管内汽-液-固三相流动对管子振动行为的影响

汽液固三相流化床蒸发技术将颗粒流态化和沸腾两相流相结合，可在线防止蒸发器结垢同时强化沸腾换热，是实现过程工业节能减排的关键技术。将该技术引入到由脆性管材如大型湿法磷酸蒸发浓缩用石墨管加热器等时，从安全运行等角度考虑，需要了解管内三相流动时管子的振动规律。但是目前国内外尚无这方面的知识。现有振动研究考虑管内流体对管子振动行为的影响时仅顾及管内流体质量对管子固有频率等的影响，且管内流动多为单或两相流。本项目拟研究管内三相不稳定流动对管子振动行为的影响。建立管内多相流振动实验台，获取不同条件下管子的振动位移、速度和加速度等动态演化数据，通过对数据的线性和非线性分析，发现管子的振动规律，分析引起振动的原因和机理，关联振动参数、压降和传热系数间的关系，建立预测管子振动行为的数据驱动隐式数学模型和基于Hamilton原理等的显示数学模型。为三相流化床蒸发浓缩器的设计、优化操作和安全运行提供理论指导。

汽-液-固三相循环流化床蒸发器具有在线防垢和强化传热的特点。蒸发器的加热室是一个管壳式换热器，其工艺设计等已经比较成熟，但管程流体诱导产生的振动问题随着装置的大型化，流动的复杂化、操作条件的极端化变得愈加严重。尤其在将其推广应用于针对强腐蚀性介质的石墨蒸发器时，石墨属于脆性材质，对于高压、强烈振动冲击和频繁水锤现象的运行环境，需要谨慎对待。但是，关于管内三相流动对石墨管振动行为影响的研究国内外尚属空白。.本项目建立了单根石墨管汽液固三相流外部自然循环流化床蒸发器以及振动参数等动态信号自动测试和采集系统。获取了不同实验条件下石墨管的振动位移、速度和加速度动态演化数据。通过线性时频域和非线性混沌分析，总结了管子的振动原因和机理：振动行为由宏尺度低频（循环流动和设备）、介尺度中频（汽泡）和微尺度高频（颗粒）三个尺度的振动行为组成。发现了管子在不同实验条件下的振动规律：振动加速度、速度和位移信号的灵敏度逐渐降低；振动加速度、速度和位移信号的标准偏差随加热蒸汽压力和平均粒径增加而增加，但三种信号的增加幅度逐渐减小；增加固含率，介尺度高频信号增加显著。.考察了流化床蒸发器的振动、压降、传热等规律及其关联。随着加热蒸汽压力的增加，三相流循环流量上升，压降增加，传热系数增加。增加蒸汽压力和固含率，壁面磨损速率增大；相同蒸汽压力和固含率下，较小粒径颗粒对壁面的磨损更为严重。.基于Hamilton原理建立了汽-液-固沸腾自然循环流化床加热管振动控制方程，石墨管两端固支。在模型推导过程中，应用混相流模型处理多相流体的物理参数。通过数值计算得出如下结论：管道的临界流速为0.85 m/s，当流速在0.85-1.14 m/s之间时管道处于分叉行为。当流速超过1.14 m/s，管道会发生颤振。管长对管的振动影响最大。而管子的固有频率会随着汽含率的增加而增加，而随固含率的增加而减小。.为建立预测管子振动行为的数据驱动模型，对振动加速度信号进行关联维分析。结果表明，汽-液两相和汽-液-固三相流的压降信号都存在多尺度现象。振动信号只有进行小波分解后，才可清楚看到多尺度信号。增加蒸汽压力，各尺度下关联维数D2(1)，D2(2)，D2(3)均增大。增加固含率，D2(2)，D2(3)降低，D2(1)增大。.通过本项目研究，为三相流化床蒸发器浓缩器的设计、优化操作和安全运行提供理论指导。

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