CN106680006B - 一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种分体管壳式余热锅炉实验系统及实验方法

【技术领域】

本发明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。

【背景技术】

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。

【发明内容】

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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h_b&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：

ΔP_m＝ΔP_g+ΔP_mom+ΔP_f (1)

式(1)中P_out为上部压力测点所测压力值，P_in为下部压力测点所测压力值，ΔP_g为该两压力测点间的重位压降，ΔP_mom为该两压力测点间的加速压降，ΔP_f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ΔP_g；

式中，g为重力常数，L为两压力测点间的距离，ρ_g和ρ_L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μ_L为液相的动力粘度，V_max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ΔP_mom；

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ΔP_f；

式中为汽液两相流摩擦压降倍增因子，

X_tt为Martinelli参数，

ΔP_water为两压力测点间全水压降，ΔP_water＝ΔP_m,water-ρ_LgL；

ΔP_m,water为按照自然循环流动条件下以相同流量向锅筒内注入去离子水时，测量得到的两压力测点间的压差值；

5)汽相体积含汽率α与汽相质量含汽率x的关系如下：

根据公式(1)～(5)进行迭代计算求解α和x；

6)求得管壁处沸腾和对流换热系数h_b&c；

q＝h_b&cA(T_wall-T_sat)

式中q为热流密度，由实验设定的热流密度值获得，A为加热管的表面积，T_wall为测量得到的管壁温度，T_sat为实验压力所对应的饱和水的温度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过设置锅筒、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测量，相比于传统γ射线和热探针的方法而言，操作更为安全可靠便捷，可同时对管束中多处区域的含汽率进行同时测量；本发明汽包一侧设置有补水管，在进行热态实验时，可通过改变补水的温度进而调节进入下降管的工质水的温度，方便研究锅筒在不同过冷度的锅炉补水条件下的实验；本发明的汽包一侧设置有溢流管，可以保证实验过程中汽液两相的热态实验在同一液位高度下进行，保证实验的可靠性。

进一步地，本发明实验系统外壳采用金属及耐高温钢化玻璃，可以在常压及低压条件下运行，相比于传统有机玻璃的管壳实验平台，可以耐受更高的温度，采用工质水作为实验工质时，不需考虑高温水致使有机玻璃变性等问题，无需抽真空处理；同时能够更加方便地对汽液两相流体在管束中沸腾换热时的流动情况进行实时观察和拍摄，可直观分辨出管束中汽液两相流体在不同管束区域的流型分布情况。

进一步地，本发明根据对称性原理，在管束中一列测压孔的对称侧布置一列测温孔，可对相同含汽率条件下的管束壁温进行测量，使得含汽率与壁温各自独立进行测量，互不干扰，可更为准确地研究含汽率对当地管束换热的影响。

进一步地，本发明通过设置热电偶能够测量实际进入锅筒的补水温度；除测温外，在每次实验结束时还可用于排放锅筒内的工质水。

进一步地，本发明的下降管中间设置为三通管道，正常热态自然循环实验时打开下降管上的第一阀门、关闭第二阀门即可；进行相同流量的全水压降测试时，只需关闭下降管上的第一阀门、打开第二阀门，操作更为简便。同时，本发明的上升管和下降管均采用分段处理，各连接处均采用法兰连接，可方便快捷地实现管段的拆卸，更换不同长度的实验管件，便于对分体管壳式余热锅炉在不同长度上升管条件下进行实验研究。

进一步地，本发明锅筒内的加热管管束分区域进行加热，每2-3排管束作为一个加热单元并与一个可调式变压器相连，整个管束区域自下而上可根据实际情况调整为不同的热负荷，更加贴近实际情况。

进一步地，本发明补水管的位置布置于液位之下，可保证实验过程中由于补水对液位波动的影响。

本发明还提供了针对该实验平台对下部锅筒管束区域通过压差法测量计算管束中含汽率的方法，计算过程中对汽液两相流体的滑移进行了考虑，更贴近实际情况，使计算更为准确，所有计算公式均可实现程序化，便于迭代计算，以及实验数据的批量计算。

【附图说明】

图1为本发明的主体部分结构示意图。

图2为本发明加热管附近压力及温度测量示意图。

图3为本发明锅筒内管孔以及测压孔和测温孔的分布示意图。

图4为本发明锅筒的侧面剖视图。

图中，1-蒸汽导出管；2-涡街流量计；3-汽包；4-溢流管阀门；5-溢流管；6-上升管；7-第二压差变送器；8-锅筒；9-加热管；10-测温孔；11-测压孔；12-热电偶；13-电磁流量计；14-动力泵；15-第二阀门；16-第一阀门；17-下降管；18-补水泵；19-汽水分离封头；20-补水管；21-采集板；22-热电偶防水导线；23-热电偶感温头；24-加热管挡片；25-管板；26金属导压管；27-导压管阀门；28-导压软管；29-第一压差变送器；30-压差变送器导线；31-电加热管导线；32-可调式变压器；33-计算机；34-螺栓；35-耐高温钢化玻璃；36-有机玻璃；37-玻璃固定基座，38-沉孔。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明包括汽包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顶部通过上升管6与上部的汽包3相连，汽包3底部设置有下降管17，下降管17与锅筒8底部相连，锅筒8通过上升管6和下降管17与汽包3连通形成回路。

上升管6的上端部伸入汽包3内部且安装有汽水分离封头19。上升管6的中部通过法兰连接能够拆卸更换不同长度的直管段，直管段上一定长度处设置两个取压孔，其内安装第二压差变送器7。

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。下降管17下部弯管段底部设置热电偶12，用于测量实际进入锅筒8的补水温度；热电偶12与一底座通过螺纹连接，该底座与管道外壁密封焊接且其上设置与下降管17相连通的螺纹孔，热电偶12除测温外，在每次实验结束时还可用于排放锅筒8内的工质水。

汽包3的侧部分别设置补水管20和带有溢流管阀门4的溢流管5，补水管20的出口低于溢流管5的入口，在实验设计液位之下，补水管20连接补水泵18，溢流管5位置与实验设计液位齐平。汽包3顶部设置蒸汽导出管1，蒸汽导出管1中安装一涡街流量计2。

动力泵14与上文所述补水泵18在接入实验管段之前均设置有旁路，用于调节供水量。

锅筒8深10-15cm，其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上套接加热管挡片24；加热管9的管束间隙内均匀布置有若干列测压孔11和若干列测温孔10，测压孔11内均安装有测压装置，测温孔10内均安装有测温装置。

参见图2，测压装置包括每个测压孔11均配备有一根的金属导压管26，金属导压管26一端由测压孔11伸入锅筒8内2～3cm，且所有金属导压管26的伸入长度相同，保证金属导压管26的入口在同一几何平面；金属导压管26的另一端穿过测压孔11且通过导压管阀门27连接导压软管28，导压软管28预留一定长度，另一端在接入第一压差变送器29接口之前，需保证一段软管浸泡于冷水中，其中，每两根导压软管28连接在一个第一压差变送器29上；第一压差变送器29连接压差变送器导线30。

测温装置包括埋焊固定在加热管9外壁面上的热电偶感温头23，热电偶感温头23的固定点与伸入的锅筒8内的金属导压管26出口处上下相同，处于同一几何平面；热电偶感温头23连接热电偶防水导线22，热电偶防水导线22由管板25上的测温孔10伸入。

热电偶导线22以及压差变送器导线30，均接入采集板21，采集板21连接计算机33，用于实验过程中实时监测和记录实验过程中测量的温度与压差信号值。

参见图3，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，即每列压力测孔11与每列测温孔10均相间布置，且沿中心线呈对称分布，每一列测温孔10与另一侧的一列测压孔11相对应，与一列测压孔11相邻的为一列测温孔10，每一列测温孔10均与测压孔11布置于同一水平线。测压孔11布置于两列管孔中间，同一列测压孔11，上下相邻两个测孔间的间距相等，如图3中虚线所示的多列测孔均为测压孔11，两列测压孔11之间的一列测孔用于测温，每列测压孔11关于中间对称管束所对应的为一列测温孔10，且以上所提及每个测孔的直径相同，均为2-3mm。

参见图4，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38的玻璃固定基座37以及两端开口的圆筒；其中，管板25与圆筒一端焊接，管板25用于开始管孔固定加热管9的管束和布置测温孔10及测压孔11；玻璃固定基座37均是中间掏空；圆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内安装耐高温钢化玻璃35，耐高温钢化玻璃35与沉孔之间通过高温玻璃胶密封；第二玻璃固定基座的沉孔内安装有机玻璃36，有机玻璃36外缘与第二玻璃固定基座外缘齐平，圆环挡板为金属材质且设置在有机玻璃36外侧；两个玻璃固定基座的沉孔均向外，第二玻璃固定基座与第一玻璃固定基座相同，里端与耐高温有机玻璃35压紧；圆环挡板内径和外径分别与两玻璃固定基座的内外径相同，两个玻璃固定基座37与圆环挡板通过螺栓34固定连接。里层耐高温钢化玻璃35用于密封锅筒8内的工质，外层有机玻璃36用于防护。

加热管9为电加热管，一端通过螺纹固定于管板25上；且自下而上，每2-3排划分为一个加热单元，每个加热单元通过电加热管导线31连接一台可调式变压器32，工需3～4台，可调式变压器32也连接采集板21。

加热管9在管板25上可以采用顺排或错排布置钻孔，且左右两侧管孔沿中间一列管孔呈对称分布。

本发明分体管壳式余热锅炉自然循环实验系统的实验方法，具体按照以下步骤实施：

1.打开下降管三通管道处的第一阀门16，关闭第二阀门15，打开溢流管5上的溢流管阀门4；

2.打开补水泵18，向实验平台内注入去离子水，待到水位与汽包3溢流管5入口持平时便停止注水，并检查实验平台密封性；

3.打开计算机33以及采集系统，检查所有温度和压力采集通道工作是否正常；

4.调节可调式变压器32至实验加热工况，利用加热管束将去离子水加热至沸腾；

5.待汽包3内的饱和水水位降低至溢流管5入口以下时，重新打开补水泵18，并通过调节补水泵18的旁路开关，反复调整进入汽包3内的水量，直至补水量与锅炉的蒸发量相当，液位始终维持在溢流管5入口处为止，保持加热功率与补水量不变，待汽包3内的液位在溢流管5入口处稳定后，关闭溢流管5上的溢流管阀门4；

6.维持整个实验系统运行稳定后，即可利用计算机33和采集系统对实验系统中的温度、压力以及流量数据进行多次采集，取平均值处理，最后将实验数据记录保存，同时可通过下部锅筒玻璃一侧观察和记录汽液两相在管束中的流动情况；

7.待实验数据采集完毕后，关闭可调式变压器32停止对锅炉内的去离子水加热，同时关闭补水泵18；完成自然循环实验；

8.关闭下降管17中的第一阀门16，打开第二阀门15，打开溢流管5上的溢流管阀门4，打开动力泵14通过下降管17向锅筒8内注入去离子水，调节动力泵14的旁路直至电磁流量计13显示的流量示数与锅炉自然循环状态下饱和水的流量相同；进行相同流量的全水压降测试；

9.待动力泵14按照自然流动条件下的流量向锅炉内注入去离子水稳定后，利用计算机33和采集系统记录下此时各个压力测点监测到的压差值；

10.重复步骤4～9即可进行下一实验工况，待所有实验工况结束后将计算机和采集系统采集到的所有实验数据，以及通过玻璃一侧拍摄的有关气液两相流体在管束中流动的有关视频和照片保存及备份；通过卸下下降管17底部的热电偶12，由该处将锅炉内的去离子全部排出，关闭所有设备，切断电源，实验结束。

本发明分体管壳式余热锅炉自然循环实验系统中，采用压差法处理管束间含汽率以及该位置处换热管壁面沸腾和对流换热系数所涉及的计算方法如下

1.不同排管束间测量得到的压差值可以分解为

ΔP_m＝P_out-P_in (1)

ΔP_m＝ΔP_g+ΔP_mom+ΔP_f (2)

式中ΔP_m为不同排管束间两压力测点测量得到的压差值，P_out为上部压力测点所测压力值，P_in为下部压力测点所测压力值，ΔP_g为该两压力测点间的重位压降，ΔP_mom为该两压力测点间的加速压降，ΔP_f为该两压力测点间的摩擦压降；

2.重位压降ΔP_g计算方法如下，

式中，g为重力常数，L为两压力测点间的距离，ρ_g和ρ_L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μ_L为液相的动力粘度，V_max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.加速压降ΔP_mom的计算方法如下

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的体积含汽率，其与质量含汽率x的关系如下，

4.摩擦压降ΔP_f的计算方法如下

式中为汽液两相流摩擦压降倍增因子，

X_tt为Martinelli参数

ΔP_water为两压力测点间全水压降，其值可由下式得到

ΔP_water＝ΔP_m,water-ρ_LgL (12)

ΔP_m,water为动力泵按照自然循环流动条件下以相同流量向锅筒内注入去离子水时，测量得到的两压力测点间的压差值。

以上所有计算公式只有参数体积含汽率α未知，根据所测量得到的两压力测点间汽液两相间的压降值ΔP_m和相同流量下全水流动时的压降值ΔP_m,water；通过公式(2)、(3)、(7)、(8)和(9)，即可对体积含汽率α进行迭代计算求解；

5.管壁处沸腾和对流换热系数h_b&c的计算方法为

q＝h_b&cA(T_wall-T_sat) (13)

式中q为热流密度，由实验设定的热流密度值获得，A为加热管的表面积，T_wall为测量得到的管壁温度，T_sat为实验压力所对应的饱和水的温度。

本发明实验系统平台不仅操作简便，实验平台占地面积较小，而且可以对锅筒内部管束间的汽液两相流动流型进行直观清晰地观测以及方便取像。

本发明利用压差法原理对管束间的含汽率进行测量以及计算，同时利用锅筒内管束的对称布置结构，可以将管束壁面沸腾以及对流传热系数与所测量出的当地含汽率相结合，方便研究含汽率对管束壁面沸腾以及对流传热系数的影响。

同时，通过本发明所提供实验平台设计方法，还可以更加方便地实现某一工况条件下，与汽液两相流体所对应的相同流量下全水压降的测量。本发明的汽包3一侧设置有溢流管5，可以保证实验过程中汽液两相的热态实验与相同流量下的全水实验均在同一液位高度下进行。

本发明分体管壳式余热锅炉自然循环实验系统平台中，可以在补水泵18泵入的水进行预热和测温，本发明可对锅筒8的补水温度、补水量、蒸汽产量等进行测量，结合管束的供热负荷便可对实验平台的整体热量平衡进行校核和修正，同时可以确定整个实验系统的散热系数。

本发明能够对分体管壳式余热锅炉管束间流型、含汽率以及沸腾和对流换热系数进行实验测量及计算。

Claims (8)

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；

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)；

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。

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：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)。

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：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)。

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：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。

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：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)。

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：补水管(20)的出口低于溢流管(5)的入口。

7.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，重新通过补水管(20)补水，并调整进入汽包(3)内的水量，直至水位始终维持在溢流管(5)入口处为止，关闭溢流管(5)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。

8.根据权利要求7所述分体管壳式余热锅炉实验方法，其特征在于：在步骤(d)中运行稳定后，测量加热管(9)的管壁温度，结合加热管(9)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h_b&c，其计算步骤具体包括：

1)将加热管(9)不同排管束间两压力测点测量得到的压差值分解为：

ΔP_m＝P_out-P_in (1)

ΔP_m＝ΔP_g+ΔP_mom+ΔP_f (2)

式中P_out为上部压力测点所测压力值，P_in为下部压力测点所测压力值，ΔP_g为该两压力测点间的重位压降，ΔP_mom为该两压力测点间的加速压降，ΔP_f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ΔP_g；

式中，g为重力常数，L为两压力测点间的距离，ρ_g和ρ_L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μ_L为液相的动力粘度，V_max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ΔP_mom；

式中下标out和in分别表示上部压力测点和下部压力测点，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ΔP_f；

式中为汽液两相流摩擦压降倍增因子，

X_tt为Martinelli参数，

ΔP_water为两压力测点间全水压降，ΔP_water＝ΔP_m,water-ρ_LgL；

ΔP_m,water为按照自然循环流动条件下以相同流量向锅筒内注入去离子水时，测量得到的两压力测点间的压差值；

5)汽相体积含汽率α与汽相质量含汽率x的关系如下：

根据公式(2)～(6)进行迭代计算求解α和x；

6)求得管壁处沸腾和对流换热系数h_b&c；

q＝h_b&cA(T_wall-T_sat)

式中q为热流密度，由实验设定的热流密度值获得，A为加热管的表面积，T_wall为测量得到的管壁温度，T_sat为实验压力所对应的饱和水的温度。