[发明专利]管壳式蒸汽发生器汽液两相流模拟系统及模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于烟气余热利用设备及方法技术领域，具体涉及一种管壳式蒸汽发生器汽液两相流模拟系统及模拟方法。

背景技术

管壳式蒸汽发生器作为余热回收的重要技术手段，在世界范围内均得到广泛运用。例如：冶金炉、加热炉、工业窑炉、燃料气化装置等，都有大量余热利用需求，而管壳式蒸汽发生器却发挥极其巨大作用。但是，由于余热蒸汽锅炉管程高温烟气温度高，流量大，高温气体直接冲刷换热管与管板焊缝，易导致换热管束与管板连接接头出现高温氧化和开裂泄漏，从而降低其使用寿命。究其根本，换热管束与管板连接接头部位的物理、化学、力学环境等外因通过材料、结构和工艺等内因的协同作用是导致其开裂泄漏的关键原因。而由于对余热设备壳侧汽液两相流的研究不透彻而导致的设计不合理，所诱发的换热管外汽水混合物流动不畅，汽泡滞留于管壁和换热管与管板的连接处的现象，引起了换热管束的传热恶化，从而提高了换热管束与管板连接处的热负荷，加剧了其环境的恶劣程度，更增加了出现裂纹和高温腐蚀的可能性，最终缩短余热设备的使用寿命。

由于管壳式蒸汽发生器复杂的两相特征，气液两相流动状态同时冲刷密排换热管组；同时，气液两相流动时相互转变状态。常规的气液两相管流机理主要借助于物理模拟及数值模拟的方法。

对于管壳式蒸汽发生器复杂的轨迹特征及相变特征，目前相关行业常用的管流数值模拟软件无法实现准确模拟，只有借助于物理模拟手段。

文献调研结果表明，目前大量关于气液两相流物理模拟均采用不透明或常压冷态试验装置，无法真实模拟和准确测量类似于管壳式蒸汽发生器复杂的气液两相管流特征。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种管壳式蒸汽发生器汽液两相流模拟系统，不仅操作方便，而且具有管壳式蒸汽发生器复杂的轨迹特征及相变特征，为研究管壳式蒸汽发生器汽液两相流机理提供了便利。

本发明的另一目的在于提供利用管壳式蒸汽发生器汽液两相流模拟系统模拟管壳式蒸汽发生器汽液两相流的方法，能准确认识不同热流密度梯度、压力条件和设备结构下的汽液两相流特征，为实际设备的设计和生产提供重要指导性意见。

本发明所采用的技术方案是：

管壳式蒸汽发生器汽液两相流模拟系统，包括有开环风路系统和闭环水路系统；开环风路系统，包括有通过风道依次连接的变频风机、流量计、电加热箱、模拟装置内的蒸发器及尾气处理设备，变频风机连接于风道的一端，尾气处理设备连接于风道的另一端；闭环水路系统，由高温循环机、模拟装置内的冷凝器、热电偶及冷却装置通过循环水管按水流方向依次连接构成闭合回路。

本发明的特点还在于：

所述电加热箱外接有温度控制柜；尾气处理设备内设置有测温元件；高温循环机为加热器和水泵的一体化设备。

所述测温元件为热电偶或热电阻。

所述模拟装置包括冷凝器和平行设置于冷凝器下方的蒸发器，冷凝器和蒸发器之间由上升管组和下降管组密闭相连。

所述冷凝器包括透明冷凝器壳体，透明冷凝器壳体为水平设置的圆柱体，所述透明冷凝器壳体左、右相对的两端面内侧均内嵌密封有小管板，透明冷凝器壳体内水平设置冷凝管束，冷凝管束的两端分别焊接于两侧的小管板上，小管板上覆盖冷凝管束端部的位置处焊接有集水器，一侧的小管板上还分别焊接有气口和进水接口；

所述蒸发器包括透明蒸发器壳体，透明蒸发器壳体为水平设置的圆柱体，透明蒸发器壳体左、右相对的两端面内侧分别内嵌密封有大管板，透明蒸发器壳体内水平设置有蒸发管束，蒸发管束的两端分别与两侧的大管板焊接，透明蒸发器壳体一端的大管板上覆盖蒸发管束端部的位置处焊接有进口法兰件，透明蒸发器壳体另一端的大管板上覆盖蒸发管束端部的位置处焊接有出口法兰件，蒸发管束下方对应的透明蒸发器壳体上设置有压力测口1#组；

所述压力测口1#组由多个口径相同的1#压力测口组成，沿出口法兰件到进口法兰件的方向，相邻两个1#压力测口之间的距离依次减小。

所述冷凝管束由9根光管或9根波节管组成。

所述上升管组由多根管径不同、高度相同的管道组成，管道按烟气方向依次排列且管道的管径依次减小，相邻两管道之间的距离依次增大；

所述上升管组的上端均以插入式胶接于所述透明冷凝器壳体下端，且胶接处一侧均设置有3#压力测口；多个3#压力测口组成压力测口3#组，上升管组的下端均与所述透明蒸发器壳体上端的内壁齐平胶接，且胶接处一侧均设置有2#压力测口，多个2#压力测口组成压力测口2#组；