CN105004757B - 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法 - Google Patents

一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105004757B
CN105004757B CN201510393790.9A CN201510393790A CN105004757B CN 105004757 B CN105004757 B CN 105004757B CN 201510393790 A CN201510393790 A CN 201510393790A CN 105004757 B CN105004757 B CN 105004757B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nozzle
air
gas
flow
particle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510393790.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105004757A (zh
Inventor
吴宁
李水清
姚强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201510393790.9A priority Critical patent/CN105004757B/zh
Publication of CN105004757A publication Critical patent/CN105004757A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105004757B publication Critical patent/CN105004757B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Abstract

本发明提供一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法,其中测量系统包括颗粒发生装置、气体预热喷嘴组件、含颗粒气流喷嘴组件、承压舱、成像装置、测速装置;测量方法包括气体预热对冲、准稳态升温和可视化分析三部分。装置的原理为:通过颗粒发生装置形成均匀的含颗粒气流,通过调节给粉量以产生不同颗粒浓度的含颗粒气流,以相对布置的两个射流喷嘴形成对冲结构,在上喷嘴内布置加热装置,在下喷嘴内部布置旋叶和均流板,对气流中的固体颗粒进行二次弥散,并对气流速度分布进行整形,使喷嘴出口处获得对称分布的含颗粒气流并形成滞止流场。本发明的装置和方法可产生并测量均匀含颗粒气流的着火温度,广泛应用于能源、环保、化工、冶金、制药、生物等领域的科研和生产实践。

Description

一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种测量气流着火特性的系统和方法,具体说是一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法,利用对冲射流的纯一维特性及拉伸率可控的优点,可视化测量含颗粒气流在有拉伸流场中的着火特性。
背景技术
当前研究含颗粒气流(Particle-laden Flow)特别是煤粉气流着火特性的常用方法,包括滴管炉法(DTF)、热重分析法(TGA)、线网反应器法、激光加热反应器法、平焰燃烧器法等。这些方法均将含颗粒气流粒置于均相无拉伸或拉伸率不可控、并且难以测量的流场条件中。然而在实际燃煤系统中,比如煤粉,其受热升温的过程通常经历着复杂的、有拉伸的流场条件,使得燃料颗粒与气相间的非均相反应和流动扩散存在竞争作用;另一方面当颗粒在流场中的Stokes数大于1时,发生明显的相对滑移,致使颗粒与环境的传质传热过程更为复杂。由于这两方面原因,使其着火特性相对于无拉伸流场条件下的实验数据出现偏离。
有别于传统含颗粒流着火研究,要想获得特定拉伸流场中的含颗粒流着火特性,不仅需要建立可定量测量和控制调节拉伸率的高温加热实验系统,同时要克服精确控制均匀单分散颗粒流并实现可视化着火测量的难题。当前测量拉伸率对着火和火焰传播特性影响的主要实验手段,为基于对冲射流的滞止流场实验系统。宏观湍流的众多细微结构中包含着强曲率和强拉伸率的涡管,其拉伸的影响很难进行实验研究,而对冲射流形成的滞止面是具有纯一维特性的拉伸流场,从而提供了可定量的精确实验方法。当前滞止流场实验方法主要用于气相均相着火和燃烧试验,而未见用于非均相含颗粒气流着火的方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明提供一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法;具体来说,利用对冲射流的纯一维特性及拉伸率可控的优点,可视化测量含颗粒流在有拉伸流场中的着火特性。该装置及方法可以满足能源、环保、化工、冶金、制药、生物等领域的基础研究和工业应用。
本发明的目的之一在于提供一种测量含颗粒气流着火温度的系统,该系统含有颗粒发生装置、气体预热喷嘴组件、含颗粒气流喷嘴组件、承压舱、热电偶、成像装置和测速装置;气体预热喷嘴组件和含颗粒气流喷嘴组件安装在承压舱上,颗粒发生装置通过管线与含颗粒气流喷嘴组件连通,成像装置和测速装置设置于承压舱侧面。
优选的,所述气体预热喷嘴组件与含颗粒气流喷嘴组件分别安装在承压舱的上下端面,并在同一轴线上相对布置,从而使预热气体与含颗粒气流对冲射流形成滞止面,对冲射流具有纯一维特性及拉伸率可控的特点,形成的滞止面对称中心沿轴线方向是具有纯一维特性的拉伸流场,并且可通过调节两股对冲气流的质量流量比,改变含颗粒气流发生着火时的流场拉伸率条件,为可定量测量提供了精确的实验条件。
优选的,所述气体预热喷嘴组件包括上喷嘴,上喷嘴内设置有第一级加热装置,上喷嘴外设置有第二级加热装置,还包括水冷外壳,上喷嘴气体入口和上喷嘴保护气入口设置于水冷外壳上,并通过管道穿过水冷外壳与上喷嘴连通;所述含颗粒气流喷嘴组件包括下喷嘴、下喷嘴保护气入口、下喷嘴气体入口、电机、旋叶、均流板以及下喷嘴外壳,所述旋叶安装在下喷嘴底部,所述电机与旋叶相连接,安装在下喷嘴外壳底部,所述均流板安装在下喷嘴出口处,下喷嘴保护气入口和下喷嘴气体入口设置于下喷嘴外壳上,并通过管道穿过下喷嘴外壳与下喷嘴连通。气体预热喷嘴组件的预热温度在298~1873K。
优选的,所述上喷嘴为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;第一级加热装置安装在上喷嘴的内壁内部,第二级加热装置环绕上喷嘴的外壁外部安装;上喷嘴气体入口连通至上喷嘴双层同心结构的中心通道,上喷嘴保护气入口连接至上喷嘴双层同心结构的外层通道;所述下喷嘴为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;下喷嘴气体入口连通至下喷嘴双层同心结构的中心通道,下喷嘴保护气入口连接至下喷嘴双层同心结构的外层通道。通过该喷嘴结构,可实现精确控制的均匀分散含颗粒气流。
优选的,所述均流板采用金属材质薄壁蜂窝结构,均流板壁厚与下喷嘴内径的比值在1:500~1:50;所述旋叶的叶片数在2~10片,叶片水平倾角在5~90°,转速在0~10000rpm。基于旋叶物理碰撞方式使上游含颗粒气流中出现团聚的颗粒发生解聚,此过程不改变颗粒的结构和化学成分,可获得均匀弥散的颗粒空间分布特性,再通过薄壁金属蜂窝导流结构,重整含颗粒气流流场,使出口获得稳定的层流特性。
优选的,所述上喷嘴(7)与下喷嘴(15)的内径为4~100mm,喷嘴外径依据喷嘴的外层通道和中心通道截面积相近的原则选取,喷嘴的尺寸根据实验规模和待测含颗粒气流的特性来选择,材质根据实验温度范围可分别选择金属、石英玻璃或刚玉管;上下喷嘴工作气体质量流量均为0.01~100SLM,根据实验测量中需要达到的拉伸率条件来选择;上下喷嘴的保护气体的质量流量均为0.05~100SLM,根据由工作气体对冲形成的滞止流场稳定新来选择保护气的质量流量;保护气体为氮气、氩气或与工作气体相同。
优选的,颗粒发生装置采用刮板式给粉器、流化床式给粉器或碰撞解聚式给粉器,给粉量在0.01~100g/min,颗粒发生装置的气体出口通过管线与含颗粒气流喷嘴组件的下喷嘴气体入口连接。
优选的,所述热电偶采用K、S、B或W型热电偶,通过支撑构件安装于承压舱内,热电偶线径为0.05~0.5mm,热电偶头部为圆形或椭圆形。
优选的,所述成像装置和测速装置的光轴布置在与上喷嘴和下喷嘴的轴线垂直的方向上。所述成像装置采用单镜头反光相机、高速相机、增强电荷耦合CCD,其成像分辨率高于480x480像素。所述测速装置采用多普勒激光测速仪(LDA/PDA)或粒子图像测速装置(PIV)。
优选的,所述承压舱上安装有气体出口,承压舱侧面安装有观察窗。所述承压舱的工作气压范围为0~2MPa;气体出口的数量为2~8个,均布在承压舱的端面上;气体出口可连接调节阀门,用以控制排气流量和承压舱内的气压;观察窗采用石英光学玻璃,数量为2~4个,对称安装在承压舱侧面。通过观察窗实现可视化测量,可直接获得颗粒的数浓度、着火点和着火延迟时间。承压舱结构密封,适用于低压或高压环境。
本发明的另一目的在于还提供一种采用如上述测量系统的测量含颗粒气流着火温度的方法,该方法包含如下步骤:
1)预热对冲:将氮气和氧气按比例混合并分成两路,一路通入上喷嘴,经由第一级加热装置和第二级加热装置预热后喷出,另一路通入颗粒发生装置,携带颗粒后形成含颗粒气流并顺次进入下喷嘴,通过旋叶的高速碰撞作用进行二次弥散,旋叶的转速选取应同时满足以下关系式:
式中,Ni为颗粒与叶片的估算撞击次数;δb为旋叶单个压片的宽度,单位m;θ为旋叶单个叶片与水平面的夹角,单位°;vg为下喷嘴内气流平均速度,单位m/s;nr为旋叶转速,单位rpm;b为旋叶的叶片数,单位个;vc为估算平均撞击速度,单位m/s;rb为旋叶半径,单位m;
经过旋叶的二次弥散作用后,下喷嘴的含颗粒气流中颗粒的空间分布更为均匀;通过均流板整流后,最终在下喷嘴出口处形成均匀分散的含颗粒层流气流,并与来自上喷嘴的热气流相向对冲形成滞止流场;上喷嘴和下喷嘴的保护气入口均通入氮气,用以在喷嘴出口处形成保护气层,隔离喷嘴气流和环境气流,并起到稳定流场的作用;通过设定加热装置的加热功率来调节上喷嘴气体出口温度,通过改变两路气体的质量流量比值来移动对冲流场滞止面位置;初始的气体预热温度应保持在含颗粒气流未发生着火的最高温度附近,并等待至温度稳定;
温度稳定后,开启测速装置,测量对冲流场中心轴线处沿竖直方向上的气流速度分布数据,对测量数据采用线性拟合得到的斜率取相反数,即定义为流场拉伸率:
式中,K为拉伸率,单位s-1;u为气流速度,单位m/s;x为竖直方向距离,单位m;
通过调整上下喷嘴的气流质量流量比,或者改变上喷嘴气流的预热温度,可改变流场的拉伸率达到期望的数值;
2)准稳态升温:设定加热装置使预热气体以低于5K/min的速率匀速升温,直至含颗粒气流发生明显的颗粒着火现象;发生着火后停止升温,保持预热气体温度稳定;等待至预热气体温度波动小于±1K,用热电偶测量此时的预热气体出口处的中心温度,即为含颗粒气流的实测着火温度;当实测着火温度高于800K时,需对实测着火温度进行辐射校正;
3)可视化测量:采用成像装置对稳定发生着火的含颗粒气流对冲流场区域进行多次曝光成像,对图像数据依次进行测量标定和数据平均,可得含颗粒气流相对下喷嘴出口处的着火距离,结合含颗粒气流出口速度变化历史可得含颗粒气流的着火延迟时间。对于颗粒在流场中Stokes数大于1的情况,可简化计算,取气流出口处的速度代替颗粒沿程速度,则着火延迟时间可用下式计算:
式中,tigd为着火延迟时间,单位s;h为相对下喷嘴出口的着火距离,单位m;vg0为下喷嘴出口处的气流速度,单位m/s。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:①基于旋叶物理碰撞方式使上游含颗粒气流中出现团聚的颗粒发生解聚,此过程不改变颗粒的结构和化学成分,可获得均匀弥散的颗粒空间分布特性。②通过薄壁金属蜂窝导流结构,重整含颗粒气流流场,使出口获得稳定的层流特性。③适用的颗粒种类、颗粒质量流量可选范围广泛。④可通过调节两股对冲气流的质量流量比,改变含颗粒气流发生着火时的流场拉伸率条件。⑤通过可视化测量,可直接获得颗粒的数浓度、着火点和着火延迟时间。⑥结构密封,适用于低压或高压环境中。可以满足能源、环保、化工、冶金、制药、生物等领域的基础研究和工业应用。
附图说明
图1为本发明系统的结构原理示意图。
图中:1-气体入口,2-颗粒发生装置,3-第一级加热装置,4-上喷嘴气体入口,5-上喷嘴保护气入口,6-水冷外壳,7-上喷嘴,8-第二级加热装置,9-下喷嘴保护气入口,10-下喷嘴气体入口,11-电机,12-旋叶,13-下喷嘴外壳,14-均流板,15-下喷嘴,16-热电偶,17-气体出口,18-承压舱,19-观察窗,20-成像装置,21-测速装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构,及其工作过程作进一步的说明。
本发明所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法,主要适用于固体无粘颗粒,通过颗粒发生装置形成均匀的含颗粒气流,通过调节给粉量以产生不同浓度的含颗粒气流。以相对布置的两个射流喷嘴形成对冲结构,在一端射流喷嘴内布置气体预热装置,在另一端射流喷嘴内部布置高速旋叶结构和薄壁均流器,对气流中的固体颗粒进行二次弥散,并对气流速度分布进行最终整流,使喷嘴出口处获得对称分布的含颗粒气流。测量含颗粒气流着火温度的方法包括气体预热对冲、准稳态升温和可视化分析三部分。
实施例:如图1所示,一种测量含颗粒气流着火温度的系统,该系统含有颗粒发生装置(2)、气体预热喷嘴组件、含颗粒气流喷嘴组件、承压舱(18)、热电偶(16)、成像装置(20)和测速装置(21)。
气体预热喷嘴组件包括第一级加热装置(3)、上喷嘴气体入口(4)、上喷嘴保护气入口(5)、水冷外壳(6)、上喷嘴(7)以及第二级加热装置(8);所述上喷嘴(7)为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;第一级加热装置(3)安装在上喷嘴(7)的内壁内部,第二级加热装置(8)环绕上喷嘴(7)的外壁外部安装,两级加热装置的总加热功率为2kW;上喷嘴气体入口(4)和上喷嘴保护气入口(5)设置于水冷外壳(6)上,并通过管道穿过水冷外壳(6)与上喷嘴(7)连通,上喷嘴气体入口(4)连通至上喷嘴(7)双层同心结构的中心通道,上喷嘴保护气入口(5)连接至上喷嘴(7)双层同心结构的外层通道。发明人经过多次精密的实验,针对不同成分和形貌的各类可燃性固体颗粒形成的含颗粒气流,确定气体预热喷嘴组件的预热温度可选范围为298~1873K,预热温度最低为室温,最高不超过组成喷嘴的现有石英材料的极限软化温度。在本例中,经过快速升温预着火实验发现含颗粒气流着火温度接近约1115K,为更精确地测量着火温度,故再次设定气体预热喷嘴组件的预热温度为1100K,然后进行准稳态升温。
所述含颗粒气流喷嘴组件包括下喷嘴保护气入口(9)、下喷嘴气体入口(10)、电机(11)、旋叶(12)、下喷嘴外壳(13)、均流板(14)以及下喷嘴(15);下喷嘴(15)为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;下喷嘴保护气入口(9)和下喷嘴气体入口(10)设置于下喷嘴外壳(13)上,并通过管道穿过下喷嘴外壳(13)与下喷嘴(15)连通,下喷嘴气体入口(10)连通至下喷嘴双层同心结构的中心通道,下喷嘴保护气入口(9)连接至下喷嘴双层同心结构的外层通道;均流板(14)采用金属材质薄壁蜂窝结构,安装在下喷嘴(15)出气口处,为了确保良好的均流效果,发明人经过多次精密的实验,对均流板壁厚进行了优化,均流板壁厚与下喷嘴内径的比值可以在1:500~1:50之间,均流板壁厚过大会在尾部形成明显的扰流而破坏层流特性,降低均流效果,而均流板壁厚过小会使板体结构强度降低、易发生变形,继而影响均流效果,且不易加工,在本例中选择该比值为1:100,即壁厚0.2mm的不锈钢蜂窝板;旋叶(12)安装在下喷嘴(15)的底部,电机安装在下喷嘴外壳(13)底部并与旋叶(12)连接;根据现有加工技术,旋叶(12)的叶片数在2~10片最具经济性和适用性,虽然叶片数越多,与颗粒的碰撞频次越高,但超过10片的旋叶加工和安装难度增大、成本高且易损坏,本例中选取叶片数为5;同时本例中叶片的水平倾角选择45°,叶片水平倾角可选范围为5~90°,不同角度的叶片与颗粒碰撞时传递给颗粒的动量不同,可根据所用颗粒的特性进行选择,粒径较小的颗粒气流跟随性好,宜选择倾角较大的旋叶;发明人测试发现,倾角低于5°的旋叶所产生的碰撞作用微小,缺乏实用意义,而倾角达到90°时旋叶的作用变为纯周向搅动,为碰撞作用的极限条件,而当倾角大于90°后旋叶对颗粒的碰撞作用会产生与气流逆向的动量,不利于颗粒随气流运动。旋叶转速受限于当前电机的工作条件,可选范围在0~10000rpm,取0rpm时即为无碰撞条件,超过10000rpm时,电机发热严重不利于长期运行,本例中选取转速6000rpm。
所述上喷嘴(7)与下喷嘴(15)的尺寸根据实验规模和待测含颗粒气流的特性来选择;为了达到含颗粒气流均相分布条件,喷嘴内径建议选择在颗粒平均粒径的50倍以上,另一方面,喷嘴内径过小时,边界层对中心流场的影响效应增大,颗粒与喷嘴内壁面的碰撞摩擦也更容易影响颗粒空间分布特性,因此根据发明人的多次实验总结,选择内径4~100mm最为合适。喷嘴外径大小依据喷嘴的外层通道和中心通道截面积相近的原则选取。上下喷嘴的材质根据实验温度范围不同可分别选择金属、石英玻璃或刚玉管。本例中上喷嘴选择内径20mm、外径31mm、壁厚1mm的双层同心石英玻璃管,下喷嘴选择内径20mm、外径31mm、壁厚1mm的双层同心304不锈钢管。
气体预热喷嘴组件安装在承压舱(18)的上端面,含颗粒气流喷嘴组件安装在承压舱(18)的下端面,并且上喷嘴(7)与下喷嘴(15)在同一轴线上相对布置。依据待测颗粒种类不同选择可与之反应的工作气体,当待测颗粒为燃料时,一般选择氧化剂气体为工作气体;当待测颗粒为固体氧化剂时,选择燃料气体为工作气体;保护气体为氮气、氩气或与工作气体相同。本例中,选用干燥空气作为工作气体,选用氮气作为保护气体。依据喷嘴尺寸的不同,为达到流场拉伸率在10~500s-1范围内可调,经发明人实验测量,上下喷嘴工作气体质量流量均范围应在0.01~100SLM,同时为获得稳定的滞止流场,设置上下喷嘴保护气的质量流量范围在0.05~100SLM。本例中,上喷嘴(7)的工作气体质量流量为5SLM,下喷嘴(15)的工作气体质量流量为10SLM;上下喷嘴的保护气体的质量流量均为5SLM。
所述承压舱(18)为密封结构,根据设计加工条件,工作气压范围为0~2MPa,本例中选取工作气压为0.1MPa;承压舱(18)上设置有2~8个气体出口(17),气体出口(17)均布在承压舱的端面上,可连接调节阀门,用以控制排气流量和承压舱内的气压;承压舱(18)侧面安装有2~4个观察窗(19),观察窗(19)采用石英光学玻璃,对称安装在承压舱(18)四周侧面;承压舱(18)内通过支撑构件安装有头部为圆形或椭圆形的热电偶(16),根据测温范围不同,热电偶(16)可采用K、S、B或W型热电偶。线径越细的热电偶,测温响应速度越快、辐射校正值越小,但容易烧蚀损坏;经过发明人多次实验,验证热电偶线径在0.05~0.5mm的范围内时满足测温响应和寿命需求,本例中选取线径为0.12mm。
颗粒发生装置选用碰撞解聚式颗粒发生器,其工作参数为:搅拌电机转速设定为50rpm,碰撞管选择外径1.3mm、内径0.9mm,长100mm的不锈钢管。振动器选择直径50mm的压电陶瓷片,工作频率设定为362Hz,驱动电压范围为60V。颗粒物质选用65~74μm的褐煤颗粒,通过105℃下2h的鼓风干燥处理后装入储料筒密封。颗粒发生装置一端设置有气体入口(1),另一端设置有含颗粒气体出口,含颗粒气体出口通过管线与含颗粒气流喷嘴组件的下喷嘴气体入口(10)连接。根据不同的实验对不同给粉量的需要,以及不同颗粒的特性,颗粒发生装置(2)还可以采用刮板式给粉器或流化床式给粉器等其他给粉装置。此外,为了确保良好的给粉效果,发明人经过多次精密的实验,对给粉量也进行了优化,给粉量最好选择在0.01~100g/min之间,低于0.01g/min时,目前的技术难以实现稳定的给粉,并且对应的含颗粒气流中颗粒分布难以达到均允条件,而给粉量大于100g/min时,测试过程的材料成本和能耗过高。本例中选择给粉量为0.1g/min。
成像装置(20)和测速装置(21)的光轴布置在与上喷嘴(7)和下喷嘴(15)的轴线垂直的方向上。成像装置(20)采用单镜头反光相机、高速相机、增强电荷耦合CCD,为保证成像清晰,其成像分辨率高于480x480像素。测速装置(21)采用多普勒激光测速仪(LDA/PDA)或粒子图像测速装置(PIV)。本实施例中采用Lavision公司的ICCD作为成像装置,采用Dantec公司的PDA作为测速装置。
本发明的具体测量方法包含如下步骤:
1)预热对冲:将氮气和氧气按比例混合并分成两路,一路通入上喷嘴,经由第一级加热装置和第二级加热装置预热后喷出,另一路通入颗粒发生装置,携带颗粒后形成含颗粒气流并顺次进入下喷嘴,通过旋叶的高速碰撞作用进行二次弥散,旋叶的转速选取应同时满足以下关系式:
式中,Ni为颗粒与叶片的估算撞击次数;δb为旋叶单个压片的宽度,单位m;θ为旋叶单个叶片与水平面的夹角,单位°;vg为下喷嘴内气流平均速度,单位m/s;nr为旋叶转速,单位rpm;b为旋叶的叶片数,单位个;vc为估算平均撞击速度,单位m/s;rb为旋叶半径,单位m;
经过旋叶的二次弥散作用后,下喷嘴的含颗粒气流中颗粒的空间分布更为均匀;通过均流板整流后,最终在下喷嘴出口处形成均匀分散的含颗粒层流气流,并与来自上喷嘴的热气流相向对冲形成滞止流场;上喷嘴和下喷嘴的保护气入口均通入氮气,用以在喷嘴出口处形成保护气层,隔离喷嘴气流和环境气流,并起到稳定流场的作用;通过设定加热装置的加热功率来调节上喷嘴气体出口温度,通过改变两路气体的质量流量比值来移动对冲流场滞止面位置;初始的气体预热温度应保持在含颗粒气流未发生着火的最高温度附近,并等待至温度稳定;
温度稳定后,开启测速装置,测量对冲流场中心轴线处沿竖直方向上的气流速度分布数据,对测量数据采用线性拟合得到的斜率取相反数,即定义为流场拉伸率:
式中,K为拉伸率,单位s-1;u为气流速度,单位m/s;x为竖直方向距离,单位m;
通过调整上下喷嘴的气流质量流量比,或者改变上喷嘴气流的预热温度,可改变流场的拉伸率达到期望的数值;
2)准稳态升温:设定加热装置使预热气体以低于5K/min的速率匀速升温,直至含颗粒气流发生明显的颗粒着火现象;发生着火后停止升温,保持预热气体温度稳定;等待至预热气体温度波动小于±1K,用热电偶测量此时的预热气体出口处的中心温度,即为含颗粒气流的实测着火温度;当实测着火温度高于800K时,需对实测着火温度进行辐射校正;
3)可视化测量:采用成像装置对稳定发生着火的含颗粒气流对冲流场区域进行多次曝光成像,对图像数据依次进行测量标定和数据平均,可得含颗粒气流相对下喷嘴出口处的着火距离,结合含颗粒气流出口速度变化历史可得含颗粒气流的着火延迟时间。对于颗粒在流场中Stokes数大于1的情况,可简化计算,取气流出口处的速度代替颗粒沿程速度,则着火延迟时间可用下式计算:
式中,tigd为着火延迟时间,单位s;h为相对下喷嘴出口的着火距离,单位m;vg0为下喷嘴出口处的气流速度,单位m/s。
在上述条件下,测得含颗粒气流发生着火时,气体预热喷嘴出口中心温度为1119K,着火延迟时间为12ms,对应的流场拉伸率为233s-1
显然,上述对本发明所做详细描述和图示,仅作为本发明的一部分应用案例,而不是全部的实施例,更不应视为是对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:该系统含有颗粒发生装置(2)、气体预热喷嘴组件、含颗粒气流喷嘴组件、承压舱(18)、热电偶(16)、成像装置(20)和测速装置(21);气体预热喷嘴组件和含颗粒气流喷嘴组件安装在承压舱(18)上,颗粒发生装置(2)通过管线与含颗粒气流喷嘴组件连通,成像装置(20)和测速装置(21)设置于承压舱(18)侧面;
所述气体预热喷嘴组件包括上喷嘴(7),上喷嘴(7)为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;上喷嘴(7)内设置有第一级加热装置(3),上喷嘴(7)外设置有第二级加热装置(8),第一级加热装置(3)安装在上喷嘴(7)的内壁内部,第二级加热装置(8)环绕上喷嘴(7)的外壁外部安装;还包括水冷外壳(6),上喷嘴气体入口(4)和上喷嘴保护气入口(5)设置于水冷外壳(6)上,并通过管道穿过水冷外壳(6)与上喷嘴(7)连通;上喷嘴气体入口(4)连通至上喷嘴(7)双层同心结构的中心通道,上喷嘴保护气入口(5)连接至上喷嘴(7)双层同心结构的外层通道;
所述含颗粒气流喷嘴组件包括下喷嘴(15)、下喷嘴保护气入口(9)、下喷嘴气体入口(10)、电机(11)、旋叶(12)、均流板(14)以及下喷嘴外壳(13),所述下喷嘴(15)为双层同心结构喷嘴,包括内壁和外壁,内壁内部为中心通道,内壁与外壁之间形成外层通道;下喷嘴保护气入口(9)和下喷嘴气体入口(10)设置于下喷嘴外壳(13)上,并通过管道穿过下喷嘴外壳(13)与下喷嘴(15)连通,下喷嘴气体入口(10)连通至下喷嘴双层同心结构的中心通道,下喷嘴保护气入口(9)连接至下喷嘴双层同心结构的外层通道;所述旋叶安装在下喷嘴(15)底部,所述电机与旋叶相连接,安装在下喷嘴外壳(13)底部,所述均流板(14)安装在下喷嘴(15)出口处;所述均流板(14)采用金属材质薄壁蜂窝结构,均流板壁厚与下喷嘴内径的比值在1:500~1:50;所述旋叶(12)的叶片数在2~10片,叶片水平倾角在5~90°,转速在0~10000rpm;
颗粒发生装置(2)采用刮板式给粉器、流化床式给粉器或碰撞解聚式给粉器,给粉量在0.01~100g/min,颗粒发生装置(2)的气体出口通过管线与含颗粒气流喷嘴组件的下喷嘴气体入口(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述气体预热喷嘴组件与含颗粒气流喷嘴组件分别安装在承压舱(18)的上下端面,并在同一轴线上相对布置;所述承压舱(18)上安装有气体出口(17),承压舱侧面安装有观察窗(19)。
3.根据权利要求1或2所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:上喷嘴(7)与下喷嘴(15)的内径为4~100mm,喷嘴外径依据喷嘴的外层通道和中心通道截面积相近的原则选取,喷嘴材质为金属、石英玻璃或刚玉管;上下喷嘴工作气体质量流量均为0.01~100SLM;上下喷嘴的保护气体的质量流量均为0.05~100SLM;保护气体为氮气或氩气。
4.根据权利要求1或2所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述气体预热喷嘴组件的预热温度在298~1873K。
5.根据权利要求4所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述气体预热喷嘴组件的预热温度在1100K。
6.根据权利要求3所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述均流板(14)采用壁厚0.2mm的不锈钢蜂窝板;所述旋叶(12)的叶片数为5片,叶片水平倾角为45°,转速为6000rpm。
7.根据权利要求1或2所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述成像装置(20)和测速装置(21)的光轴布置在与上喷嘴(7)和下喷嘴(15)的轴线垂直的方向上;所述成像装置(20)采用单镜头反光相机、高速相机或增强电荷耦合CCD,其成像分辨率高于480x480像素;所述测速装置(21)采用多普勒激光测速仪(LDA/PDA)或粒子图像测速装置(PIV)。
8.根据权利要求1或2所述的一种测量含颗粒气流着火温度的系统,其特征在于:所述承压舱(18)的工作气压范围为0~2MPa;气体出口的数量为2~8个,均布在承压舱的端面上;气体出口可连接调节阀门,用以控制排气流量和承压舱内的气压;观察窗采用石英光学玻璃,数量为2~4个,对称安装在承压舱(18)侧面。
9.一种测量含颗粒气流着火温度的方法,采用上述权利要求1-8中任一测量系统,其特征在于,该方法包含如下步骤:
1)预热对冲:将氮气和氧气按比例混合并分成两路,一路通入上喷嘴,经由第一级加热装置和第二级加热装置预热后喷出,另一路通入颗粒发生装置,携带颗粒后形成含颗粒气流并顺次进入下喷嘴,通过旋叶的高速碰撞作用进行二次弥散,旋叶的转速选取应同时满足以下关系式:
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>g</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>b</mi> </mrow> <mn>60</mn> </mfrac> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>1</mn> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>r</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mn>60</mn> </mfrac> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>1</mn> </mrow>
式中,Ni为颗粒与叶片的估算撞击次数;δb为旋叶单个压片的宽度,单位m;θ为旋叶单个叶片与水平面的夹角,单位°;vg为下喷嘴内气流平均速度,单位m/s;nr为旋叶转速,单位rpm;b为旋叶的叶片数,单位个;vc为估算平均撞击速度,单位m/s;rb为旋叶半径,单位m;
经过旋叶的二次弥散作用后,下喷嘴的含颗粒气流中颗粒的空间分布更为均匀;通过均流板整流后,最终在下喷嘴出口处形成均匀分散的含颗粒层流气流,并与来自上喷嘴的热气流相向对冲形成滞止流场;上喷嘴和下喷嘴的保护气入口均通入氮气,用以在喷嘴出口处形成保护气层,隔离喷嘴气流和环境气流,并起到稳定流场的作用;通过设定加热装置的加热功率来调节上喷嘴气体出口温度,通过改变两路气体的质量流量比值来移动对冲流场滞止面位置;初始的气体预热温度应保持在含颗粒气流未发生着火的最高温度附近,并等待至温度稳定;
温度稳定后,开启测速装置,测量对冲流场中心轴线处沿竖直方向上的气流速度分布数据,对测量数据采用线性拟合得到的斜率取相反数,即定义为流场拉伸率:
<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>u</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
式中,K为拉伸率,单位s-1;u为气流速度,单位m/s;x为竖直方向距离,单位m;
通过调整上下喷嘴的气流质量流量比,或者改变上喷嘴气流的预热温度,可改变流场的拉伸率达到期望的数值;
2)准稳态升温:设定加热装置使预热气体以低于5K/min的速率匀速升温,直至含颗粒气流发生明显的颗粒着火现象;发生着火后停止升温,保持预热气体温度稳定;等待至预热气体温度波动小于±1K,用热电偶测量此时的预热气体出口处的中心温度,即为含颗粒气流的实测着火温度;当实测着火温度高于800K时,需对实测着火温度进行辐射校正;
3)可视化测量:采用成像装置对稳定发生着火的含颗粒气流对冲流场区域进行多次曝光成像,对图像数据依次进行测量标定和数据平均,可得含颗粒气流相对下喷嘴出口处的着火距离,结合含颗粒气流出口速度变化历史可得含颗粒气流的着火延迟时间;对于颗粒在流场中Stokes数大于1的情况,可简化计算,取气流出口处的速度代替颗粒沿程速度,则着火延迟时间可用下式计算:
<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>h</mi> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
式中,tigd为着火延迟时间,单位s;h为相对下喷嘴出口的着火距离,单位m;vg0为下喷嘴出口处的气流速度,单位m/s。
CN201510393790.9A 2015-07-07 2015-07-07 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法 Active CN105004757B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510393790.9A CN105004757B (zh) 2015-07-07 2015-07-07 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510393790.9A CN105004757B (zh) 2015-07-07 2015-07-07 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105004757A CN105004757A (zh) 2015-10-28
CN105004757B true CN105004757B (zh) 2017-11-07

Family

ID=54377510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510393790.9A Active CN105004757B (zh) 2015-07-07 2015-07-07 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105004757B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106540824B (zh) * 2016-09-28 2018-11-20 西安航天动力研究所 一种高频高幅值反压振荡雾化实验装置
CN106492667B (zh) * 2016-12-23 2022-09-06 中国计量大学 干粉微纳米颗粒的多级弥散方法及装置
CN109870539A (zh) * 2017-12-01 2019-06-11 华东理工大学 单颗粒反应测量装置及测量方法
CN109282916B (zh) * 2018-08-06 2020-06-12 深圳信息职业技术学院 预测双燃料发动机活塞表面最高温度的方法和装置
CN111157222A (zh) * 2020-01-19 2020-05-15 广东工业大学 一种对冲火焰拉伸熄灭极限和火焰速度测量系统
CN111579589A (zh) * 2020-05-13 2020-08-25 华东理工大学 一种采集颗粒燃烧图像的装置及使用方法
CN111624228A (zh) * 2020-05-20 2020-09-04 新疆工程学院 一种粉尘爆炸实验装置
CN113740378A (zh) * 2021-09-15 2021-12-03 山东多星电器有限公司 一种电热管热能转换效率测试方法
CN115560990B (zh) * 2022-11-09 2023-03-07 中国人民解放军国防科技大学 超声速气固两相横向射流实验平台及射流测量方法
CN116124823B (zh) * 2023-04-19 2023-08-29 中国科学技术大学 热辐射场中双层材料板的引燃参数的测试装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2882774Y (zh) * 2005-09-30 2007-03-28 清华大学 一种固体颗粒气溶胶发生装置
CN101762341A (zh) * 2009-12-28 2010-06-30 清华大学 一种固体燃料着火温度的测量方法
CN102042603A (zh) * 2010-12-31 2011-05-04 中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所 可调节高效废酸组合燃烧器
CN103277799A (zh) * 2013-05-21 2013-09-04 大连亿莱森玛机电有限公司 一种外热式燃烧器系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2882774Y (zh) * 2005-09-30 2007-03-28 清华大学 一种固体颗粒气溶胶发生装置
CN101762341A (zh) * 2009-12-28 2010-06-30 清华大学 一种固体燃料着火温度的测量方法
CN102042603A (zh) * 2010-12-31 2011-05-04 中国航天科技集团公司第六研究院第十一研究所 可调节高效废酸组合燃烧器
CN103277799A (zh) * 2013-05-21 2013-09-04 大连亿莱森玛机电有限公司 一种外热式燃烧器系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
富氧煤粉气流着火机理的实验研究;樊越胜 等;《动力工程学报》;20110131;第31卷(第1期);第33-36页 *
对冲火焰中煤粉着火的实验研究;吴宁 等;《工程热物理学报》;20150131;第36卷(第1期);第224-227页 *
对冲火焰条件下煤粉燃烧特性的实验方法研究;吴宁;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20140715(第07期);第2.3节,图2.3 *
煤粉气流在高温空气中着火与熄火的试验研究;聂欣 等;《中国电机工程学报》;20080515;第28卷(第14期);第67-72页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105004757A (zh) 2015-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105004757B (zh) 一种测量含颗粒气流着火温度的系统及方法
Guiberti et al. Impact of heat loss and hydrogen enrichment on the shape of confined swirling flames
Singh et al. Heat transfer characteristics of natural gas/air swirling flame impinging on a flat surface
Chander et al. Heat transfer characteristics of three interacting methane/air flame jets impinging on a flat surface
CN104067049B (zh) 分级式氧‑燃料喷燃器及其使用方法
WO2013013350A1 (zh) 一种旋浮卷吸冶金工艺及其反应器
CN110465257A (zh) 一种纳米颗粒旋流火焰雾化掺杂合成系统及其合成方法
CN103148508B (zh) 前后对冲旋流燃烧煤粉锅炉的二次风配风方法及系统
Singh et al. Heat transfer characteristics of dual flame with outer swirling and inner non-swirling flame impinging on a flat surface
Kuntikana et al. Thermal investigations on methane-air premixed flame jets of multi-port burners
Díaz-Heras et al. Experimental observations on directly irradiated fluidized beds: Even and uneven fluidization
CN105135430B (zh) 一种稳焰低氮固体燃料富氧燃烧器
US6813902B2 (en) Systems and methods for increasing production of spheroidal glass particles in vertical glass furnaces
CN108506929A (zh) 一种燃油无焰燃烧装置及其系统设备
CN201250178Y (zh) 空心玻璃微珠燃烧器
CN106082138B (zh) 一种三通道硫磺回收燃烧器
Krikunova et al. Premixed conical flame stabilization
CN107020386A (zh) 一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件
CN106500102B (zh) 一种可控热氛围燃烧器
CN106352371B (zh) 一种富氧燃烧锅炉的模化方法及模化系统
Kuntikana et al. Heat transfer investigations on impinging flame jets of a multi-port convex burner
CN107238088A (zh) 一种基于火旋风涡旋生成机理的安全环保型火炬系统
JP3761621B2 (ja) 酸素バーナー及びガラスの溶解方法
CN206073708U (zh) 一种立式火焰法粉体球化炉
CN209230264U (zh) 一种竖式铜熔炼炉

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant