CN104297252B - 一种燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置及测量方法，燃烧系统和碰撞系统被置于一个密封腔内，密封腔与气源相连，可通过流量阀调节燃烧气氛；燃烧反应装置为具有温度控制功能的管式电加热炉，实现燃料颗粒的加温；燃料颗粒温度的追踪使用红外热成像仪，实现非接触测量颗粒碰撞时的温度；使用高速摄像机对燃料颗粒碰撞前后的运动图像进行捕捉，利用图像分析，获得颗粒碰撞前后的速度，计算获得碰撞恢复系数。本装置在高温热态条件下测得的颗粒碰撞恢复系数，对热态流化床的数理建模具有重要的实际价值；同时区别于冷态实验，热态工况更加接近流化床中燃料燃烧真实环境，因此得到的实验数据可以用来分析判别燃料燃烧中的聚团、结块趋势。
Description
技术领域
本发明属于能源工程、化学工程领域，特别是一种热态工况下燃料颗粒碰撞恢复系数测量装置及测量方法。
背景技术
颗粒的碰撞恢复系数可以用颗粒碰撞后的反弹速度与碰撞前的速度的比值来定义，即e＝|VR|/V，其中VR是指颗粒碰撞后的反弹速度，V是指颗粒碰撞前的速度，碰撞恢复系数的物理意义在于描述碰撞前后的能量损失大小。
在流化床燃烧反应器(如流化床、喷动床)的数值模拟中，燃料颗粒(如煤颗粒、生物质颗粒、废塑料颗粒等)的碰撞恢复系数是描述颗粒运动的关键参数之一，利用这一参数，可以方便的计算颗粒在碰撞接触后的速度大小。
文献(Gibson L T M,et al.Image analysis measurements of particle coefficient of restitution for coal gasification applications[J].Powder Technology,2013,247:30-43.)提供了一种常温条件下煤颗粒碰撞恢复系数的测量方法及装置。
然而在能源及化工领域，固体燃料流态化燃烧、气化时，颗粒处于高温条件下，燃料颗粒表面的灰层易发生熔融，形成液态物质，此时颗粒间的相互作用本质是湿颗粒的碰撞接触过程。
区别于干颗粒，由于液相的存在，湿颗粒碰撞过程中还会发生液桥作用，液桥毛细力、粘性力等粘附作用的存在，使得颗粒的碰撞恢复系数将发生明显变化。这也是导致许多流化床、喷动床在冷态时流态化运行的很好，而在高温时却容易流态化失败(聚团、结块等)的重要因素。
在常温条件下测得的恢复系数用于热态流动模拟并不合适，模拟结果也无法预测指导反应器实际燃烧时能否安全运行，实现稳定的流态化。
文献(Antonyuk S,et al.Influence of liquid layers on energy absorption during particle impact[J].Particuology,2009,7(4):245-259.)总结了现有的湿颗粒碰撞恢复系数的测量装置，但这些装置都只适用于常温条件下湿颗粒碰撞恢复系数的测量，同样无法实现燃料颗粒在高温熔融工况下的碰撞恢复系数测量。
综上所述，尚缺少一种能够对燃料颗粒的热态碰撞恢复系数进行测量的装置。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种固体燃料颗粒热态碰撞 恢复系数测量装置及测量方法，解决现有常规的碰撞恢复系数测量装置无法实现燃料颗粒在高温熔融工况下的碰撞恢复系数测量的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，包括中空的密封腔，所述密封腔上设置有进气口和出气口，所述进气口通过管道连接至气源，所述出气口上设置有阀门用以控制与外界的联通与否；在密封腔内部的上方位置固定有管式电加热炉，且管式电加热炉的轴向竖直放置，所述管式电加热炉连接至电炉温度控制单元；位于管式电加热炉的上方的密封腔上开设有颗粒出入口、密封塞和颗粒支撑架，所述密封塞与颗粒出入口匹配，所述颗粒支撑架穿过密封塞后一端位于密封腔内部的管式电加热炉的空腔中、另一端位于密封腔外部，且位于密封腔内部的一端设置有颗粒托盘；在密封腔内部的下方位置设置有撞击平台，且撞击平台正对管式电加热炉的空腔；在密封腔的侧壁对准撞击平台上表面的位置上开设有红外热成像孔和高速摄像孔，所述红外热成像孔上密封有透红外线玻璃，密封腔外部正对透红外线玻璃设置有红外热成像仪，所述高速摄像孔上密封有透明玻璃，密封腔外部正对透明玻璃设置有高速摄像机，所述红外热成像仪和高速摄像机均连接至计算机。
进一步的，在本发明中，红外热成像仪与高速摄像机二者的成像路线为同一水平高度，且相互垂直。这样红外热成像仪与高速摄像机可以分别记录到燃料颗粒在碰撞过程的影像而互不干涉。
进一步的，在本发明中，所述撞击平台通过高度调节装置固定在密封腔底部。由于高温熔融颗粒的碰撞本质上是一个湿颗粒碰撞过程，在不同的碰撞速度条件下，恢复系数并非定值，将会变化。因此将碰撞平台设计成高度可调节的结构，就可以进行多种撞击速度下的恢复系数测量。具体的，可以通过高度调节装置进而使得撞击平台与燃料颗粒之间的距离发生变化，那么就可以获得不同的燃料颗粒撞击速度，即如果距离较短时，燃料颗粒的自由下降高度小，撞击速度小；反之，距离长则撞击速度大。
进一步的，在本发明中，所述气源与进气口之间的管道上设置有气体流量调节阀。气体流量调节阀可以合理控制进气量，使得密封腔内的气氛达到反应所需的状态。
进一步的，在本发明中，所述密封腔为不锈钢箱体。不锈钢耐热、耐腐蚀，具有较高的化学稳定性，不受燃烧和碰撞过程的影响。
进一步的，在本发明中，所述颗粒支撑架下端设置的颗粒托盘为平板型。平板型可以很好地支撑住燃料颗粒，并且一旦颗粒支撑架受到震动，颗粒托盘会跟着震动而不处于平面位置，燃料颗粒会因此较为顺利地掉落。
进一步的，在本发明中，所述透红外线玻璃、透明玻璃通过螺栓、密封垫配合分别 将密封腔上的孔外热成像孔和高速摄像孔密封。通过设置不同玻璃以实现拍摄测量要求，玻璃的选择最好选用耐高温材质。
一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量方法，包括顺序执行的以下步骤：
步骤1、开启气源，调节气体流量调节阀，使得密封腔内形成所需气氛；
步骤2、将密封塞连同颗粒支撑架一并取下，通过电炉温度控制单元开启管式电加热炉，加热到设定温度；
步骤3、将燃料颗粒放置在颗粒支撑架上的颗粒托盘中，将密封塞安装回颗粒出入口中，该步骤防止燃料颗粒洒落；
步骤4、待燃料颗粒加热燃烧熔融后，轻微震动颗粒支撑架，使燃料颗粒自由下落撞击平台；与此同时，高速摄像机记录下燃料颗粒的撞击过程图像并存入计算机，红外热成像仪记录下撞击时燃料颗粒的红外图像并存入计算机；
步骤5、计算机对高速摄像机获得的图像进行处理，获得燃料颗粒撞击前的速度V和撞击后的反弹速度VR，并按照颗粒碰撞恢复系数的定义公式计算出碰撞恢复系数e＝|VR|/V；计算机同时根据红外热成像仪获得的红外图像识别颗粒碰撞时的温度状态。
本发明将管式电加热炉作为燃烧反应装置，并在其下方设置碰撞平台，通过调节气源产生反应所需的气氛，并且利用电炉温度控制单元进行温度控制实现燃料颗粒加温，然后利用扰动颗粒支撑架和燃料颗粒的重力作用实现碰撞；在整个碰撞过程中，颗粒温度的追踪使用红外热成像仪，结合计算机判别实现非接触测量燃料颗粒碰撞时的温度；使用高速摄像机对燃料颗粒碰撞前后的运动图像进行捕捉，利用图像分析，获得燃料颗粒碰撞前后的速度，计算可得碰撞恢复系数。
有益效果：本发明的装置及方法，根据反应的实际运行情况，进行高温热态条件下的颗粒碰撞恢复系数测量，包括实现不同反应条件下的测量，如调节进气量可以形成可控的反应气氛，如实现富氧燃烧或缺氧燃烧等，又如调节电炉温度控制单元，实现不同温度下的燃烧，其中也包括熔融状态下的测量；
在本装置使用过程中，利用红外热成像而非热电偶测量，实现了在不影响燃料颗粒运动特性的情况下实现颗粒温度的非接触测量；
对于本装置在高温热态条件下测得的颗粒碰撞恢复系数，对热态流化床的数理建模具有极为重要的实际价值；同时区别于冷态实验，热态工况更加接近流化床中燃料燃烧真实环境，因此得到的实验数据可以用来分析判别燃料燃烧中的聚团、结块趋势，这时恢复系数越小，越容易聚团，也越容易使高温下的流态化失败。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本装置的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，包括由不锈钢制成的中空的密封腔1，所述密封腔1上设置有进气口和出气口，所述进气口通过管道接至气源，并且进气口与气源之间设置有气体流量调节阀11，所述出气口上设置有阀门用以控制与外界联通与否。在使用本装置过程中打开出气口处的阀门，排除燃烧产生的烟气及多余的反应气体，使用完毕后关闭气体流量调节阀11和出气口处的阀门，避免空气中的水蒸气进入。
在密封腔1内部的上方位置固定有管式电加热炉2，且管式电加热炉2的轴向竖直放置，所述管式电加热炉2连接至电炉温度控制单元7；位于管式电加热炉2的上方的密封腔1上开设有颗粒出入口、密封塞4和颗粒支撑架3，所述密封塞4与颗粒出入口匹配，所述颗粒支撑架3穿过密封塞4后一端位于密封腔1内部的管式电加热炉2的空腔中、另一端位于密封腔1外部，且位于密封腔1内部的一端设置有平板型的颗粒托盘用以加装燃料颗粒；在密封腔1内部的下方位置固定有撞击平台5，且撞击平台5正对管式电加热炉2的空腔，所述撞击平台5下设置有高度调节装置，可以将撞击平台5调整到距离颗粒支撑架3合适的高度后固定。
在密封腔1的侧壁对准撞击平台5上表面的位置上开设有孔外热成像孔和高速摄像孔，所述红外热成像孔上设置有透红外线玻璃12，所述高速摄像孔上设置有透明玻璃13，这里透明玻璃13优选耐高温石英玻璃，上述透红外线玻璃12、透明玻璃13均通过螺栓、密封垫配合分别将密封腔1上的红外热成像孔和高速摄像孔密封；密封腔1外部正对透红外线玻璃12设置有红外热成像仪8，密封腔1外部正对透明玻璃13设置有高速摄像机9，如图2所示，红外热成像仪8与高速摄像机9的成像路线为同一水平面，且相互垂直，所述红外成像仪8和高速摄像机9均连接至计算机6。
一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量方法，包括顺序执行的以下步骤：
步骤1、开启气源10，调节气体流量调节阀11，使得密封腔1内形成所需气氛；
步骤2、将密封塞4连同颗粒支撑架3一并取下，通过电炉温度控制单元7开启管式电加热炉2，加热到设定温度；
步骤3、将燃料颗粒放置在颗粒支撑架3上的颗粒托盘中，将密封塞4安装回颗粒出入口中，该步骤防止燃料颗粒洒落；
步骤4、待燃料颗粒加热燃烧熔融后，轻微震动颗粒支撑架3，使燃料颗粒自由下落撞击平台5；与此同时，高速摄像机9记录下燃料颗粒的撞击过程图像并存入计算机6，红外热成像仪8记录下撞击时燃料颗粒的红外图像并存入计算机6；
步骤5、计算机6对高速摄像机9获得的图像进行处理，获得燃料颗粒撞击前的速度V和撞击后的反弹速度VR，这两个速度的获得可以通过测量较短的时间间隔下燃料颗粒的位移量，利用速度＝位移/时间间隔的方法获得，然后按照颗粒碰撞恢复系数的定义公式计算出碰撞恢复系数e＝|VR|/V；计算机同时根据红外热成像仪8获得的红外图像识别颗粒的温度状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：包括中空的密封腔(1)，所述密封腔(1)上设置有进气口和出气口，所述进气口通过管道连接至气源(10)，所述出气口上设置有阀门用以控制与外界联通与否；在密封腔(1)内部的上方位置固定有管式电加热炉(2)，且管式电加热炉(2)的轴向竖直放置，所述管式电加热炉(2)连接至电炉温度控制单元(7)；位于管式电加热炉(2)的上方的密封腔(1)上开设有颗粒出入口、密封塞(4)和颗粒支撑架(3)，所述密封塞(4)与颗粒出入口匹配，所述颗粒支撑架(3)穿过密封塞(4)后一端位于密封腔(1)内部的管式电加热炉(2)的空腔中、另一端位于密封腔(1)外部，且位于密封腔(1)内部的一端设置有颗粒托盘；在密封腔(1)内部的下方位置设置有撞击平台(5)，且撞击平台(5)正对管式电加热炉(2)的空腔；在密封腔(1)的侧壁对准撞击平台(5)上表面的位置上开设有红外热成像孔和高速摄像孔，所述红外热成像孔上密封有透红外线玻璃(12)，密封腔(1)外部正对透红外线玻璃(12)设置有红外热成像仪(8)，所述高速摄像孔上密封有透明玻璃(13)，密封腔(1)外部正对透明玻璃(13)设置有高速摄像机(9)，所述红外热成像仪和高速摄像机均连接至计算机(6)。
2.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：红外热成像仪(8)与高速摄像机(9)的成像路线为同一水平高度，且相互垂直。
3.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：所述撞击平台(5)通过高度调节装置固定在密封腔(1)底部。
4.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：所述气源(10)与进气口之间的管道上设置有气体流量调节阀(11)。
5.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：所述密封腔(1)为不锈钢箱体。
6.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：所述颗粒支撑架(3)下端设置的颗粒托盘为平板型。
7.根据权利要求1所述的固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置，其特征在于：所述透红外线玻璃(12)、透明玻璃(13)通过螺栓、密封垫配合分别将密封腔(1)上的红外热成像孔和高速摄像孔密封。
8.根据权利要求4所述的一种固体燃料颗粒热态碰撞恢复系数测量装置的测量方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：
步骤1、开启气源(10)，调节气体流量调节阀(11)，使得密封腔(1)内形成所需气氛；
步骤2、将密封塞(4)连同颗粒支撑架(3)一并取下，通过电炉温度控制单元(7) 开启管式电加热炉(2)，加热到设定温度；
步骤3、将燃料颗粒放置在颗粒支撑架(3)上的颗粒托盘中，将密封塞(4)安装回颗粒出入口中，该步骤注意防止燃料颗粒洒落；
步骤4、待燃料颗粒加热燃烧后，轻微震动颗粒支撑架(3)，使燃料颗粒自由下落撞击平台(5)；与此同时，高速摄像机(9)记录下燃料颗粒的撞击过程图像并存入计算机(6)，红外热成像仪(8)记录下撞击时燃料颗粒的红外图像并存入计算机(6)；
步骤5、计算机(6)对高速摄像机(9)获得的图像进行处理，获得燃料颗粒撞击前的速度V和撞击后的反弹速度VR，并按照颗粒碰撞恢复系数的定义公式计算出碰撞恢复系数e＝|VR|/V；计算机同时根据红外热成像仪(8)获得的红外图像识别颗粒碰撞时的温度状态。
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