CN103630327B - 用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置，由主循环系统和辅助循环系统构成,主循环系统包括第一水箱，通过并联的两个柱塞泵与脉冲阻尼器相连，同时还串接两个逆流式回热器，第二个逆流式回热器的冷流体出口连接预热器，通过螺旋管加热器分别连接流化床A试验段和B试验段，流化床A试验段、B试验段分别连接两个逆流式回热器的热流体进口，该两个热流体出口分别依次通过逆流冷却器、过滤器、流量调节阀、质量流量计后与背压阀相连；A试验段和B试验段的出、入口设有控温热电偶，段内均设有压差传感器和测温热电偶；辅助循环系统包括第二水箱，通过一个循环冷却水泵串接两个逆流冷却器后，通过冷却塔回流至第二水箱。

Description

用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置

技术领域

本发明涉及一种多相流技术,特别涉及一种超临界水流化床的测试装置。

背景技术

超临界水流化床反应器是一种用于生物质气化制氢的新型反应器，2003年，Mastsumura首次提出将超临界水流化床应用于生物质气化制氢的概念,该反应器融合超临界水气化和流化床的双重优势：1)超临界水具有高溶解性、高扩散性、高活性等独特物理化学性质而作为溶剂或反应介质直接处理高含湿量生物质，无需干燥过程；2)流化床中颗粒容易搭载催化剂颗粒,强化传热传质,延长生物质的停留时间，使化学反应充分进行。2006年西安交通大学多相流国家重点实验室在前人基础上创新设计并成功研制出一套生物质超临界水流化床部分氧化制氢装置(可参见专利文献ZL 200710017691.6)，实现了高浓度生物质的高效气化且未出现反应器结渣堵塞现象，验证了流化床反应器在生物质超临界水气化制氢技术中的应用前景。

由于超临界水流化床采用超临界水为流化介质，传统的气固、液固流化床内两相流动理论及流化床的设计运行理论都受到了极大的挑战，而传统流化床设计的超临界水流化床在使用过程中，也暴露出了流化不完全、产物分布不均匀、床料时有溢出等问题。这些问题的存在都是因为当前对超临界水流化床的床层阻力特性、床层膨胀特性、颗粒分布特性、气泡产生及运动特性、床层与壁面传热特性、床内颗粒和流体传热特性等一些系列复杂的多相流问题知之甚少，缺乏超临界流化床的设计和运行的基本理论。对于流化床来说，表观流速、床层压降、床内空隙率、传热系数是流化床内多相流动及传热的重要参数，获得它们之间的互相关系是表征流化床内流动传热规律的最有效手段，目前，超临界水流化床测试系统存在的主要难点有：

1、压降信号是获得反应超临界水流化床内床层压降、床内空隙率的基础。然而在高温高压变物性的颗粒-流体系统中，压降的测量往往受到取压管内物性波动、颗粒流入取压管、取压管布置方式的影响，如何有效布置取压管实现压降的精确测量是非常关键的问题；

2、在超临界水流化床流动及传热特性的测量中，获得压降、温度等物理量随流量变化的规律是非常重要的，然而在高温高压系统中，流量的改变往往会导致系统中热量不平衡，进而引起温度波动，在保证温度稳定的条件下，实现进入试验段的流量线性升高或降低是超临界水流化床测量系统的难点；

3、超临界水流化床工作在高温高压环境中，在阻力特性的测量过程中，需要保证系统压力和试验段内流体温度稳定，否则就会引发床内流体物性的波动影响测量结果，如何保证试验段入口温度和系统压力的稳定是实现流化床各参数准确测量的基础，也是搭建超临界水流化床测试系统的又一难点。

发明内容

根据超临界水流化床测试系统存在的技术难点，本发明的目的是提供一种可研究超临界水流化床内两相流动及传热的实验装置。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种超临界水流化床内两相流动及传热特性测试装置，由主循环系统和辅助循环系统构成,其特征在于，所述主循环系统包括第一水箱，该第一水箱通过并联的两个柱塞泵与一个脉冲阻尼器的出口端相连，该脉冲阻尼器的出口端同时还连接第一逆流式回热器的冷流体入口，该第一逆流式回热器的冷流体出口与第二逆流式回热器的冷流体入口相联，该第二逆流式回热器的冷流体出口连接一预热器的入口，该预热器的出口连接一螺旋管加热器的入口，该螺旋管加热器的出口分为两路，分别连接流化床A试验段和B试验段的底端，流化床A试验段顶端连接第二逆流式回热器的热流体进口，流化床B试验段的顶端连接第一逆流式回热器的热流体进口，第一逆流式回热器的热流体出口连接第一逆流冷却器的热流体入口；第二逆流式回热器的热流体出口连接第二逆流冷却器的热流体入口，第一逆流冷却器和第二逆流冷却器的热流体出口均依次通过一个过滤器、一个流量调节阀、一个质量流量计后与一个连接第一水箱的背压阀相连；所述流化床A试验段和B试验段的出、入口设有控温热电偶，所述流化床A试验段和B试验段的段内均设有压差传感器和测温热电偶；

所述辅助循环系统包括第二水箱，该第二水箱的出口通过一个循环冷却水泵连接第一逆流冷却器的冷流体入口，该第一逆流冷却器的冷流体的出口与第二逆流冷却器的冷流体入口串联，第二逆流冷却器的冷流体出口通过一个开式冷却塔回流至第二水箱。

上述方案中，所述流化床A试验段或B试验段，竖直放置，外层包覆有保温棉，流化颗粒为石英砂，两端采用垫片法兰密封。

所述压差传感器至少有两个，布置在试验段垂直方向且高于每个测点的位置，并通过公用的取压管连接。

所述测温热电偶为多个在试验段内垂直方向布置的K型热电偶。

所述螺旋管加热器，由履带式电加热器加热，并由可控硅控制从而实现热量补充和温度控制。

本发明的优点在于解决了背景技术所述的高温高压变物性多相流动学试验系统结构和测量的难点:

1、系统内温度和压力的有效控制。采用回热器、预热器和螺旋管加热器三种不同加热方式实现流体快速升温至超临界状态，其中回热器的设置可以使热量得以回收，减小预热器的加热面积和功率，回热器布置在预热器前，螺旋管加热器是通过履带式电加热器自行设计的加热器，通过可控硅可以实现温度的自动控制，当预热器出口温度低于额定工作温度的时候，它可以补充热量，同时稳定出口温度。通过设置保温层和温度监测的方法保证流化床内流体温度变化小于1℃。系统的压力来自高压柱塞泵，在泵的出口设置脉冲阻尼器，可以实现压力缓冲，另外在系统中设置背压阀来控制系统中压力，通过这些方法可以使系统压力的稳定性得以保证。

2、试验段入口流量和温度的控制。采用高低流量匹配的双柱塞泵输水,可以有效控制总流量范围；采用A试验段和B试验段双试验段的设计可以在总流量不变的条件下通过调节冷却器出口的Ⅰ号流量调节阀或者Ⅱ号流量调节阀来调节两个试验段内水的流量，从而实现两个试验段内的流量线性升高或者降低，两个试验段的流量可以通过布置在调节阀门之后的两个质量流量计来测量。由于流量分配发生在螺旋管加热器之后，因此在加热系统中，流体的总流量是稳定的，在流体升温过程中采用预热器和螺旋管加热器两级温度控制器，预热器粗调后，再经螺旋管加热器微调，控制进入流化床的流体温度恒定。而A试验段和B试验段分别采用不同的内径，这样在实验过程中可以同时进行压降随流量升高或者降低的实验，提高测量的效率。

3、试验段内压降、压力测量。采用独特的压差传感器布置方式以保证取压管内流体物性稳定，具体为将传感器布置在流化床出口水平高度，使取压管完全暴露在空气中得以冷却，取压管与试验段连接的水平段要向下倾斜10°左右；为了保证测点之间压差在压差传感器的测量范围之内，为压差传感器13和14设置通过公用的取压管，并经由高压阀门连接到流化床测点，这样的设计对确定床层膨胀高度也是非常必要的。

附图说明

图1是本发明超临界水流化床两相流动及传热特性测试装置的连接示意图，

图2是图1流化床A试验段的结构和测点布置方式(B试验段压力测量方式与其相同)。

具体实施方式

如图1所示，本发明超临界水流化床两相流动及传热特性测试装置由主循环系统和辅助循环系统构成，主循环系统包括Ⅰ号水箱1、第一柱塞泵2(高压)和第二柱塞泵3(高压)、脉冲阻尼器4、压力传感器5、Ⅰ号逆流式回热器6、Ⅱ号逆流式回热器7、预热器8、螺旋管加热器9、流化床A试验段10、压差传感器11-14、铠装热电偶15-16，流化床B试验段17、Ⅰ号逆流冷却器18(套管式)、Ⅱ号逆流冷却器19(套管式)、Ⅰ号过滤器20、Ⅱ号过滤器21、Ⅰ号流量调节阀22、Ⅱ号流量调节阀23、Ⅰ号质量流量计24、Ⅱ号质量流量计25、背压阀26；辅助循环系统包括Ⅱ号水箱27、Ⅲ号过滤器28、循环冷却水泵29和开式冷却塔30。

图1装置中，第一柱塞泵2和第二柱塞泵3出口连接脉冲阻尼器4，脉冲阻尼器4的出口端连接Ⅰ号逆流式回热器6入口，Ⅱ号逆流式回热器7冷流体入口与Ⅰ号逆流式回热器6的冷流体出口串联，然后Ⅱ号逆流式回热器7冷流体出口连接预热器8；预热器出口连接螺旋管加热器9，螺旋管加热器出口分为两路，一路连接流化床A试验段10的底端，另一路连接B试验段17；流化床A试验段顶端连接Ⅱ号逆流式回热器热流体进口，B试验段出口连接Ⅰ号逆流式回热器的热流体进口，Ⅰ号逆流式回热器的热流体出口和Ⅱ号逆流式回热器热流体出口分别连接Ⅰ号逆流冷却器18热流体入口和Ⅱ号逆流冷却器19热流体入口；Ⅰ号逆流冷却器出口和Ⅱ号逆流冷却器出口分别依次连接Ⅰ号过滤器20和Ⅱ号过滤器21，Ⅰ号流量调节阀22和Ⅱ号流量调节阀23、Ⅰ号质量流量计24和Ⅱ号质量流量计25；Ⅰ号质量流量计和Ⅱ号质量流量计出口一同连接背压阀26。

辅助循环系统包括第二水箱27、Ⅲ号过滤器28、循环冷却水泵29和开式冷却塔30，循环水泵出口依次连接Ⅱ号逆流冷却器19冷流体入口和Ⅰ号逆流冷却器18冷流体入口，Ⅰ号逆流冷却器18冷流体出口连接开式冷却塔20入口。

本发明装置的工作原理如下：Ⅰ号水箱1中的去离子水由第一高压柱塞泵2或第二高压柱塞泵3输送经过阻尼缓冲器4后进入系统,然后依次经过Ⅰ号回热器6和Ⅱ号回热器7，然后经过预热器8和螺旋管加热器9达到测试工作温度，接着分流进入流化床A试验段10和B试验段17，从A试验段出来的高温水进入Ⅱ号回热器7，B试验段流出的高温水进入Ⅰ号回热器6，然后从Ⅰ号回热器6和Ⅱ号回热器7流出的冷却水进一步进入Ⅰ号冷却器18和Ⅱ号冷却器19进行降温，Ⅰ号冷却器18出口的冷却水流经Ⅰ号过滤器20、Ⅰ号流量调节阀22、Ⅰ号质量流量计24，Ⅱ号冷却器19出口的冷却水流经Ⅱ号过滤器21、Ⅱ号流量调节阀23、Ⅱ号质量流量计25，最后冷却水汇集后经背压阀26降至常压。Ⅱ号水箱27中冷却水经过Ⅲ号过滤器28由循环冷却水泵29先后泵入Ⅱ号冷却器19和Ⅰ号冷却器18，加热后的冷却水进入开式冷却塔30降温后回到水箱。

螺旋管加热器9由履带式电加热器加热，并由可控硅控制可以实现热量补充和温度控制的作用。通过调节第一柱塞泵2或者第二柱塞泵3的流量可以控制系统总流量；系统的压力通过背压阀26调节。通过流量调节阀门22、23可以控制进入流化床实验段10和17工质的流量。质量流量的测量通过质量流量计24、25实现。

如图2所示，A试验段10由上端盖31、床体32、下端盖33和保温层组成，A试验段10竖直放置，直径35 mm,高为1350mm，两端盖采用垫片法兰密封，流化颗粒为石英砂，A试验段在不同高度位置布置4个压差传感器11-14，可以获得各测点和床层底部之间的压差值，取压管完全暴露在空气中，取压管与试验段连接的水平段要向下倾斜10°左右；压差传感器(13)和(14)通过公用的取压管连接，该取压管由高压阀门(40)和(41)并行连接到流化床测点。段内流体温度通过进口和出口的铠装热电偶15和16测量,床层温度通过K型热电偶34-39测量，质量流量通过质量流量计23和25测量。在A试验段的外侧包有足够厚的保温棉以控制A试验段进出口温差在1℃以内。B试验段17内径为20mm，其他结构与A试验段10相同。

在实验过程中通过调节流量的变化范围，在流量一定的条件下获得床层压降的测量值，得到表观流速-压降的曲线就可以获得超临界水流化床的最小流化速度。通过分析不同测点间的压降就可以确定床层高度，进而获得床层膨胀高度和平均空隙率，然后得到表观流速-空隙率特征曲线获得超临界水流化床的动力学基本参数。此外对采集的高频压差脉动信号进行信号分析可以获得超临界水流化床中流型演变以及气泡运动等更为复杂的动力学特征。

本发明装置中的测试压力高达30MPa,温度高达550℃，质量流量范围0-250Kg/h，采用的床料可以是石英砂，也可以是沸石、陶瓷等颗粒。

本发明采用超临界水流化惰性颗粒(石英砂、陶瓷颗粒、沸石颗粒等)，测量随表观流速增加或者减小的床层压降数据，从而获得固定床的压降特性、最小流化速度、床层膨胀等特性曲线。通过对采集高频压差信号进行特性分析，获得超临界水流化床内流型演变、气泡生成和运动的动力学特性。在不同的温度和压力条件下进行实验研究，获得物性变化对超临界水流化床内流化特征行为的影响，揭示超临界水流化床内特殊的两相流动过程。

Claims (4)

1.一种用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置，由主循环系统和辅助循环系统构成,其特征在于，所述主循环系统包括第一水箱，该第一水箱通过并联的两个柱塞泵与一个脉冲阻尼器的出口端相连，该脉冲阻尼器的出口端同时还连接第一逆流式回热器的冷流体入口，该第一逆流式回热器的冷流体出口与第二逆流式回热器的冷流体入口相联，该第二逆流式回热器的冷流体出口连接一预热器的入口，该预热器的出口连接一螺旋管加热器的入口，该螺旋管加热器的出口分为两路，分别连接流化床A试验段和B试验段的底端，流化床A试验段顶端连接第二逆流式回热器的热流体进口，流化床B试验段的顶端连接第一逆流式回热器的热流体进口，第一逆流式回热器的热流体出口连接第一逆流冷却器的热流体入口；第二逆流式回热器的热流体出口连接第二逆流冷却器的热流体入口，第一逆流冷却器和第二逆流冷却器的热流体出口均依次通过一个过滤器、一个流量调节阀、一个质量流量计后与一个连接第一水箱的背压阀相连；所述流化床A试验段和B试验段的出、入口设有控温热电偶，所述流化床A试验段和B试验段的段内均设有压差传感器和测温热电偶；

所述辅助循环系统包括第二水箱，该第二水箱的出口通过一个循环冷却水泵连接第一逆流冷却器的冷流体入口，该第一逆流冷却器的冷流体的出口与第二逆流冷却器的冷流体入口串联，第二逆流冷却器的冷流体出口通过一个开式冷却塔回流至第二水箱。

2.如权利要求1所述的用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置，其特征在于，所述流化床A试验段或B试验段，竖直放置，外层包覆有保温棉，流化颗粒为石英砂，两端采用垫片法兰密封。

3.如权利要求1所述的用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置，其特征在于，所述测温热电偶为多个在试验段内垂直方向布置的K型热电偶。

4.如权利要求1所述的用于超临界水流化床两相流动及传热特性测试的装置，其特征在于，所述螺旋管加热器，由履带式电加热器加热，并由可控硅控制从而实现热量补充和温度控制。