CN101912752B - 固体粒子播发器 - Google Patents

Abstract

固体粒子播发器，为同轴分段密封筒式结构，包括底板、喷嘴、加速段、整流段、流化段和盖板，在加速段和整流段连接处内壁固定安装匀布毫米级通孔的整流板，在整流段和流化段连接处内壁固定安装匀布纳米级缝隙的布风板，布风板上堆放固体粒子，流化段上侧不同高度位置上加工若干层流化物出流口，流化物出流口的轴线与固体粒子播发器的轴线呈15～50°夹角。本发明采用金属粉末烧结压制而成、纳米级缝隙的布风板来分散气流，获得均匀分布的来流，避免了壁面效应的产生；本发明的各段之间的距离以及布风板、侧壁开孔方式，保证足够的流动阻力，减少进气速度和压力分布不均匀引起的壁面效应，克服了聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流和腾涌不正常现象的出现。

Description

固体粒子播发器

技术领域

本发明涉及一种固体粒子播发器，属于流体力学、气体动力学和机械技术领域。

背景技术

流化床技术是近十几年才得到快速发展并逐渐成熟的一项科学技术，目前其流化原理已应用在很多工程领域中。利用流体流动的作用，将大量固体颗粒悬浮于流体中并使之呈现出类似于流体的某些表现特征，这就是固体流态化，借这种固体颗粒的流化状态而实现某些生产过程的操作，称为流态化技术。

姚玉英1997年由天津大学出版社出版的《化工原理》对流化的基本原理进行了阐述，化学工业出版社出版的由陈炳和、许宁主编的《化学反应过程与设备》阐述了流化的基本原理，Jacob Bear著由李竟生、陈崇希译、孙纳正校的中国建筑工业出版社1983出版的《多孔介质流体动力学》，介绍了多孔介质流体动力，刘祥岭、许思龙、刘寿中发表在2008《热机技术》总第93期的“循环流化床锅炉运用和发展”介绍了流化床的循环过程。

这些著作及文章只是对流化的基本原理进行详细阐述和提到在一些具体领域运用流化技术，并没有就如何设计具体利用流化原理来实现粒子播发的设备。对国内外的公开文献进行检索也未见专门实现粒子播发的设备。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于流体力学工程领域的流化床原理设备--固体粒子播发器。本发明可应用在流体力学、气体动力学、爆炸力学等需要进行流场显示、流动速度测量的研究领域，可为流动显示技术、LD V(Iaser Doppler velocimeter)激光测试技术、PIV(particleimage velocimeter)测试技术等提供均匀的不同尺度(纳米、微米、毫米量级)的粒子分布场，填补了国内外此项技术的空白。

本发明的技术解决方案是：固体粒子播发器，为同轴分段密封筒式结构，包括底板、喷嘴、加速段、整流段、流化段和盖板，底板和加速段底部固定连接，喷嘴从一侧穿入加速段底部并与之密封固定连接，加速段和整流段通过法兰连接，在加速段和整流段连接处内壁固定安装整流板，整流段和流化段通过法兰连接，在整流段和流化段连接处内壁固定安装布风板，布风板上堆放固体粒子，流化段上侧不同高度位置上加工若干层流化物出流口，每一层上加工不少于2个流化物出流口，同一层流化物出流口在流化段筒体上均匀分布，流化物出流口的轴线与固体粒子播发器的轴线呈15～50°夹角，流化段上部与盖板固定安装，整流板上均匀加工的毫米级通孔，布风板上均匀加工通透的纳米级缝隙。

所述的布风板采用粉末冶金工艺制成，其上加工的纳米级缝隙为10～100nm。

所述的加速段为倒漏斗型结构，底部为圆柱体、中部为圆锥体、上部为圆柱体，中部圆锥体的锥角为20～50°。

所述的加速段底部的长度为中部长度的1/3～2/3。

所述的整流段的长度是加速段中部长度的1～1.5倍。

所述的流化段的长度与加速段中部长度之比大于6∶1。

所述的流化段上加工4层等距的流化物出流口，在流化段1/3～1/2处加工第一层流化物出流口。

所述的固体粒子直径小于500um。

所述的喷嘴、整流段和盖板上安装测压装置。

所述的整流板的厚度＞3mm。

本发明的设计原理：

本发明设计主要涉及需播发固态颗粒群、颗粒床层的特性及其影响因素，以及在床层流态化时存在的几种主要流化形式及其控制因素。

1、颗粒群的特性

工业中遇到的颗粒群可分为两类单分散性粒子群或多分散性粒子群。本发明播撒的粒子主要是球形颗粒，属于单分散性粒子群，对于播发粒子的评价参数为：1)颗粒群的粒度分布；2)颗粒的平均直径；3)颗粒的堆积密度。

2、颗粒床层及其影响因素

1)大量的固体颗粒堆积在一起便形成颗粒床层。静止的颗粒床层称为固定床；由于流体通过床层导致颗粒群流态化称为流化床。

2)对床层特性产生重要影响的因素如下：

(1)床层的空隙率(void volume)(空隙度)g：

g＝(床层体积-颗粒体积)/床层体积；单位：m³/m³。

空隙率在床层同一截面上的分布是不均匀的。在空器壁面附近，空隙率较大，而在床层中心处空隙率较小。器壁对空隙率的这种影响称为壁效应。壁效应使得流体通过床层的速度不均匀。流动阻力较小的近壁处流速较床层内部大。改善壁效应的方法是通过限制床层直径之比不得小于某极限值。(本发明在设计时得出若选用床层直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略，并将其用于本发明)经实验测定一般非均匀、非球形颗粒度乱堆床层的空隙率大致在g＝0.47-0.7之间。均匀的球体最松排列时空隙率为g＝0.48。最紧排列时空隙率为g＝0.26。

(2)床层的自由截面积(sectional area)

床层的自由截面积是指床层截面上未被颗粒占据的，流体可以自由通过的面积。小颗粒乱堆床层可以认为是各向同性的。各向同性的床层的重要特征之一是其自由截面积与床层截面积之比在数值上与床层空隙率相等。同床层空隙率一样，由于壁效应的影响，壁面附近的自由截面积较大。

(3)床层的比表面积(surface area)

床层的比表面积是指单位体积床层中具有颗粒的表面积(即颗粒与流体接触的的表面积)。如果忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积，对于空隙率为ε的床层，床层的比表面积η(其单位：m²/m³)与颗粒物料的比表面积a具有如下关系：η＝a(1-ε)。

当流体以不同速度由下向上通过固体颗粒床层时，根据流速不同出现的几种流化态现象情况见图2。

1)固定床阶段

当流体空塔速度较低时，颗粒所受到曳力较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒间的空隙而流动，称为固定床，如图2a所示。

2)初始或临界流化床阶段

初始或临界流化状态：当流体空塔速度u稍大于保持固定床速度时颗粒床开始松动颗粒位置也在一定区域内开始调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由活动，床层的表现称为初始流化或临界流化。如图2b所示。

3)流化床阶段

当颗粒间流体的实际速度等于颗粒沉淀速度时固体颗粒将悬浮于流体中作随机运动。床层开始膨胀增高，空隙率也随之增大，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰好与其净重力相平衡。此后床层高度将随流速提高而升高。但颗粒间的实际流速恒等于颗粒沉淀速度。这种床具有类似流体性质，故称流化床如图2c和图2d所示。原则上，流化床有明显的上界面。

4)稀相输送床阶段

若流速在升高达到某一极限值时即颗粒间流体实际流速大于颗粒沉淀速度。流化床的上界面将消失，颗粒分散悬浮于气流中，并不断被气流带走。这种床称为稀相输送床如图2e所示。颗粒开始被带出的速度称为带出速度，其数值等于颗粒在该流体中的沉降速度。

3、实际流化床中两种不同的流化形式：

1)散式流化：

在流态化时，通过床层的流体称为流化介质。散式流化的特点是固体颗粒均匀的分散在流化介质中，接近于理想的流化床，故也称均匀流化。随流速增大，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒间的距离均匀增大，床层高度上升，并保持稳定的上界面。通常，两相密度差小的系统趋向于散式流化。故大多数液-固流化属于散式流化。

2)聚式流化：

对于密度差较大的气-固流化系统，一般趋向于形成聚式流化。在气-固系统的流化床中超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层后，上升至床层上界面时破裂。这些气泡内可能夹带有少量固体颗粒。此时床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相。另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相，由于气泡在床层中上升时逐渐长大、合并，至床层上界面处破裂，因此，床层极不稳定，上界面亦以某种频率上下波动，床层压降也随之相应波动。

4、流化床的主要特性：

1)流化床恒定的压降

(1)理想流化床：

在理想的情况下，流体通过颗粒床层时，克服流体阻力产生的压降与空塔气流速度之间的关系如图3所示，图中3中纵坐标为lgΔp，Δp为压降，横坐标lgμ，μ为气流速度。从图3中可以看出理想流化床可以分为以下几个阶段：

①固体床阶段，此时气流速度较低，床层静止不动，气体通过床层的空隙流动，随着气流速度增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加，如图3中的AB段。

②流化床阶段，当气流速度继续增大到C点时，床层开始松动，颗粒重排，床层空隙率增大，逐渐地颗粒开始悬浮在流体中自由运动，床层的高度随气流速度提高而增高，但整个床层的压力降Δp仍能保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力。流态化阶段的Δp与μ的关系如图3中DE线段所示。

当降低流化床气体速度时，床层高度、空隙率也随之降低Δp与μ的关系曲线沿EDCA′返回，因此相应的压降小一些，C点对应的速度称为临界流化速，是最小流化速度。

(2)实际流化床：

实际流化床的情况比较复杂，其关系曲线如图4所示，图4中横坐标为气流速μ，纵坐标为压降Δp。从图4中看出实际流化床可以分为以下几个阶段：

①在固定床区域AB和流化床区域DE之间有一个“驼峰”BCD，这是固定床的颗粒相互挤压，需要较大的推动力也能使床层松动，直至颗粒达到悬浮时，压力降Δp从驼峰段降到水平段DE，此后压降基本不随气流速度而变。最初的床层越紧密，驼峰段越陡峭。

②由于流化床阶段压降保持不变，压降线DE为水平线，而实际流化床中DE线右端略微向上倾斜，这是由于气体通过床层是的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗粒与容器壁之间的摩擦。

③DE线的上下各有一条虚线，这是气体流化床压力降的波动范围，而DE线是均值线。

④EDC′(流化床阶段)与C′A′(固定床阶段)的交点C′即是临界点。

理想流化床和实际流化床的最大区别是图4的DE线的上下各有条虚线，这是气体流化床压力降的波动范围，在气泡运动、长大、破裂的过程中产生压力降的波动。

2)流化床的不正常现象：

(1)腾涌现象

腾涌现象的产生原因是床层高度与直径之比值过大、气速过高或气体分布不均匀，其现象发生易造成设备振动。

(2)沟流现象

沟流现象是指气体通过床层的是形成短路。大部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好的接触，部分床层变成死床。其形成的原因是颗粒的特性和气体分布板的结构有关。颗粒过细、密度大、易于粘连的颗粒及气流在布风板分布不均。

5、流化床的总高度

流化床的总高度分为密相段(浓相区)和稀相段(分离区)高度之和。流化床界面以下的区域称为浓相区，界面以上的区域称为稀相区。

1)浓相区的高度：当操作气流速度大于临界流化速度时，床层开始膨胀，其膨胀程度的高度。

2)分离区的高度：固体颗粒浓度开始保持不变的最小距离。有时取其等于浓相区的高度。

对于上述设计中出现的问题，本发明在设计中通过各种解决措施，提高流化质量。流化质量是指流化床的均匀程度，即气体分布和气固接触的均匀程度。流化质量不高对流化床的传热、传质及化学反应极为不利。聚式流化床中影响流化质量因素很多。

提高流化质量从以下几个方面改进：

(1)布风板应有足够的流动阻力。在流化床中，布风板的作用除了支撑固体颗粒防止漏料外，还有分散气流，使得气流均匀分布。但一般分布板对气流的影响通常只局限在上方不超过0.5m的区域内。超过0.5m必须采取措施，改善流化质量。设计良好的布风板应对通过它的气流有足够大的阻力，从而保证气流均匀分布于整个床层截面上。只有布风板的阻力足够大时，才能克服聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流等不正常现象。

(2)颗粒的选用。根据颗粒的特性，尤其是颗粒的尺寸和粒度分布对流化床的流动特性有重要的影响。采用小径颗粒和宽分布特别是细粉能起润滑作用，可提高流化质量因素。经实验证明，能够达到良好流化的颗粒尺寸在500um以下。

(3)选用高速气流。高速气流不仅提供了气固两相较大的接触面积，而且增进了两相接触的均匀性，从而有利于提高反应转化率和床内温度均匀性。同时高气速还可以减小设备的直径。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用粉末冶金烧结技术压制而成、纳米级缝隙的布风板来分布气流，获得均匀分布的来流，避免了壁面效应的产生；

(2)本发明的各段之间的距离以及布风板、侧壁开孔方式，保证足够的流动阻力，减少进气速度和压力分布不均匀引起的壁面效应，克服了聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流和腾涌不正常现象的出现；

(3)本发明采用了整流板、布风板使整个床层截面上的气流均匀分布，避免了颗粒床层在床面形成局部堆积；

(4)本发明为了防止流化混合物滞留和塞堵，根据流体出流特点设计了流化物出流口与播发器筒壁的夹角，达到最佳的出流效果；

(5)本发明侧壁开孔方式(不同层、层间间距、夹角)的不同，有利于不同浓度的流化态混合物体导出；

(6)本发明采用纳米量级的颗粒提高流化质量，也可采用高压动力气源提高颗粒床层流化；

(7)本发明采用倒漏斗型加速段，使从喷嘴中进入加速度底部的流体加速，加速后的流体会形成乱流，再通过加速段中部和上部对乱流进行收拢，有利于后续整流板对流体的整流，还能适当降低对气源的压力等级的要求；

(8)本发明采用整流板对通过的气体进行整流，使到达布风板的流体截面压力、方向、速度一致；

(9)本发明经实验现场检验播发功能良好，可播撒纳米/微米/毫米量级的粒子，适用于军工和民用的空气动力学和物理流体力学学科领域的定量分析与研究。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为不同流速下的床层演化过程；

图3为理想流化床的Δρ-μ关系曲线图；

图4为实际流化床Δρ-μ关系曲线图；

图5为采用本发明得到低速流场中涡随时间的演化图片；

图6为采用本发明得到超声速流场的流动显示图片。

具体实施方式

本发明如图1所示，为同轴分段密封筒式结构，属于聚式流化的流化床类型。固体粒子播发器包括底板1、喷嘴2、加速段3、整流段4、流化段5、盖板6和测压装置7。整流段4和流化段5为同轴的圆柱状，喷嘴2、加速段3、整流段4和流化段5采用金属材质制成，必须密封，本发明很好的解决了播发器容体的密封，不易使粒子受潮和污染。

底板1和加速段3底部固定连接，盖板6和流化段5上部固定安装，将播发器上下封堵。

加速段3为倒漏斗型结构，底部为圆柱体、中部为圆锥体、上部为圆柱体，中部圆锥体的锥角为20～50°，喷嘴2从一侧穿入加速段3底部并与之密封固定连接。高压气源从喷嘴2进入加速段3底部加速后，经过中部、上部收拢后的气流通过整流板31进入整流段4。从喷嘴2进入的有压气体对大气播发时的压力一般为0～2Kg。加速段3底部的长度为加速段3中部长度的1/3～2/3，本发明通过确定加速段3底部和中部的间距来减少进气速度和压力分布不均匀引起的壁面效应。

加速段3和整流段4通过法兰连接，在加速段3和整流段4连接处内壁固定安装整流板31。整流板31的厚度＞3mm，采用金属材料制成，例如可采用铜或不锈钢材质，在整流板31上匀布尺寸相同毫米级的通孔，一般通孔直径采用1～1.5mm。整流板31对通过的气体进行整流和使气流截面压强均匀，使到达布风板51的气体压力、方向、速度一致。整流段4的长度是加速段3中部长度的1～1.5倍。

流化段5上侧不同高度位置上加工若干层流化物出流口52，每一层上加工不少于2个流化物出流口52，同一层流化物出流口52在流化段5筒体上均匀分布，流化物出流口52的轴线与固体粒子播发器的轴线呈15～50°夹角，防止流化混合物滞留和塞堵，以求达到最佳的出流效果。如图1所示，流化段5上加工4层(还可以根据具体需要加工其他层数)等距或不等距的流化物出流口52，在流化段5的1/3～1/2处加工第一层流化物出流口52，侧壁开孔方式的不同还有利于不同浓度的流化态混合物体导出。流化物出流口52在固体粒子播发器不工作时封堵，在固体粒子播发器工作时打开，将床体内颗粒像流体一样排出。

整流段4和流化段5通过法兰连接，在整流段4和流化段5连接处内壁固定安装布风板51，流化段5的长度与加速段3中部长度之比大于6∶1。布风板51采用粉末冶金工艺制成，其上均匀加工通透的的纳米级缝隙，一般采用10～100nm。采用纳米孔径的合金材料来分散气流，可以获得均匀分布的来流，避免了壁效应的产生。此外在整个床层截面上的均匀分布气流可以避免颗粒床层在床面形成局部堆积；通过进气段、布风板、侧壁开孔方式的设计，克服了聚式流化的不稳定性，抑制床层中出现沟流和腾涌不正常现象的出现。布风板51上堆放固体粒子，固体粒子直径小于500um，采用小径颗粒和宽分布特别是细粉能起润滑作用，可提高流化质量因素。

流化床高度的设计由流化作用的空间、流化颗粒的运动速度确定，流化床的直径与流化床高度正相关；由于在不同的工作环境下会出现不同程度的振动，通过匹配播发器材质、高度与直径的相互关系来控制播发器的质心位置，使设备在任何工作环境下保持稳定。

在播发器不同的工作段安装有压力检测辅助设备以观察粒子流化状态，如图1所示，在喷嘴2、整流段4和盖板6上安装测压装置7，测压装置7包括测压仪表和导管，用来实时监控整个播发器内的压力。

本发明工作原理：将播发器进口压力调节到工作状态，这些有压气体经喷嘴、加速段、整流段、多孔布风板后产生均匀气流，穿过颗粒床层产生沸腾气床(流化床)，粒子与气体混合流化悬浮，最后沿侧壁的流化物出流口孔导管将粒子导入流场。

操作方法：将颗粒物料堆放在布风板上成塔体，调节控制气体由设备下部通入床层，将气流压力调整到工作状态，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态(流化床)。床体内颗粒可以像流体一样从侧面的流化物出流口孔口排出。

本发明存在的流态化现象有：在高压或一般压力作用下，气体流过空隙为纳米级的多孔布风板向上穿过颗粒床层(纳米、微米、毫米量级颗粒)。随着进出播发器压强差的变化，本发明存在如下流态化现象：当流速低的时候颗粒床层处于固定床状态；随着流速的增加，颗粒互相离开，有少量的颗粒在一定的区间进行震动和游动，形成膨胀床；速度再升高(一般达到2-5m/s)气流使大部分颗粒托起形成沸腾状。粒子上下运动掺混非常强烈，都刚好悬浮在向上流动的气体或者液体中，此时的床层就是流化床起点。流动速度一定时(通常为5～10m/s时)粒子跟随着气流飘浮流动，当打开通道时就会随粒子流导出。

本发明的工作压强差在Δp≥1～3atm时有比较好的粒子播撒效果；随着压强差变大，粒子流变得不稳定，粒子浓度反而有所下降。

本发明提供均匀的纳米/微米/毫米量级的粒子流动场。为在流动显示、LDV激光测试、PIV测试及需显示流动场范畴的领域，提供良好的技术服务支持。

采集到的图像如图5、6所示，本发明可以较好解决纳米粒子的团聚现象，本发明播发的粒子均匀，含粒子的播发气流对主流场的品质、流动特性影响可忽略，显示本发明播撒的粒子分解性能良好，粒子体积差别小，粒子均匀分布流动，粒子跟随性非常好，流动显示和测试计算结果可靠、相吻合。

本发明的设计外观新颖、主体牢固、安全、稳定、耐用，经过耐压测试和检验。

发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.固体粒子播发器，其特征在于：为同轴分段密封筒式结构，包括底板(1)、喷嘴(2)、加速段(3)、整流段(4)、流化段(5)和盖板(6)，底板(1)和加速段(3)底部固定连接，喷嘴(2)从一侧穿入加速段(3)底部并与之密封固定连接，加速段(3)和整流段(4)通过法兰连接，在加速段(3)和整流段(4)连接处内壁固定安装整流板(31)，整流段(4)和流化段(5)通过法兰连接，在整流段(4)和流化段(5)连接处内壁固定安装布风板(51)，布风板(51)上堆放固体粒子，流化段(5)上侧不同高度位置上加工若干层流化物出流口(52)，每一层上加工不少于2个流化物出流口(52)，同一层流化物出流口(52)在流化段(5)筒体上均匀分布，流化物出流口(52)的轴线与固体粒子播发器的轴线呈15～50°夹角，流化段(5)上部与盖板(6)固定安装，整流板(31)上均匀加工毫米级通孔，布风板(51)上均匀加工通透的纳米级缝隙；所述的加速段(3)为倒漏斗型结构，底部为圆柱体、中部为圆锥体、上部为圆柱体，中部圆锥体的锥角为20～50°。

2.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的布风板(51)采用粉末冶金工艺制成，其上加工的纳米级缝隙为10～100nm。

3.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的加速段(3)底部的长度为中部长度的1/3～2/3。

4.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的整流段(4)的长度是加速段(3)中部长度的1～1.5倍。

5.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的流化段(5)的长度与加速段(3)中部长度之比大于6∶1。

6.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的流化段(5)上加工4层等距的流化物出流口(52)，在流化段(5)1/3～1/2处加工第一层流化物出流口(52)。

7.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的固体粒子直径小于500微米。

8.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的喷嘴(2)、整流段(4)和盖板(6)上安装测压装置(7)。

9.根据权利要求1所述的固体粒子播发器，其特征在于：所述的整流板(31)的厚度＞3mm。

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