CN103438947B - 一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法，其采用高压气瓶提供流化气体进入供粉系统携带固体粉末形成气固两相流，经两相流进口沿旋风分离器圆筒体内壁切向进入旋风分离器内并形成旋流，旋风分离器内腔导致气压骤降使得两相流速度骤降，固体粉末沿旋风分离器下端内壁下滑进入积粉筒内，同时流化气在压力差和抽气机的共同作用下穿过筛粉网由排气口排出。积粉筒内的粉末质量由电子秤实时称量通过数据线传输给数据采集电脑，由此获得气固两相流中固体粉末的质量流率。气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法，实现了对供给固体粉末质量率的测量，测量过程中旋风分离器工作稳定可靠，整体测量精度较高。

Description

一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体地说，涉及一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法。

背景技术

在工业领域中，利用气体输送煤粉已经被广泛应用，但是对质量流率的测量与控制较为粗略，通常采用时间段平均法，即单位时间内输送粉末的总量除以时间得出时间段内的平均质量流率。在科学实验中，科氏流量计也常用来测量气固两相流质量流率，其原理简单可以直接测量质量流量且不受流体的温度、压力的影响。但是该仪器仅对于稀相输送，即固体粉末在气固两相流中所占质量比例偏低，质量流率的测量较为准确，试验重复性较差，实验装备震动对其影响也大。冲板质量流量计也较为常见，其原理是物料以一定角度下落到倾斜的挡板上，其冲击力分解为水平和垂直两个方向，垂直力由系统机械结构抵消而水平力引起挡板的水平位移由差动变压器式传感器检测出大小，进而由水平力和质量流量的近似现行的关系得出瞬时流量。该方法假设严格，即物料全部打在挡板上，物料反弹后不再落回挡板，所以测量误差较大。现有技术及相关文献中所涉及的内容及方法主要是原理方面的，能够真正应用于工业生产及科学实验中的极少，而且部分方法对于固体推进剂粉末的特殊性质并不适用。而且在新型的粉末火箭发动机粉末供给系统中应用高压气源直接将固体粉末输送到目标高压腔内，由于精度要求高又属于密相输送，即固体颗粒在气固两相流中所占质量比例偏高，最高可达90～95%，其固体粉末的质量流率测量尚无法完成。

发明内容

针对新型粉末火箭发动机粉末供给系统精度要求高，且属于密相输送，其固体粉末的质量流率测量尚无法完成的现状，本发明提出一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法；通过气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置，实现对粉末火箭发动机粉末燃料供给中固体粉末质量率的测量，在测量过程中旋风分离器的工作稳定可靠，整体测量结果精度较高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括抽气机、旋风分离器、筛粉网、支架、积粉筒、连接密封盖、电子秤，数据采集电脑，抽气机位于旋风分离器上端部，筛粉网固定在旋风分离器内上部，两相流进口位于旋风分离器圆筒段外侧壁上，支架安装在旋风分离器下部通过螺栓连接，积粉筒位于旋风分离器下端放置在电子秤上面，电子秤与数据采集电脑相连接；连接密封盖位于积粉筒上端；抽气机与旋风分离器同轴。

一种根据权利要求1所述的气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置进行测量的方法，其特点在于包括以下步骤：

步骤1.提供气固两相流；通过粉末火箭发动机粉末燃料供给系统，由高压气瓶提供流化气体进入供粉系统携带固体粉末形成气固两相流，经软管与连接法兰通过两相流进口进入旋风分离器；

步骤2.分离气固两相流；气固两相流进入旋风分离器，沿旋风分离器圆筒段内壁切向进入并在旋风分离器内形成旋流，旋风分离器内腔导致气压骤降进而使得两相流速度骤降，固体粉末在重力、离心力和内壁摩擦力的作用下沿旋风分离器圆锥段向下沉降，沿内壁下滑经出粉口流出，同时流化气在压力差和旋风分离器上方抽气机的共同作用下上升穿过筛粉网由排气口排出；

步骤3.收集固体粉末；固体粉末粉经由出粉口流入由连接密封盖连接的积粉筒内，完成粉末收集；

步骤4.称量固体粉末；使用电子秤实时称量积粉筒内的粉末质量，并将质量数据传输给数据采集电脑；数据采集频率为1Hz-5Hz，粉末燃料质量流量在0.005～0.250kg/s的范围进行测量；

步骤5.输出测量数据；所测得数据为每个时间测量点的粉末总质量值，利用差分法依据公式即由内部程序自动获得气固两相流中固体颗粒的实时质量流率。

有益效果

本发明提出的一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法，其采用高压气瓶提供流化气体进入供粉系统携带固体粉末形成气固两相流，经两相流进口沿旋风分离器圆筒段内壁切向进入并在旋风分离器内形成旋流，旋风分离器内腔导致气压骤降使得两相流速度骤降，固体粉末沿旋风分离器圆锥段内壁下滑进入积粉筒内，同时流化气在压力差和抽气机的共同作用下穿过筛粉网由排气口排出。积粉筒内的粉末质量由电子秤实时称量通过数据线传输给数据采集电脑，由此获得气固两相流中固体粉末的质量流率。气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法，实现对粉末火箭发动机粉末燃料供给气固两相流中固体粉末质量率的测量，在测量过程中旋风分离器的工作稳定可靠，整体测量结果精度较高，回收率高达98.6%以上，数据采集频率高达5Hz。

本发明的另外一个作用是收集粉末颗粒，实验证明回收率可达98.6%以上。既做到了回收利用又做到了保护环境，同时确保了实验的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法作进一步详细说明。

图1为本发明气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置结构示意图。

图2为气固两相流切向入口示意图。

图3为本发明气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置示意图。

图4为工作稳定段采集的质量变化原始数据曲线图。

图5为对应的质量流率变化曲线图。

图中：

1.抽气机出气口2.抽气机3.抽气机进气口4.排气口5.上盖体6.筛粉网7.圆筒段8.两相流进口9.圆锥段10.出粉口11.连接密封盖12.积粉筒13.固体粉末14.电子秤15.数据线16.数据采集电脑17.气体流线18.法兰19.螺栓20.支架21.固定孔22.凸台

具体实施方式

本实施例是一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置及方法。

参阅图1、图2、图3，本发明气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置，由抽气机2、旋风分离器、筛粉网6、支架20、积粉筒12、连接密封盖11、电子秤14、数据线15、数据采集电脑16、法兰18、螺栓19、固定孔21、凸台22组成，抽气机2安装在旋风分离器排气口的上端部，筛粉网6固定在旋风分离器内上部，两相流进口8位于旋风分离器圆筒段7外侧壁上，支架20安装在旋风分离器下部通过螺栓连接，积粉筒12位于旋风分离器下端放置在电子秤14上面，电子秤14与数据采集电脑16通过数据线15相连接；连接密封盖11安装在积粉筒12上端；抽气机2与旋风分离器同轴安装。

如图1所示，固定在旋风分离器内上部的筛粉网6主要是用来阻止尚未充分分离的固体粉末随同流化气一起从排气口4排出，进而影响装置整体的测量精度。筛分网6可以制作不同目数，以满足不同的实验需要，更换时操作简易。

参见图2，两相流进口8为切向进入旋风分离器圆筒段7，主要是为了让两相流在旋风分离器内部沿气体流线17旋转起来，进而充分利用离心力和摩擦力进行气固分离。连接密封盖11采用可承受一定张力的柔软橡胶膜制成，主要是密封性好，能够在积粉筒12内形成死区进而减少气体旋流对粉筒12的冲击积，从而影响电子秤14的称量结果；第二就是软连接，采用柔软橡胶膜可以保证旋风分离器的任何抖动都不会传力于积粉筒12，使得电子秤14仅仅称量积粉筒12和固体粉末13的质量。

旋风分离器的工作过程：首先由高压气瓶提供流化气体进入供粉系统携带固体粉末形成气固两相流，经过软管与法兰18联通，再经过两相流进口8沿旋风分离器圆筒段7内壁切向进入旋风分离器内并形成旋流，气固两相流进入旋风分离器后由于旋风分离器内腔体积大导致气压骤降进而使得两相流速度骤降，此时固体粉末在重力、离心力和内壁摩擦力的综合作用下向下沉降沿旋风分离器下端盖9内壁下滑经过出粉口10进入由软连接密封盖连接的积粉筒12内，与此同时流化气在压力差和旋风分离器上方抽气机2的共同作用下穿过筛粉网6由排气口4排出。积粉筒12内的粉末质量由电子秤14进行实时称量进而通过数据线15传送给数据采集电脑16，由此可以获得气固两相流中固体粉末的质量流率。旋风分离器整体置于支架20之上，由螺栓19固定，另外为防止支架20晃动在支架20一侧加工固定孔21用螺栓与试车台相连接，以此确保旋风分离器工作时是稳定的。

本发明质量流率测量装置应用在某型号粉末火箭发动机粉末燃料供给气固两相流中固体粉末质量流率的研究过程中，采集频率为1Hz，即一秒采集一次数据，可通过调整程序来改变频率值；粉末燃料质量流量在0.005～0.250kg/s的范围内均可进行测量。图4为工作稳定段采集的质量变化原始数据曲线；图5为对应的质量流率变化曲线。从数据曲线可以看出，粉末火箭发动机粉末燃料供给过程中，固体粉末质量流率较为稳定为23g/s，由此可知，质量流率测量装置可以对气固两相流中固体粉末质量流率进行实时测量；具体步骤如下：

第一步，提供气固两相流；使用粉末火箭发动机粉末燃料供给系统，由高压气瓶提供流化气体进入供粉系统携带固体粉末形成气固两相流，经过软管与法兰18联通，进入两相流进口8；

第二步，分离气固两相流；使用旋风分离器，气固两相流经过两相流进口8沿旋风分离器圆筒段7内壁切向进入并在旋风分离器内形成旋流，气固两相流进入旋风分离器后由于旋风分离器内腔体积大导致气压骤降进而使得两相流速度骤降，此时固体粉末在重力、离心力和内壁摩擦力的综合作用下向下沉降沿旋风分离器下端盖9内壁下滑经过出粉口10流出，与此同时流化气在压力差和旋风分离器上方抽气机的共同作用下上升穿过筛粉网6由排气口4排出；

第三步，收集固体粉末；使用积粉筒12，固体粉末经由出粉口10进入由软连接密封盖连接的积粉筒12内完成粉末收集；

第四步，称量固体粉末；使用电子秤14，积粉筒12内的粉末质量由电子秤14进行实时称量并将质量数据通过数据线15传送给数据采集电脑16；

第五步，输出测量数据；所测得数据为每个时间测量点的粉末总质量值，利用差分法依据公式即由内部程序自动获得气固两相流中固体颗粒的实时质量流率。

基于粉末火箭发动机的密相输送中对测量气固两相流中固体颗粒质量流率稳定性好、准确性高的要求，应用上述步骤的测量方法，经对某型号供粉系统的试验，验证了质量流率测量装置及方法完全能够保证质量流率的测量精度，实现了实时测量。试验装置：1.粉末火箭发动机粉末燃料供给系统；2.气固两相流质量流率测量装置；采集频率为1Hz；驱动压强为2.5MPa；流化压强为2.0MPa；气体流量为1.2g/s；粉末流量为23g/s；工作时间为20s；粉末总量为457.5g；收集质量为451.2g；回收率为98.623%。

原始数据：

时间	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
												质量	0	21	41	62	82	104	125	147	168	189	211
流率	0	21	20	21	20	22	21	22	21	21	22
												时间	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
质量	234	257	280	303	327	350	374	399	424	449	451
												流率	23	23	23	23	24	23	24	25	25	25	2

试验结论：1.供粉系统工作稳定，流量变化平稳，完全满足点火要求；

2.气固两相流质量流率测量装置满足测量要求。

Claims (1)

1.一种气固两相流中固体颗粒质量流率测量装置,包括抽气机、积粉筒、电子秤、数据采集电脑,其特征在于:还包括旋风分离器、筛粉网、支架、连接密封盖,抽气机位于旋风分离器上端部，且与旋风分离器同轴安装，筛粉网固定在旋风分离器内上部，两相流进口位于旋风分离器圆筒段外侧壁上，支架安装在旋风分离器下部通过螺栓连接，积粉筒位于旋风分离器下端放置在电子秤上面，电子秤与数据采集电脑相连接；连接密封盖位于积粉筒上端；其测量方法包括以下步骤:

步骤1.提供气固两相流；通过粉末燃料供给系统，由高压气瓶提供流化气体进入供给系统携带固体粉末形成气固两相流，经软管与连接法兰通过两相流进口进入旋风分离器；

步骤2.分离气固两相流；气固两相流进入旋风分离器，沿旋风分离器圆筒段内壁切向进入并在旋风分离器内形成旋流，旋风分离器内腔导致气压骤降进而使得两相流速度骤降，固体粉末在重力、离心力和内壁摩擦力的作用下沿旋风分离器圆锥段向下沉降,沿内壁下滑经出粉口流出，同时流化气在压力差和旋风分离器上方抽气机的共同作用下上升穿过筛粉网由排气口排出；

步骤3.收集固体粉末；固体粉末粉经由出粉口流入由连接密封盖连接的积粉筒内,完成粉末收集；

步骤4.称量固体粉末；使用电子秤实时称量积粉筒内的粉末质量，并将质量数据传输给数据采集电脑；数据采集频率为1Hz-5Hz，粉末燃料质量流量在0.005～0.250kg/s的范围进行测量；

步骤5.输出测量数据；所测得数据为每个时间测量点的粉末总质量值，利用差分法依据公式即由内部程序自动获得气固两相流中固体颗粒的实时质量流率。