壓孔11，上下相鄰兩個(gè)測(cè)孔間的間距相等，如圖3中虛線所示的多列測(cè)孔均為測(cè)壓孔11，兩列測(cè)壓孔11之間的一列測(cè)孔用于測(cè)溫，每列測(cè)壓孔11關(guān)于中間對(duì)稱管束所對(duì)應(yīng)的為一列測(cè)溫孔10，且以上所提及每個(gè)測(cè)孔的直徑相同，均為2-3mm。

參見(jiàn)圖4，鍋筒8包括管板25、耐高溫鋼化玻璃35、有機(jī)玻璃36、圓環(huán)擋板、兩個(gè)均帶有沉孔38的玻璃固定基座37以及兩端開(kāi)口的圓筒；其中，管板25與圓筒一端焊接，管板25用于開(kāi)始管孔固定加熱管9的管束和布置測(cè)溫孔10及測(cè)壓孔11；玻璃固定基座37均是中間掏空；圓筒另一端焊接第一玻璃固定基座，第一玻璃固定基座的沉孔內(nèi)安裝耐高溫鋼化玻璃35，耐高溫鋼化玻璃35與沉孔之間通過(guò)高溫玻璃膠密封；第二玻璃固定基座的沉孔內(nèi)安裝有機(jī)玻璃36，有機(jī)玻璃36外緣與第二玻璃固定基座外緣齊平，圓環(huán)擋板為金屬材質(zhì)且設(shè)置在有機(jī)玻璃36外側(cè)；兩個(gè)玻璃固定基座的沉孔均向外，第二玻璃固定基座與第一玻璃固定基座相同，里端與耐高溫有機(jī)玻璃35壓緊；圓環(huán)擋板內(nèi)徑和外徑分別與兩玻璃固定基座的內(nèi)外徑相同，兩個(gè)玻璃固定基座37與圓環(huán)擋板通過(guò)螺栓34固定連接。里層耐高溫鋼化玻璃35用于密封鍋筒8內(nèi)的工質(zhì)，外層有機(jī)玻璃36用于防護(hù)。

加熱管9為電加熱管，一端通過(guò)螺紋固定于管板25上；且自下而上，每2-3排劃分為一個(gè)加熱單元，每個(gè)加熱單元通過(guò)電加熱管導(dǎo)線31連接一臺(tái)可調(diào)式變壓器32，工需3～4臺(tái)，可調(diào)式變壓器32也連接采集板21。

加熱管9在管板25上可以采用順排或錯(cuò)排布置鉆孔，且左右兩側(cè)管孔沿中間一列管孔呈對(duì)稱分布。

本發(fā)明分體管殼式余熱鍋爐自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

1.打開(kāi)下降管三通管道處的第一閥門(mén)16，關(guān)閉第二閥門(mén)15，打開(kāi)溢流管5上的溢流管閥門(mén)4；

2.打開(kāi)補(bǔ)水泵18，向?qū)嶒?yàn)平臺(tái)內(nèi)注入去離子水，待到水位與汽包3溢流管5入口持平時(shí)便停止注水，并檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)密封性；

3.打開(kāi)計(jì)算機(jī)33以及采集系統(tǒng)，檢查所有溫度和壓力采集通道工作是否正常；

4.調(diào)節(jié)可調(diào)式變壓器32至實(shí)驗(yàn)加熱工況，利用加熱管束將去離子水加熱至沸騰；

5.待汽包3內(nèi)的飽和水水位降低至溢流管5入口以下時(shí)，重新打開(kāi)補(bǔ)水泵18，并通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵18的旁路開(kāi)關(guān)，反復(fù)調(diào)整進(jìn)入汽包3內(nèi)的水量，直至補(bǔ)水量與鍋爐的蒸發(fā)量相當(dāng)，液位始終維持在溢流管5入口處為止，保持加熱功率與補(bǔ)水量不變，待汽包3內(nèi)的液位在溢流管5入口處穩(wěn)定后，關(guān)閉溢流管5上的溢流管閥門(mén)4；

6.維持整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，即可利用計(jì)算機(jī)33和采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的溫度、壓力以及流量數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集，取平均值處理，最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄保存，同時(shí)可通過(guò)下部鍋筒玻璃一側(cè)觀察和記錄汽液兩相在管束中的流動(dòng)情況；

7.待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完畢后，關(guān)閉可調(diào)式變壓器32停止對(duì)鍋爐內(nèi)的去離子水加熱，同時(shí)關(guān)閉補(bǔ)水泵18；完成自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)；

8.關(guān)閉下降管17中的第一閥門(mén)16，打開(kāi)第二閥門(mén)15，打開(kāi)溢流管5上的溢流管閥門(mén)4，打開(kāi)動(dòng)力泵14通過(guò)下降管17向鍋筒8內(nèi)注入去離子水，調(diào)節(jié)動(dòng)力泵14的旁路直至電磁流量計(jì)13顯示的流量示數(shù)與鍋爐自然循環(huán)狀態(tài)下飽和水的流量相同；進(jìn)行相同流量的全水壓降測(cè)試；

9.待動(dòng)力泵14按照自然流動(dòng)條件下的流量向鍋爐內(nèi)注入去離子水穩(wěn)定后，利用計(jì)算機(jī)33和采集系統(tǒng)記錄下此時(shí)各個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的壓差值；

10.重復(fù)步驟4～9即可進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)工況，待所有實(shí)驗(yàn)工況結(jié)束后將計(jì)算機(jī)和采集系統(tǒng)采集到的所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及通過(guò)玻璃一側(cè)拍攝的有關(guān)氣液兩相流體在管束中流動(dòng)的有關(guān)視頻和照片保存及備份；通過(guò)卸下下降管17底部的熱電偶12，由該處將鍋爐內(nèi)的去離子全部排出，關(guān)閉所有設(shè)備，切斷電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

本發(fā)明分體管殼式余熱鍋爐自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用壓差法處理管束間含汽率以及該位置處換熱管壁面沸騰和對(duì)流換熱系數(shù)所涉及的計(jì)算方法如下

1.不同排管束間測(cè)量得到的壓差值可以分解為

ΔP_m＝P_out-P_in (1)

ΔP_m＝ΔP_g+ΔP_mom+ΔP_f (2)

式中ΔP_m為不同排管束間兩壓力測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的壓差值，P_out為上部壓力測(cè)點(diǎn)所測(cè)壓力值，P_in為下部壓力測(cè)點(diǎn)所測(cè)壓力值，ΔP_g為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的重位壓降，ΔP_mom為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的加速壓降，ΔP_f為該兩壓力測(cè)點(diǎn)間的摩擦壓降；

2.重位壓降ΔP_g計(jì)算方法如下，

式中，g為重力常數(shù)，L為兩壓力測(cè)點(diǎn)間的距離，ρ_g和ρ_L分別為汽相和液相的密度，x為汽相質(zhì)量含汽率，S為汽相和液相之間的速度滑移比，可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算，

P為管束中兩根管子的節(jié)距，D為管子的外徑，Ri和Cap分別為兩系數(shù)，

式中μ_L為液相的動(dòng)力粘度，V_max為汽液兩相在管束中的最大流速，σ為液相的表面張力，G為汽液兩相的質(zhì)量流速。

3.加速壓降ΔP_mom的計(jì)算方法如下

式中下標(biāo)out和in分別表示下部壓力測(cè)點(diǎn)和上部壓力測(cè)點(diǎn)，α為兩壓力測(cè)點(diǎn)間汽相的體積含汽率，其與質(zhì)量含汽率x的關(guān)系如下，

4.摩擦壓降ΔP_f的計(jì)算方法如下

式中為汽液兩相流摩擦壓降倍增因子，

X_tt為Martinelli參數(shù)

ΔP_water為兩壓力測(cè)點(diǎn)間全水壓降，其值可由下式得到

ΔP_water＝ΔP_m,water-ρ_LgL (12)

ΔP_m,water為動(dòng)力泵按照自然循環(huán)流動(dòng)條件下以相同流量向鍋筒內(nèi)注入去離子水時(shí)，測(cè)量得到的兩壓力測(cè)點(diǎn)間的壓差值。

以上所有計(jì)算公式只有參數(shù)體積含汽率α未知，根據(jù)所測(cè)量得到的兩壓力測(cè)點(diǎn)間汽液兩相間的壓降值ΔP_m和相同流量下全水流動(dòng)時(shí)的壓降值ΔP_m,water；通過(guò)公式(2)、(3)、(7)、(8)和(9)，即可對(duì)體積含汽率α進(jìn)行迭代計(jì)算求解；

5.管壁處沸騰和對(duì)流換熱系數(shù)h_b&c的計(jì)算方法為

q＝h_b&cA(T_wall-T_sat) (13)

式中q為熱流密度，由實(shí)驗(yàn)設(shè)定的熱流密度值獲得，A為加熱管的表面積，T_wall為測(cè)量得到的管壁溫度，T_sat為實(shí)驗(yàn)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和水的溫度。

本發(fā)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)不僅操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)占地面積較小，而且可以對(duì)鍋筒內(nèi)部管束間的汽液兩相流動(dòng)流型進(jìn)行直觀清晰地觀測(cè)以及方便取像。

本發(fā)明利用壓差法原理對(duì)管束間的含汽率進(jìn)行測(cè)量以及計(jì)算，同時(shí)利用鍋筒內(nèi)管束的對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，可以將管束壁面沸騰以及對(duì)流傳熱系數(shù)與所測(cè)量出的當(dāng)?shù)睾氏嘟Y(jié)合，方便研究含汽率對(duì)管束壁面沸騰以及對(duì)流傳熱系數(shù)的影響。

同時(shí)，通過(guò)本發(fā)明所提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，還可以更加方便地實(shí)現(xiàn)某一工況條件下，與汽液兩相流體所對(duì)應(yīng)的相同流量下全水壓降的測(cè)量。本發(fā)明的汽包3一側(cè)設(shè)置有溢流管5，可以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中汽液兩相的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)與相同流量下的全水實(shí)驗(yàn)均在同一液位高度下進(jìn)行。

本發(fā)明分體管殼式余熱鍋爐自然循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)中，可以在補(bǔ)水泵18泵入的水進(jìn)行預(yù)熱和測(cè)溫，本發(fā)明可對(duì)鍋筒8的補(bǔ)水溫度、補(bǔ)水量、蒸汽產(chǎn)量等進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合管束的供熱負(fù)荷便可對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體熱量平衡進(jìn)行校核和修正，同時(shí)可以確定整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱系數(shù)。

本發(fā)明能夠?qū)Ψ煮w管殼式余熱鍋爐管束間流型、含汽率以及沸騰和對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量及計(jì)算。