CN113702082A - 一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置及方法,其试验操作简单方便,占地面积小,试验所需加热量小,试验结果准确,可为不同因素条件下流化床密相区埋管与床层间对流换热特性的机理研究提供保障;流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其包括流化床体及插入于所述流化床体中的若干埋管,其还包括供气系统、温度测量系统,所述供气系统与所述流化床体相连接,以对所述流化床体输送气体,所述埋管的空腔内均装有加热件,所述温度测量系统包括PC电脑端及与所述PC电脑端相连接的若干热电偶,在所述埋管外壁分布有若干所述热电偶中的部分,位于所述埋管位置处的所述流化床体内壁布置有若干所述热电偶中的剩余部分。
Description
技术领域
本发明涉及流化床技术领域,具体为一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置及方法。
背景技术
循环流化床锅炉技术是现行发电技术中不可缺少的重要组成部分。近年来,我国面临着十分严峻的减排任务,为实现碳中和的目标,大力发展碳捕集与封存技术势在必行,以流化床锅炉技术为基础的流化床富氧燃烧技术以及增压富氧燃烧技术研究正处于探索与研发阶段,且不同因素条件下,流化床密相区埋管与床层间对流换热特性的机理研究对新型流化床的工业设计具有重要的指导意义。
对于流化床密相区埋管与床层间对流换热特性的机理研究,通过采用试验装置来为流化床设计及发展提供一定的理论基础,但是传统试验装置是通过利用床层给埋管中介质加热,随后通过测量介质温度来推算换热系数,这样的实验装置不仅结构复杂,占地面积大且热量需要较大,试验结果不准确,且目前,对于流化床相关新型技术仍处于研究开发阶段,因此,亟需研发设计一种新型试验装置。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置及方法,其试验操作简单方便,占地面积小,试验所需加热量小,试验结果准确,可为不同因素条件下流化床密相区埋管与床层间对流换热特性的机理研究提供保障。
其技术方案是这样的:一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其包括流化床体及插入于所述流化床体中的若干埋管,其特征在于:其还包括供气系统、温度测量系统,所述供气系统与所述流化床体相连接,以对所述流化床体输送气体,所述埋管的空腔内均装有加热件,所述温度测量系统包括PC电脑端及与所述PC电脑端相连接的若干热电偶,在所述埋管外壁分布有若干所述热电偶中的部分,位于所述埋管位置处的所述流化床体内壁布置有若干所述热电偶中的剩余部分。
其进一步特征在于:
所述加热件采用的电阻加热器,所述埋管内安装所述电阻加热器后,在所述埋管两端装有聚四氟乙烯管;所述埋管采用的空心铜管;所述埋管的布置方式为顺排或者叉排;
所述供气系统包括控制器及与所述控制器相连接的空压机、空分机、高压储气罐、油水分离器、流量计,所述油水分离器装于所述高压储气罐内,所述空压机连接于位于所述油水分离器下方的所述高压储气罐上,所述空分机连接于位于所述油水分离器上方的所述高压储气罐上,所述高压储气罐的出气口接于所述流化床体,所述流量计接于所述高压储气罐与所述流化床体之间的管道上;
所述流化床体上连接有安全阀、排气阀,在所述高压储气罐上、所述高压储气罐与所述流化床体之间连接的所述管道上、所述流化床体上均连接有与所述控制器相连接的压力表;
所述流化床体内下部装有布风板,以使得所述布风板下方的所述流化床体内腔形成风室,所述高压储气罐的出气口与所述风室相连通;所述埋管设置于所述布风板上方;
位于所述埋管上方的所述流化床体上设置有进料口,所述布风板上连接有出料管,且所述出料管穿过所述风室后伸出至所述流化床体外,作为所述流化床体上的出料口;
所述布风板采用的多孔钛烧结板,所述布风板上的开孔孔径为1mm~1.5mm,所述布风板的开孔率为30%,且在所述布风板上下层均铺设有不锈钢滤网,所述不锈钢滤网的滤网目数为100目~150目;
所述埋管外壁环向间隔开设有若干凹槽,所述热电偶装于所述凹槽内后,通过紫铜胶进行涂覆包裹;
一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验方法,其特征在于:其包括以下步骤:
S1、获取在设定的单位时间内的埋管中加热件的加热功率Q;
S2、根据所述埋管外壁分布的所述热电偶的温度值,获取得到在设定的单位时间内的所述埋管表面的局部平均温度Ti,其中,i取值所述热电偶在所述埋管外壁分布的不同角度;根据所述流化床体内壁布置的所述热电偶的温度值,获取得到在设定的单位时间内的床层平均温度Tb;并将所有获得的温度信号传输到PC电脑端记录保存;
S3、根据获取得到的所述埋管表面的局部平均温度Ti和床层平均温度Tb,可得到所述埋管表面的局部换热系数和所述埋管表面的平均对流换热系数。
其进一步特征在于:
设定的单位时间为20s~30s;5个所述热电偶在所述埋管外壁面以每隔45°环向间隔布置,即i分别取值-90°、-45°、0°、+45°、+90°;通过公式计算得到所述埋管表面的局部换热系数hi和所述埋管表面的平均对流换热系数havg,
本发明的有益效果是,其试验操作简单方便,占地面积小,试验所需加热量小且加热温度高,可准确测量得到埋管与流化床体间的换热强度,获得埋管表面的局部换热系数和埋管表面的平均对流换热系数,即可获得不同因素对流化床密相区埋管与床层间换热特性的影响,从而为不同因素条件下流化床密相区埋管与床层间对流换热特性的机理研究提供保障。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明中埋管的结构示意图;
图3是本发明中热电偶在埋管外壁的分布示意图。
具体实施方式
如图1~图3所示,本发明一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其包括流化床体1及插入于流化床体1中的若干埋管2,流化床体1由不锈钢制作而成,设计耐压值为1.0Mpa,其还包括供气系统、温度测量系统,供气系统与流化床体1相连接,以对流化床体1输送气体,埋管2的空腔内均装有加热件3,温度测量系统包括PC电脑端(图中未示出)及与PC电脑端相连接的若干热电偶4,在埋管2外壁分布有若干热电偶4中的部分,位于埋管2位置处的流化床体1内壁布置有若干热电偶4中的剩余部分。
加热件3采用的电阻加热器,待电阻加热器工作后,由于其受热膨胀将与铜管紧密贴合,铜管与电阻加热器间的接触电阻可以忽略不计,因此埋管2与床层间换热面上的热流密度为电加热功率与换热面积之比,通过控制加热功率控制换热热流密度;为减小埋管2轴向热传导带来的损失,埋管2内安装电阻加热器后,在埋管2两端装有导热系数较低的聚四氟乙烯管5;埋管2采用的空心铜管;埋管2的布置方式为顺排或者叉排;埋管2外壁环向间隔开设有若干凹槽6,即在埋管2的表面从顶部到底部每隔45°的间隔布置一个热电偶4,用以测量埋管2表面不同位置处的温度,为精确测量电加热管表面温度,热电偶4采用K型细热电偶4,直径为0.5mm,测量误差±0.1%;热电偶4装于凹槽6内后,通过紫铜胶进行涂覆包裹,在高温加热下紫铜胶会凝固为紫铜将热电偶4包裹在其中,既达到了固定热电偶4的目的,还能保护热电偶4表面受腐蚀磨损;床层温度由流化床体1内壁上热电偶4获得,热电偶4布置在靠近埋管2周围的位置,取平均温度为床层温度。所有热电偶4所测得的温度信号传送到PC电脑端并记录,记录频率为125ms(8Hz)。
供气系统包括控制器(图中未示出)及与控制器相连接的空压机7、空分机8、高压储气罐9、油水分离器10、流量计11,油水分离器10装于高压储气罐9内,空压机7连接于位于油水分离器10下方的高压储气罐9上,空分机8连接于位于油水分离器10上方的高压储气罐9上,高压储气罐9的出气口接于流化床体1,流量计11接于高压储气罐9与流化床体1之间的管道上;流化床体1上连接有安全阀12、排气阀13,在高压储气罐9上、高压储气罐9与流化床体1之间连接的管道上、流化床体1上均连接有与控制器相连接的压力表P;流化床体1内下部装有布风板14,以使得布风板14下方的流化床体1内腔形成风室15,高压储气罐9的出气口与风室15相连通;埋管2设置于布风板14上方;位于埋管2上方的流化床体1上设置有进料口17,布风板14上连接有出料管16,且出料管16穿过风室15后伸出至流化床体1外,作为流化床体1上的出料口;空气可经空压机7和空分机8分别形成加压空气气氛和加压富氧气氛,经过油水分离器10干燥,利用高压储气罐9、安全阀12、流量计11以及排气阀13等控制和监测流化风速及床层压力的大小,通过布置的压力表P,可用于观测实验时的操作压力,床层物料则通过进料口17进入流化床体1,通过流化床体1底部至风室15外的出料口卸出。
布风板14采用的多孔钛烧结板,布风板14上的开孔孔径为1mm,布风板14的开孔率为30%,且在布风板14上下层均铺设有不锈钢滤网,不锈钢滤网的滤网目数为100目,以保证流化气流的均匀分布。
一种流化床密相区埋管2对流换热特性研究实验方法,其包括以下步骤:
S1、获取在设定的单位时间(20s)内的埋管2中加热件3的加热功率Q;使用电阻加热器,通过调节电流和电压控制电阻加热器的加热功率,加热功率代表着单位时间内电阻加热器表面通过的热流量,实验时待流化及传热效果稳定后再测量参数;
S2、根据埋管2外壁分布的热电偶4的温度值,获取得到在设定的单位时间(20s)内的埋管2表面的局部平均温度Ti,其中,i取值热电偶4在埋管2外壁分布的不同角度;也就是说,5个热电偶4在埋管2外壁面以每隔45°环向间隔布置,即i分别取值-90°、-45°、0°、+45°、+90°;
根据流化床体1内壁布置的热电偶4的温度值,获取得到在设定的单位时间(20s)内的床层平均温度Tb;并将所有获得的温度信号传输到PC电脑端记录保存;
S3、根据获取得到的埋管2表面的局部平均温度Ti和床层平均温度Tb,通过公式计算得到埋管2表面的局部换热系数hi和埋管2表面的平均对流换热系数havg,
传统试验装置通过利用流化床体1给埋管2中介质加热,通过测量介质温度来推算换热系数,这样的实验装置复杂,占地面积大且热量需要较大,而本发明基于电加热平衡法测量埋管2与流化床体1间的换热强度,热量从电阻加热器传向床层,与工业应用中热量从床层传向换热管的方向相反,但两者传热原理一致,在机理研究方面并不不同,除此之外试验台占地面积小,试验所需加热量小且加热温度高,试验操作简单方便。
通过本发明的实验装置和方法能够实现对流化床密相区埋管2对流换热特性机理上的研究,获得不同因素对流化床密相区埋管2与床层间换热特性的影响,即可以控制流化介质、流化风速,流化压力、床层物料种类等因素,通过获得埋管2表面的局部换热系数hi和埋管2表面的平均对流换热系数havg,然后再联系各项影响因素可实现分析传热机理,为流化床设计及发展提供了一定的理论基础。
图2中,18为电阻加热器导线。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其包括流化床体及插入于所述流化床体中的若干埋管,其特征在于:其还包括供气系统、温度测量系统,所述供气系统与所述流化床体相连接,以对所述流化床体输送气体,所述埋管的空腔内均装有加热件,所述温度测量系统包括PC电脑端及与所述PC电脑端相连接的若干热电偶,在所述埋管外壁分布有若干所述热电偶中的部分,位于所述埋管位置处的所述流化床体内壁布置有若干所述热电偶中的剩余部分。
2.根据权利要求1所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述加热件采用的电阻加热器,所述埋管内安装所述电阻加热器后,在所述埋管两端装有聚四氟乙烯管;所述埋管采用的空心铜管;所述埋管的布置方式为顺排或者叉排。
3.根据权利要求1所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述供气系统包括控制器及与所述控制器相连接的空压机、空分机、高压储气罐、油水分离器、流量计,所述油水分离器装于所述高压储气罐内,所述空压机连接于位于所述油水分离器下方的所述高压储气罐上,所述空分机连接于位于所述油水分离器上方的所述高压储气罐上,所述高压储气罐的出气口接于所述流化床体,所述流量计接于所述高压储气罐与所述流化床体之间的管道上。
4.根据权利要求3所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述流化床体上连接有安全阀、排气阀,在所述高压储气罐上、所述高压储气罐与所述流化床体之间连接的所述管道上、所述流化床体上均连接有与所述控制器相连接的压力表。
5.根据权利要求3所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述流化床体内下部装有布风板,以使得所述布风板下方的所述流化床体内腔形成风室,所述高压储气罐的出气口与所述风室相连通;所述埋管设置于所述布风板上方。
6.根据权利要求5所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:位于所述埋管上方的所述流化床体上设置有进料口,所述布风板上连接有出料管,且所述出料管穿过所述风室后伸出至所述流化床体外,作为所述流化床体上的出料口。
7.根据权利要求5所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述布风板采用的多孔钛烧结板,所述布风板上的开孔孔径为1mm~1.5mm,所述布风板的开孔率为30%,且在所述布风板上下层均铺设有不锈钢滤网,所述不锈钢滤网的滤网目数为100目~150目。
8.根据权利要求1所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,其特征在于:所述埋管外壁环向间隔开设有若干凹槽,所述热电偶装于所述凹槽内后,通过紫铜胶进行涂覆包裹。
9.一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验方法,其特征在于:其包括如权利要求1~8任一所述的一种流化床密相区埋管对流换热特性研究实验装置,所述实验方法包括以下步骤:
S1、获取在设定的单位时间内的埋管中加热件的加热功率Q;
S2、根据所述埋管外壁分布的所述热电偶的温度值,获取得到在设定的单位时间内的所述埋管表面的局部平均温度Ti,其中,i取值所述热电偶在所述埋管外壁分布的不同角度;根据所述流化床体内壁布置的所述热电偶的温度值,获取得到在设定的单位时间内的床层平均温度Tb;并将所有获得的温度信号传输到PC电脑端记录保存;
S3、根据获取得到的所述埋管表面的局部平均温度Ti和床层平均温度Tb,可得到所述埋管表面的局部换热系数和所述埋管表面的平均对流换热系数。
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