电磁感应加热蒸汽发生器开发与研究可编辑文档格式.docx
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学位论文评阅及答辩委员会情况
姓名职称学科专长
工作单位
指导教师张秋翔高工北京化工大学化工过程机械
评阅人蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械
评阅人李双喜副教授北京化工大学化工过程机械
钱才
答辩委员会主席教授北京化工大学化工过程机械
富
答辩委员蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械
陈平北京化工大学
答辩委员副教授化工过程机械
段成红
答辩委员副教授北京化工大学化工过程机械
答辩委员戴凌汉高工北京化工大学化工过程机械
全国锅炉压力容
答辩委员陈朝晖高工化工过程机械
器标准化委员会
注:
一.论文类型:
.基础研究.应用研究.开发研究.其它
二.中图分类号在中国图书资料分类法》查询。
三.学科分类号在中华人民共和国国家标准/?
《学科分类与代码》
中查询。
四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。
摘要
电磁感应加热蒸汽发生器的开发与研究
采用基于传热效率高、加热速度快、功率密度大的电磁感应加热
方式的电磁感应加热蒸汽发生器,是对以往蒸汽发生器加热方式的一
次创新;
新型感应加热蒸汽发生器,可解决燃料加热蒸汽发生器和电
阻加热蒸汽发生器的许多不足之处,如加热效率低、环境污染严重、
不能实现即开即用等问题;
在节能环保呼声日益高涨和建设生态城市
的趋势下,小型、低成本、高效、安全可靠、节能环保型感应加热蒸
汽发生器,具有广阔的应用前景。
本文采用理论分析与试验验证相结合的方法对感应加热蒸汽发
生器进行全面深入的研究。
首先,数值模拟电磁感应元件内磁通和磁
感应强度沿轴向的分布规律,试验验证磁感应强度的变化分布,与数
值模拟对比分析,验证数值模拟方法的正确性,得到优化的电磁感应
元件结构;
然后,数值模拟沸腾换热元件内两相流体流动的传热性能,
得到热流场的分布规律,试验验证温度的变化分布,与数值模拟对比
分析,验证数值模拟方法的正确性,得出优化的沸腾传热元件结构;
开发出电磁感应加热蒸汽发生器的集成控制系统和冷却循环系统,开
发出稳压集水系统和汽液分离系统,结合所研发的电磁感应元件和沸
腾换热元件,开发出一套电磁感应加热蒸汽发生器装置。
北京化工大学硕士学位论文
通过数值模拟及试验验证,研发的新型电磁感应元件,为前密后
疏型的匝距分布,具有更合理的磁场分布,更符合两相流动沸腾传热
的规律,研发的新型沸腾换热元件,为环形狭缝通道结构,具有更稳
定的热流场分布,起到强化传热的作用。
关键词:
感应加热,电磁耦合,环形狭缝,气液两相流,数值分析
睑,,,.,,,.?
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北京化工大学硕士学位论文,,,,.,,,.,,,.,,.:
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目录目录第一章绪论.课题的来源及研究背景?
...课题的来源?
?
....课题的研究背景一.课题的研究目的及意义?
...课题的研究目的...前人研究成果?
...感应加热技术的研究进展?
一..蒸汽汽化热力学的研究进展?
....汽液分离技术的研究进展?
一.电磁感应加热蒸汽发生器的结构、工作原理及流程?
...结构组成一..工作原理....工作流程...本课题的主要研究内容及技术路线?
...研究内容一..技术路线第二章电磁感应元件的研发?
.电磁感应元件的研发..结构及工作原理..电磁感应元件的结构方案设计.数值模拟?
..数值模拟计算的有限元模型?
..数值模拟计算的结果分析.电磁感应元件的试验研究..试验方案设计?
..试验元件、测量方法及测量仪器..试验结果及其分析..模拟值与试验值对比分析.本章小结?
第三章沸腾换热元件的研发?
..北京化工大学硕士学位论文.沸腾换热元件的研发设计..结构及工作原理..结构方案设计?
..工艺运行及模拟条件?
.数值模拟?
..环形换热元件与圆形换热元件两种结构传热.土/各月匕的数值模拟..环形狭缝通道内传热特性的数值模拟分析?
..三种不同方案下沸腾换热元件的传热性能数值模拟.沸腾换热元件的试验研究..试验方案设计?
第四章电磁感应加热蒸汽发生器的研发.电磁感应加热蒸汽发生器的结构设计?
..感应加热蒸汽发生器的结构及功能原理..设计计算.控制方案及工艺流程..感应加热蒸汽发生器的控制方案?
一..感应加热蒸汽发生器的工艺流程?
一.电磁感应加热元件的加工制造?
.本章小结?
第五章总结及展望.主要结论?
..材料、线圈匝距分布和结构对磁场分布的影响.。
质量流量、热流密度和换热元件结构对热流场分布的影响.有待进一步解决的问题?
参考文献致射?
。
研究成果及发表的学术论文..作者及导师简介?
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符号说明
临界热流密度计算系数
,
进行电感,电阻计算用函数
感应线圈管子沿轴向的宽度,
‖邶口,厚度负偏差,
腐蚀余量,
电磁感应元件外径,
如
电磁感应元件内径,
电磁感应元件的计算直径,
沸腾换热元件外径,
知
沸腾换热元件内径,
五
沸腾换热元件的平均直径,
沸腾换热元件的计算直径,
勿,
隔热层外径,
前隔热层内径,
环形通道的当量直径,
圆筒内径,
电流频率,
进质量流量,?
%珧肼如如%鹏比如仇耽厂‰似玎
冷却水量,?
’
匝间填充绝缘系数
感应器的电流,
电流密度,?
电磁感应元件的电感修正系数
沸腾换热元件的电感修正系数
交流电影响时电阻的校正系数
端部校正系数
最大工作压力,
水压试验压力,
感应器的功率,
感应器功率,
有效功率由工艺参数定得,
通过隔热层的热损失,
设计压力,
量,肠岛墨砌砌所只乓助如助计算压力,
补偿电容的无功功率,
冷却水所带走的热量,
单匝计电磁感应加热系统的电阻,
感应器的总电阻,
以单匝计换热元件电阻,
磁‘
以单匝计换热元件电抗,
管子的内孔截面积,
隔热层外表面温度,℃
隔热层内表面温度,℃
设计温度,℃
死乃乃电磁感应元件的端电压,
冷却水流量,?
单匝计电磁感应加热系统的电抗,
感应器的总电抗,
单匝计电磁感应加热系统的抗阻,
感应器的总抗阻,
电磁感应元件的电流穿透深度,
沸腾换热元件的电流穿透深度,
Ⅳ鼍乏如
变换系数
‘;
材料厚度,
电磁感应元件厚度,
沸腾换热元件厚度,
筒的有效厚度,
圆筒的计算厚度,
筒的名义厚度,
热效率
电效率
隔热层的热导率,?
电磁感应元件的电阻率,?
沸腾换热元件的电阻率,?
温度为时材料的校核应力,
材料的屈服应力,
水压试验应力,
常温下材料需用应力,
温度为时材料需用应力,
,,功率因数
焊接接头系数
西如以文抛所助‖舔即觑厄∞‖∞
线圈匝数
第一章绪论
.课题的来源及研究背景
..课题的来源
本课题来源于中石化、中粮集团玉米秸秆制乙醇的重大科研项目,项目名称
为《纤维素制乙的工艺包开发》;
项目基金为国家计划《重大化工产品的生
物制造》课题下《生物法木糖醇清洁生产工艺研究及示范》子课题。
..课题的研究背景
蒸汽发生器又称蒸汽锅炉,迄今为止已有多年的发展历史。
传统的工业
锅炉按照其所用的燃料,可分为燃煤锅炉,燃油锅炉,燃气锅炉以及电锅炉?
由于我国在工业锅炉方面的发展非常快速,将来对传热效率的要求会进一步提
高。
而通过对我国的能源结构分析可知【,煤炭仍占很大的比例,工业锅炉很大
程度上都依赖于煤炭资源,远远高于世界的平均水平,同时锅炉热效率一般为
.左右,所以可以进行针对新型高效和无污染的蒸汽发生器的开发。
燃煤锅炉在近年来虽然采取了种种措施以提高锅炉效率【’】,但是煤燃料占
据了全国发电厂的很大部分,燃煤锅炉产生的有害化合物对大气造成严重的污
染。
燃煤锅炉的主要热损失有排烟温度过高,受热面集灰,受热面结水垢等【】;
同时燃煤锅炉在工业应用中,也出现种种不足之处,如设备结构庞大,工艺系统
操作复杂,工作强度大,本身运行成本和造价高,对燃料和设备的维护也相当高,
这些严重制约着燃煤锅炉的发展,燃煤锅炉的另一个严重问题是产生的工业三废
会对环境造成破坏性的污染,近几年环境污染有加速的趋势,至今为止对工业三
废的处理没有理想的处理方法【。
燃油锅炉的效率较之燃煤锅炉要高,通过对某公司台燃油锅炉进行热效率
测试,得出其在.%.%引,但其污染还是很严重,所排放的氮硫化合物
远远高于国家规定,并会造成重大的酸雨问题。
并且这几年油价高速上涨,运输
和储运也不方便,发展前景较小【】。
辽河油田设计制作了一种新型的处理装置
旨在对燃油锅炉进行节能减排处理,虽然达到了国家制定的烟尘排放要求,
但仍然不具有发展的可持续性。
天然气锅炉在与燃煤,燃油锅炉的比较中有着无可比拟的优势【.,】,从中我
们可以看出,无论是从燃烧热值和环保要求上看,还是从设备投资以及运行维护北京化工大学硕士学位论文
上看,都具有明显的优势,比如对环境污染小,管道不容易结构,设备维护的费
用低等。
但是天然气是一种容易燃烧和爆炸的气体,如果发生泄漏事故,则会造
成更大的伤害【。
同时天然气的价格因地区的差异而不同,成本是燃煤的倍,
燃油的倍,势必在发展的过程中存在重重阻力。
电加热式蒸汽发生器改变了以往的加热方式,有了一些研究进展。
张云雄【】
介绍了一种全自动电热蒸器设计与研制,着重从压力容器,控制电路、外观设计,
对执行机构进行了选型,具有全电子控制、结构紧凑、外观整洁安全等特点。
徐
庆俊,刘满娜【等人根据医院用旧式蒸汽灭菌器在使用中的缺陷,开发了一种
新型的电阻加热方式的蒸汽发生器,经实践证明它的产生蒸汽质量高且可达到即
开即用。
曹习功,张修冰根据自己多年的实践经验,也证实了这一点,但电阻
式加热的方式同样存在电子管老化,更换不方便,加热不均匀等问题。
针对以上几种传统型式的蒸汽发生器在使用运行中存在的不足之处,本课题
拟在以下个方面进行改进:
传热效率低是研发新型蒸汽发生器所要解决的关键点
目前广泛应用的蒸汽发生器效率普遍偏低,造成了能源利用的极大浪费。
一
般燃料热源蒸汽发生器的效率都在%左右,传热效率较低、能源浪费较大。
国
内蒸汽发生器的发展低于国外发展的水平,就传热效率而言,低于国外%~%
左右。
电阻加热式蒸汽发生器的效率有所提高,大约为%,而感应加热蒸汽发
生器可以将电热效率提高到%以上。
同时电阻加热方式具有加热不均匀,传导
热损失大,输入功率普遍较低,功率密度相对较小等缺点。
针对我国在社会经济
生活中能源紧缺的发展现状而言,实施能源战略的关键是提高对能源的利用率。
在社会生产生活尤其是城市生产生活中,小型化、高效率的蒸汽发生器具有巨大
的研究和推广使用价值。
对环境污染严重迫切要求研发新型环保式蒸汽发生器
燃料热源蒸汽发生器在运行过程中产生大量烟尘、氮、硫、氧化物及工业三
废,并导致酸雨成灾,对环境造成极其严重的破坏式影响。
为此,各大中城市对
燃料热源蒸汽发生器在市区使用进行了限制,如福州市出台了《福州市酸雨控
制区酸雨和二氧化硫污染物防治“十五”计划》,根据计划,年在福州市
建成区内将停止使用小型燃煤蒸汽发生器。
因而,新型环保节能式蒸汽发生器,
有了广阔的发展空间和美好的发展前景。
工艺控制系统不灵活是研发新型蒸汽发生器的必然要求
燃料热源蒸汽蒸汽发生器占地面积较大,设备流程复杂,给工艺控制带来非
常不便的影响,从给料燃烧,到正常运行传热,再到后处理工作,需要大量的时
间,不能达到即开即用。
在工作运行中,由于对工艺参数的控制不灵敏,容易引第一章绪论
起操作失误甚至发生事故,特别是天然气锅炉在运行中易发生爆炸事故。
电阻式
蒸汽发器的加热元件处于高温场合,易老化结垢,元件寿命和操作的安全性受到
了限制。
所以,小型化、工作运行稳定、系统控制灵活、安全可靠的蒸汽发生器
顺应发展趋势,值得深入研究。
综上所述,由于燃料热源蒸汽发生器和电阻加热式蒸汽发生器固有的一些缺
点和不足,开发新型高效、结构相对简单、成本相对较低、便于操作、节能环保
型的蒸汽发生器是主要发展趋势。
我国对能源发展战略的实施和节能环保的严格
要求,将会促进新型加热热源的开发研究。
电磁感应加热蒸汽发生器的研究与开发,符合社会生产发展的需求,顺应时
代发展的潮流,为本项目研究提供了有力的支撑。
感应加热式蒸汽发生器的开发
与研究是对原有蒸汽发生器的创新,感应加热技术自世纪年代引入我国以
来,已有多年的发展历史。
感应加热技术应用从民用发展到工用,从低频发
展到高频,从小功率发展到大功率,从机械化发展到自动化智能化等,这一切都
表明感应加热技术已经很成熟。
随着感应加热技术的不断发展,特别是进入
年代后,、、、、等半导体器件逐渐发展起来,大大提高
了感应加热频率和功率。
新的研究项目可以借鉴这一思想。
.课题的研究目的及意义
..课题的研究目的
课题研究的主要目的是开发出一种以电磁感应加热作为新型加热方式的蒸
汽发生装置,该装置包括稳压集水系统、电磁感应加热系统、汽液分离系统、集
成控制系统以及冷却循环回收系统,能够顺利实现从进口给水到蒸汽发发生再到
汽水分离等各个部分功能的实现,其中电磁感应加热系统是对传统蒸汽发生方式
的一种创新新,为新型蒸汽发生装置的研发提供了新思路。
..课题的研究意义
课题的研究意义在于传统型蒸汽发生器所面临的突出问题,如传热效率低、
对环境污染严重、系统控制不灵活等,严重制约着蒸汽发生器的发展,有鉴于此,
找出一种新型高效、轻便、环保、控制灵活的蒸汽发生技术迫在眉睫,课题研究
一种电磁感应为加热式的蒸汽发生技术,改变了以往蒸汽发生的热源方式,新型
的蒸汽发生装置具有设备体积小,传热效率高,加热时间短,系统控制灵活以及北京化工大学硕士学位论文
环保无污染等优点,使得这种蒸汽发生装置能够适用于中小型企业、对蒸汽有较
高要求以及流动工作的场所。
电磁感应加热式的蒸发器有以下个方面的优点:
热效率高。
利用电磁感应的方式,避免了感应元件与介质直接接触,同时
在感应线圈和传热管之间包裹一层高温绝热层,大大避免了热量扩散到周围的空
气中,提高了能量的转化率;
加热速度快。
由于是直接对换热元件的壁面进行加热,减少了热传导时间;
根据现场测试显示,开机~分钟便可产生蒸汽;
功率密度大。
可适用于温度较高的场合,应用于蒸汽发生器中能产生较高压
力的场合,高压、高温状态下水仍是液态的,传热避免了两相流流动不稳定问题;
能够对温度进行及时控制。
当发现温度过高时,感应电源会自动断电停止加
热,可以准确地预测温度变化及所带来的影响;
作过程运行稳定,安全可靠。
由于具有灵活精确的控制系统和冷却循环系
统,避免了工作过程中出现的过热及流动不稳定现象,且经济环保无污染。
.前人研究成果
..感应加热技术的研究进展
感应加热技术与电子技术的发展密不可分,自从年第一只可控硅的诞
生,至今已有多年的历史。
特别是进入半导体器件时代以后,感应加热
技术有了更广阔的发展前景,年,日本的,等人成功地研制出
半桥串联逆变器【.。
年王敬国【】等人根据现场施工经验,成功利用了中频低温加热的效果。
年,马奎【】等人进行了相关实验,并得到了温度与流量和电流的关系。
年张玉英【】等人详细研究了石油开采中钻杆中频感应加热的研究,得出了电流
频率与涡流效应的关系。
年,马荣兵【】等人对中频加热电源进行了研究,
并设计出一种新型电源。
年,王文德【】等人发明了一种新型的感应加热装
置,大大提高了生产效率。
年,方秀荣,曹文胜【】通过现场实地研究,并
解决了温度测量和控制方面的问题。
在中频加热装置中,需要对晶闸管进行冷却处理,同时还要对感应加热器进
行精确实时的温度检测,这样才能保证合格的加工工艺质量。
早前朱刚等人就认
识到温度在工作过程中的重要性【】。
随后温度闭环控制技术有了较快的发展,接着对测温精确度的要求及自动化
发展的呼吁,刘恒文等人开发了一种新型控制系统,该系统利用控制,使
用先进的红外测温仪,并实现对温度的调解,通过现场实践证明,该系统
机械机构简洁.安装方便,易于移动和拆卸,温度控制精确,合格率高【,。
随后鲁伊莎等人又开发设计了一种检测温度的程序,实践证明,能够实现对
温度的有效控制【】。
..蒸汽汽化热力学的研究进展
对蒸汽汽化热力学的正确分析可以确保最佳的传热性能和稳定的汽液两相
流动。
最佳的传热性能有赖于提高传热系数,具体的措施也有很多,如在换热管
内安装静态混合器,有关研究表明【】,静态混合器可以显著强传热,效果大致
是原来的倍左右。
传热模型一般有以下几种【¨
它们是单相液体传热,过冷沸腾传热,饱和沸
腾传热,干涸过渡混合区传热以及单相蒸汽传热。
单相液体的传热模型包括层流
和紊流两种状态【.】;
对沸腾起始点及过冷沸腾的判定方法前人也有了大量的研
究【;
过冷沸腾也成欠热沸腾,在传热机理上与饱和沸腾很相似,相关传热模
型相关文献也已给】;
临界热流密度模型既有传统的经验关系式也有经实验
改进的修正式【;
饱和沸腾传热模型则使用经典的陈氏经验公式,但对于环形
通道而言,经实验而修正的?
公式可能更加合理;
对于过渡区
传热模型,有环状流形态和反环状流形态两种,也考虑了壁温和内外热流密度分
配的影响【啦】;
单相蒸汽区的膜态传热模型应考虑辐射传热的影响,但在表达形
式上与单相液体传热近似】。
聂涛,何智灵利用计算流体力学软件对蒸汽发生器的换热管进行
了传热分析,发现换热管壁温接近传热系数较大的一侧,且沿壁厚的方向上呈线
性分布;
樊普,秋穗正【】等人对一种新型的直流蒸汽发生器进行热工水力分析,
应用程序,计算工况下的热工水力特性,并得到了理想的预测结果。
环形通道中的传热机理较为复杂,国内外对此的研究不多【,
等人研究了欠热沸腾流动下的传热模型【。
等人给出了垂直向上
环形流动传热中液滴之间的相互关系【引,
等人对双临界热流密度进行
了研究【引,
等人提出了干涸后的模态沸腾传热的计算模型
瞄;
刘瑞兰等人对环形狭缝通道内环状流模型进行了数值分析?
田文喜等人
对窄缝通道内弥散流换热进行了理论计算【,段枫等人对环状流的干涸点进行
了理论研究【,李虹波等人提出了干缺液相区的膜态沸腾传热的计算方法【。
两相流动不稳定性现象较为普遍,有必要对其进行数学模拟和流动计算,确
保在工作过程中的稳定性,对两相流模型的正确认识,对流动过程中的密度波现
象的正确理解,有助于解决遇到的两相流动不稳定现象。
在工程实践中,北京化工大学硕士学位论文
常常通过设置变径管的方式,解决两相流不稳定问题【。
近年来,已有很多文
献介绍了两相流稳定的分析方法和计算模型,吴鸽平,秋穗正】等人采用时域
法对套管式蒸汽发生器不稳定性进行求解。
侯素霞,赵福掣】等人采用频域控
制理论研究了不稳定现象的发生机理。
..汽液分离技术的研究进展
汽水分离装置是一种将汽液两相混合物的各组分进行隔离的装置,旨在提高
汽态的含量,起着净化蒸汽的作用。
在传统型蒸汽发生器的研发中,要重视对这
种部件的研究开发,它的基本工作流程为通过分离蒸汽中的液相部分,来增加汽
相在整体当中的百分比,汽水分离的程度可用一个因子来表示,决定分离程度的
主要因子是:
产汽量,设备的空间和含钠量¨
汽水分离装置的结构组成为由两个串联的分离构件组成【】,主要目的为增
加蒸汽的干度,减小混合物的动能,增加流动稳定性等。
据有关介绍】,也可
以根据相关物理化学特性进行汽一液分离,即化工应用中的闪蒸技术,主要原理
为将高压水倒向低于低压的容器内,由于从过热状态向低压环境过度,高压水会
瞬间蒸发。
这一原理具有较大的优点,如流程简单、能量损失小等。
庞天照,黄伟【等对旋叶式一级汽水分离器进行了有关数值模拟,模拟表
明均匀的汽水混合物通过旋叶分离器后出现了明显的汽水两相分层现象,计算结
果可以看出,加大混合物的入口速率或减小结构的直径都可以增强分离效果。
陈军亮,程慧平等人对核电厂中使用的汽水分离装置进行了冷态试验【】,
试验结果表明这种分离器的临界速度很高。
李嘉,黄素逸等人的实验也验证了这
一点的正
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