汽-液-固三相流對石墨加熱管內(nèi)壁面磨損的實(shí)驗(yàn)研究

馬　悅，劉明言，2*，安　敏，徐曉萍

石墨由于具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和耐腐蝕性能，早在1938年就被應(yīng)用于制造換熱器［1］。管殼式石墨換熱器多采用壓型和浸漬類不透性石墨工藝生產(chǎn)。由于石墨換熱管易脆裂，所以其抗磨蝕性能較差［2］。汽-液-固三相流化床蒸發(fā)器具有強(qiáng)化傳熱和防除垢功能［3-4］，但是，將其應(yīng)用于石墨換熱器之前必須用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回答磨損和振動等基本問題，評估其可行性，避免直接應(yīng)用可能帶來的損失。但是，針對汽-液-固流化床換熱器內(nèi)的磨損的實(shí)驗(yàn)研究，研究者采用的是金屬等塑性壁面材料［5-6］，尚沒有見到采用石墨等脆性壁面材料研究的壁面磨損的報導(dǎo)。

振動加速度傳感器除了進(jìn)行振動測試，還可用于評價管內(nèi)的多相流動對管道的沖擊強(qiáng)度等［7］。

本研究建立了單根石墨加熱管汽-液-固三相自然循環(huán)流動沸騰蒸發(fā)裝置以及包括振動加速度等參數(shù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)考察加熱蒸汽壓力、玻璃珠的體積分率和粒徑等對石墨管內(nèi)壁面磨損程度的影響，并對磨損產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分測定和質(zhì)量分析。結(jié)合對石墨管軸向位置振動加速度傳感器信號的分析，探索管內(nèi)的多相流動狀況，研究顆粒對石墨管壁面的磨損程度，討論磨損機(jī)理等。研究結(jié)果將對汽-液-固三相流化床蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于石墨管蒸發(fā)器提供一定的基礎(chǔ)指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)裝置及流程

單根石墨管汽-液-固自然循環(huán)流動沸騰蒸發(fā)裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置和流程如圖1所示。該套管加熱器的殼程采用鍋爐蒸汽加熱。實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體采用不銹鋼材質(zhì)。加熱管直管段采用擠壓型不透性石墨材質(zhì)，管徑Ф37 mm×6 mm，管長1.1 m。裝置主體部分及鍋爐外部包覆保溫棉以減少系統(tǒng)熱損失。

圖1　單根石墨管汽-液-固循環(huán)流動沸騰蒸發(fā)裝置及流程Fig．1　Apparatus and flow diagram of experimental system of vapor-liquid-solid flow boiling evaporator

液相工質(zhì)為蒸餾水，固相為玻璃珠，密度2 500 kg·m－3，平均直徑分別為 1.3、2.4 和 3.5 mm。鍋爐蒸汽進(jìn)入加熱器套管，加熱石墨管內(nèi)的液相工質(zhì)，自身冷凝后進(jìn)入加熱蒸汽冷凝液儲槽，冷凝液定期泵回鍋爐。加熱蒸汽的表壓為:60、80、100及120 kPa;加入顆粒的體積分率為:0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。磨損實(shí)驗(yàn)每一工況連續(xù)進(jìn)行8 h?？疾觳煌訜嵴羝麎毫邦w粒體積分率條件下，石墨管壁面的磨損程度。同時采用振動加速度傳感器系統(tǒng)測試區(qū)域A、B和C3處的振動加速度時間序列，測試點(diǎn)高度(距石墨管上端)與石墨管長度的比值分別為0.25、0.50和0.75，評估管內(nèi)不同軸向位置受顆粒的沖擊程度，并測定管內(nèi)流體循環(huán)流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集管內(nèi)含有磨損物的液體工質(zhì)，烘干后利用型號為Nanosem430場發(fā)射掃描電子顯微鏡后接EDS能譜儀分析磨損產(chǎn)物化學(xué)成分。在得出磨損產(chǎn)物存在碳元素后利用德國ELEMENTAR元素分析儀精確分析碳元素質(zhì)量分率，估算石墨管壁面磨損速率。

1.2　測試用傳感器及采集系統(tǒng)

初步分析得知，造成石墨管磨損的原因主要包括兩個方面:一是顆粒對石墨管壁面的徑向沖擊;二是顆粒對壁面的摩擦沖擊。為了進(jìn)一步確定造成石墨管磨損的主要原因，采用揚(yáng)州英邁克公司2107CM型平面剪切型加速度傳感器，測試評估顆粒對石墨管壁面的徑向沖擊。該型號傳感器靈敏度 50 PC·g－1，頻率范圍0.5～8 000.0 Hz。加速度信號的采集采用江蘇泰斯特電子設(shè)備公司的TST5915動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，設(shè)定分析軟件的采樣頻率為20 kHz，實(shí)驗(yàn)截取15 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。采用型號為EMF8101(50)12100C11的電磁流量計(jì)測量流體的循環(huán)體積流量，評估流體速度，進(jìn)而評價顆粒對壁面的摩擦沖擊。流量計(jì)精度等級0.5級，量程范圍 0～10 m3·h－1。

1.3　振動加速度信號處理方法

對采集的振動加速度時間序列采用統(tǒng)計(jì)分析方法獲得標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰度。標(biāo)準(zhǔn)偏差反映不同軸向位置處顆粒群對壁面的徑向沖擊強(qiáng)度，計(jì)算方法見式(1)～(2)。峰度反映時間序列分布的尖翹程度，用于分析石墨加熱管內(nèi)不同軸向位置處顆粒的速度和濃度分布，計(jì)算方法見式(3)。綜合這些參數(shù)，判斷管內(nèi)顆粒的相含率和運(yùn)動狀態(tài)，分析壁面磨損的原因。

1.4　磨損速率的計(jì)算

混合磨損產(chǎn)物主要包含石墨和玻璃成分，將其用瑪瑙研缽研均勻之后通過元素分析儀測得其中的碳含量，得到石墨的磨損量，進(jìn)而求出石墨的磨損速率。

2　結(jié)果與討論

2.1　磨損產(chǎn)物成分分析及測定

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顆粒加入一段時間后，可視段內(nèi)的循環(huán)流體逐漸渾濁，石墨管出現(xiàn)磨損。初步分析認(rèn)為:實(shí)驗(yàn)過程中石墨管受到顆粒撞擊而發(fā)生磨損性破壞。

圖2a)和圖2b)是實(shí)驗(yàn)前后液體水的透明度對比，其實(shí)驗(yàn)條件為顆粒粒徑2.4 mm，加熱蒸汽表壓力120 kPa。圖2c)是烘干后的磨損產(chǎn)物。

圖2　沸騰蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)前后流體的透明度變化和磨損產(chǎn)物Fig．2　Changes in fluid before and after the boiling evaporation experiments and attrition powder products

EDS能譜測試發(fā)現(xiàn)，磨損產(chǎn)物主要含有碳、氧、硅、鈉、鈣等元素，表明主要成分為玻璃和石墨。圖3為磨損產(chǎn)物掃描電鏡圖及能譜分析圖。

不同工況下石墨管壁面的磨損速率計(jì)算結(jié)果見表1。

2.2　顆粒體積分率對加速度時間序列標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、循環(huán)流量及石墨管磨損速率的影響

圖4a)反映了不同軸向位置管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差隨顆粒體積分率的變化規(guī)律。相比汽液兩相流，顆粒的加入增大了管內(nèi)流體對壁面的沖擊力。隨顆粒體積分率升高，各位置處加速度時間序列標(biāo)準(zhǔn)偏差均增大，原因是顆粒加入體積分率的升高，使顆粒在加熱管各個位置局部顆粒體積分率均有所增加［8］，增大了顆粒撞擊壁面的頻率，造成石墨管壁面磨損速率上升。從表1中可看出P=120 kPa下1.3 mm玻璃珠在ω=2.0%時石墨管壁面磨損速率為 42.408 mg·h－1，大于 0.5%時對應(yīng)的31.996 mg·h－1。

圖3　磨損產(chǎn)物掃描電鏡圖a)及能譜分析圖b)Fig．3　SEM a)and EDS b)analysis of attrition powder products

表1　石墨管壁面磨損速率Table 1　The wear rate of graphite tube wall

為進(jìn)一步證明石墨管壁面磨損速率隨顆粒體積分率上升的主要原因，引入峰度分析，見圖4b)。隨顆粒體積分率的升高，各位置處加速度時間序列峰度均減小。由于峰度反映數(shù)據(jù)的尖翹程度，顆粒群對壁面平均沖擊力的增大會使峰度有升高趨勢，顆粒對壁面沖擊頻率的增大會使峰度有降低趨勢，故峰度的降低說明了管內(nèi)顆粒體積分率升高造成碰撞頻率的增加，碰撞頻率增加是石墨管壁面磨損速率上升的主要原因。加速度峰度分析能夠較好地評價顆粒群對壁面的沖擊頻率和平均沖擊強(qiáng)度，相比標(biāo)準(zhǔn)偏差能夠更好地分析造成壁面磨損的原因。

由于加速度傳感器只能評價顆粒對壁面的徑向沖擊作用，顆粒對壁面的摩擦沖擊需要利用循環(huán)流量間接評估。顆粒循環(huán)流量對壁面磨損的影響已有文獻(xiàn)報導(dǎo)，鄭潔證實(shí)在自然循環(huán)流化床蒸發(fā)器中隨著循環(huán)流量增加，顆粒的循環(huán)速度增大，單位時間碰撞次數(shù)增加，碰撞強(qiáng)度增大，從而使磨損速率增加［5］。范紅秀等研究證明，磨損量的大小是與顆粒速度的三次方成正比［9］。圖4c)反映了隨顆粒體積分率增大，循環(huán)流量降低。循環(huán)流量的降低說明顆粒群對壁面的平均摩擦磨損減少，但是由于顆粒在加熱管中的顆粒體積分率增加，會增強(qiáng)壁面的摩擦磨損。體積分率增加，單從流量分析無法評估顆粒體積分率對壁面摩擦磨損情況的影響，需要進(jìn)一步研究。

圖4　顆粒體積分率對測試結(jié)果的影響Fig．4　Effect of particle volume fraction on test results

2.3　加熱蒸汽壓力對加速度時間序列標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、循環(huán)流量及石墨管磨損速率的影響

表1中可看出ω=2.0%條件下1.3 mm玻璃珠在P=120 kPa時石墨管壁面的磨損速率為42.408 mg·h－1，大于 P=60 kPa 時的 26.356 mg·h－1。圖5a)、圖5b)和圖5c)反映了不同軸向位置管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰度以及循環(huán)流量隨加熱蒸汽壓力的變化規(guī)律?？梢悦黠@看出，隨著加熱蒸汽壓力的升高，管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差升高，峰度降低，循環(huán)流量升高。蒸汽壓力的增加，增大了壁面熱通量，可視化研究［8］表明，壁面熱通量的增大對加熱管內(nèi)顆粒體積分率的影響并不顯著。但是由于壁面熱通量的增大會加快顆粒對壁面的徑向沖擊速度，管內(nèi)徑一定時，顆粒對壁面的沖擊頻率增大，造成峰度降低。顆粒體積分率一定時，循環(huán)流量隨加熱蒸汽壓力增大而上升，說明了顆粒對壁面摩擦沖擊的增強(qiáng)。石墨管壁面磨損速率隨加熱蒸汽壓力增大而增大是顆粒對壁面的碰撞頻率增大和壁面摩擦沖擊增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。

對于不同軸向位置處磨損情況，由于局部壁面磨損速率無法計(jì)算，只能根據(jù)加速度傳感器測試結(jié)果予以討論。圖5a)可看出管中部區(qū)域B處加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，這是由于兩端固支管中部振動最強(qiáng)造成的，不能由此體現(xiàn)顆粒在此處沖擊最強(qiáng)。由于區(qū)域A和C關(guān)于中部幾何對稱，區(qū)域A處強(qiáng)于C是由于區(qū)域A處水相變汽泡較多較大造成的。汽泡的存在會增大顆粒群對壁面的平均沖擊力，圖5b)可以看出，區(qū)域A處峰度大于其他區(qū)域，驗(yàn)證了區(qū)域A處汽泡較多較大的結(jié)論。汽泡的存在使磨損問題變得更為復(fù)雜，初步預(yù)測，由于加熱管上部氣相體積分率較高，區(qū)域A處的磨損速率高于其他位置。

2.4　顆粒粒徑對加速度時間序列標(biāo)準(zhǔn)偏差、峰度、循環(huán)流量及石墨管磨損速率的影響

表1中可看出ω=2.0%，P=120 kPa下加入1.3、2.4、3.5 mm玻璃珠造成的壁面磨損損率分別為 42.408、35.613 和 28.930 mg·h－1，壁面磨損率隨粒徑增大而降低。圖6a)、圖6b)和圖6c)反映了隨著加入顆粒粒徑的增大，管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差升高，峰度升高，循環(huán)流量升高。隨著粒徑的增大，顆粒的濃度明顯減小，同時結(jié)合峰度增大的趨勢可判定顆粒對石墨管壁的碰撞頻率減小，但由振動的標(biāo)準(zhǔn)偏差增大趨勢可反推出顆粒群對管壁的平均撞擊力增加。雖然顆粒的增大會增強(qiáng)顆粒群對壁面的平均徑向沖擊力和摩擦沖擊力，但是由于相同顆粒體積分率下顆粒數(shù)量隨加入顆粒粒徑的增大而明顯減少，顆粒對壁面的沖擊頻率和摩擦頻率均降低，造成了石墨管壁面磨損速率的降低，又一次驗(yàn)證了顆粒對壁面的沖擊頻率是加熱管壁面磨損程度的主要決定因素，加速度峰度的測定能夠較好地評估顆粒對壁面沖擊頻率高低，進(jìn)而預(yù)測磨損程度大小。

圖5　加熱蒸汽壓力對測試結(jié)果的影響Fig．5　Effect of heating steam pressure on test results

圖6　顆粒粒徑對測試結(jié)果的影響Fig．6　Effect of particle size on test results

3　結(jié)語

1)顆粒的加入對石墨管造成了一定磨損。磨損產(chǎn)物主要是玻璃和石墨。

2)隨加入顆粒體積分率的提高，管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差升高，峰度降低，循環(huán)流量降低，石墨管壁面磨損速率增大。顆粒體積分率提高造成的碰撞頻率增加是石墨管壁面磨損速率上升的主要原因。

3)隨著加熱蒸汽壓力的升高，管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差升高，峰度降低，循環(huán)流量升高，石墨壁面磨損速率增大，這是顆粒對壁面的碰撞頻率增大和壁面摩擦沖擊增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。由于氣相體積分率較高，加熱管上部區(qū)域A處的磨損速率高于其他位置。

4)隨顆粒粒徑的增大，管子振動加速度標(biāo)準(zhǔn)偏差升高，峰度升高，循環(huán)流量升高，石墨管壁面磨損速率降低。加速度峰度的測定能夠較好地評估顆粒對壁面沖擊頻率高低，進(jìn)而預(yù)測磨損程度大小。

5)在將汽-液-固三相流化床強(qiáng)化傳熱和防除垢技術(shù)應(yīng)用于石墨等脆性材料換熱器時，不能忽視帶來的顆粒磨損和振動問題，否則很有可能得不償失。

考慮到石墨管在磨損實(shí)驗(yàn)中可能會出現(xiàn)破損等危險，磨損和振動實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時間較短，加熱蒸汽壓力和加入顆粒體積分率也相對較低，磨損機(jī)理和控制策略也有待研究。

符號說明:

d—顆粒粒徑，mm;

K—振動加速度時間序列的峰度;

N—振動時間序列的數(shù)據(jù)采樣總點(diǎn)數(shù);

P—加熱蒸汽壓力，kPa;

Q—循環(huán)流量，m3·h－1;

X—振動加速度的平均值，m·s－2;

Xi—振動加速度的瞬時值，m·s－2;

σ—振動加速度時間序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m·s－2;

ω—加入顆粒的體積分率，%。

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