CN107255607B - 一种粉尘迁移实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉尘迁移实验装置与方法，提供开展聚变堆失真空事故下空气进入真空室过程中粉尘迁移实验的平台。实验装置包括粉尘进口、粉尘迁移室、支架、集尘薄膜、注气系统、可视化系统等。在迁移室侧壁有粉尘注入口，通过旋转转盘当迁移室壁面小孔和转盘小孔对应时，将粉尘送入迁移室，通过挡板控制其方向使其进入迁移室底部。在粉尘进入迁移室后，在迁移室的右侧壁设置有2个空气进入口，空气罐体与空压机相连通过气压调节粉尘速率，采用粒子图像测量装置在线监测粉尘迁移状态，结合内部布置的粉尘收集点，获得粉尘迁移速率。
Description
技术领域
本发明涉及粉尘迁移的技术领域，具体涉及一种粉尘迁移实验装置，能观察聚变堆失真空事故下粉尘迁移研究。
背景技术
随着化石能源的枯竭，人类面临严重的能源危机。核聚变能由于优良的清洁、安全特性成为未来解决能源危机的主要选择。在聚变堆运行期间，面向等离子体材料与等离子体相互作用如物理溅射、化学溅射、起泡和剥落等机理作用下产生大量的粉尘。在失真空事故下，空气进入真空室引起粉尘迁移，粉尘迁移导致等离子破裂，在失真空事故下会发生粉尘爆炸，破坏反应堆结构，危害反应堆安全。粉尘广泛存在于化工、食品、石油等各个领域，在气流等条件下会发生迁移，因此开展粉尘迁移特性研究对保护反应堆安全及了解粉尘运动特性具有重要作用。该装置方法不仅可以应用于反应堆安全，还可以应用于化工、食品、石油等领域内粉尘迁移及爆炸的预防。
发明内容
本发明要解决技术问题为：提供一种粉尘迁移实验装置，以在线研究粉尘迁移机理。
为解决上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种粉尘迁移实验装置，包括粉尘迁移室、支架、集尘薄膜、注粉系统、注气系统和粉尘迁移速度测量系统，所述注粉系统固定于粉尘迁移室右侧边，粉尘沿挡板进入粉尘迁移室，粉尘迁移室中心位置固定有支架，粉尘迁移室的右侧壁面连接注气系统，注气系统包括风洞，风洞包括进气段、紊流段，所述进气段的进气口为喇叭形状，进气口的小口径端连接小口径方管，再接大口径圆管，实现气体紊流，所述圆管和压缩空气入口连接，入口处设置气体流量计，所述风洞将粉尘扬尘。
进一步的，所述粉尘迁移室内放置支架，支架为间隔排列结构，支架上中心位置放置吸附粉尘的薄膜，在壁面安装静态压力传感器，在容器壁面安装有光学窗口，通过粒子速度成像装置在线测量粉尘浓度。
进一步的，所述注粉系统包括窗注粉装置，窗注粉装置为可旋转式圆盘，圆盘通过限位杆固定于迁移室壁面，所述限位部为开环的限位孔，该限位孔的数目为2个，且圆周均布在定位盘上，所述限位导杆处于一个限位孔内，旋转圆盘使粉尘迁移室壁面小孔和注粉装置的小孔对应时，通过外力将粉尘推入迁移室，注入完成后，转动注粉装置，使其密封，避免每次注粉需要打开粉尘迁移室，实现多次注粉的功能。
进一步的，所述注气系统通过压力调节空气注入速率设有速率显示屏幕，该速率显示屏与电控装置连接，电控装置调节空气注入压力实现指定注入速率。
本发明还提供一种粉尘迁移实验方法，该方法使用上述的一种粉尘迁移实验装置，该方法实现步骤如下：
1)将迁移室进行抽真空到指定压力，采用外力将粉尘从存储粉尘室压到迁移室，将迁移室加热到指定温度。
2)压缩气体经过储气罐、流量计和阀门进入迁移室，通过压力控制进气速率。
3)通过粒子速度成像在线测量粉尘浓度，同时，实验后通过光学显微镜等观察薄膜上吸附的粉尘来对比获得粉尘迁移速率。实验完成后，将储粉罐抽为真空，通过迁移室和储粉罐的压差来将粉尘排到储粉罐，实现粉尘的有效重复利用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明特征在于通过空气压力调节粉尘速率，可以初步获得注入压力和注气速率关系，通过实验比较流量计和压力间关系，掌握注入压力和注气速率的关系，在输入条件时直接输入喷粉速率，简化实验步骤。
(2)本发明特征在于采用粒子速度成像装置来在线测量粉尘，结合观察薄膜上吸附粉尘质量评估粉尘迁移速度。
(3)本发明特征在反应前将迁移室抽为负压，注粉装置通过快接可移动固定于粉尘迁移室右侧边，粉尘迁移室壁面小孔和注粉装置的小孔对应时，通过外力将粉尘注入迁移室，注入完成后，转动注粉装置,使其密封。在迁移室侧边有挡板，可以让粉尘在重力作用下沉积在迁移室底部，不迁移到迁移室其他区域。该设计克服每次实验需要打开窗口进行装粉的缺点。
附图说明
图1为本发明的一种粉尘迁移实验装置示意图；
图2为粉尘注入结构示意图
图中附图标记含义为：1为窗口，2为粉尘迁移室，3为支架，4为集尘薄膜，5为储气室，6为气阀，7为排气阀，8为挡板，9为压力表，10为手动阀门，11为空压机，12为注粉装置，13为真空泵，14为压力计，15为限位孔，16为转盘，17为圆柱形装粉罐，18为限位杆，19为喇叭口，20为坡面，21为方管，22为圆管，23为粒子速度测量系统，24为质量流量计。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
本发明一种粉尘迁移实验装置，包括模拟粉尘产生装置、注气装置和粉尘监测装置。粉尘反应前将反应粉尘迁移室2抽为负压，所述注粉装置12通过快接可移动固定于粉尘迁移室2右侧边，粉尘迁移室2壁面限位孔15和注粉装置12的小孔对应时，通过外力将粉尘注入粉尘迁移室2，注入完成后，转动转盘16，使其密封。在粉尘迁移室2侧边有挡板8，可以让粉尘在重力作用下沉积在粉尘迁移室2底部，不迁移到其他区域，实验完成后通过打开位于粉尘迁移室2底部的排气阀7，排出粉尘和气体，为下一次实验做准备。该设计壁面每次实验需要打开窗口进行装粉的缺点。迁移室中心位置固定有支架3，支架3结点上放置有集尘薄膜4，粉尘迁移室2的右侧壁设置有2个空气进入口，进气口为喇叭形状，有利于气体扩散，后接小口径方管21，再接大口径圆管22，通过气阀6控制空气进入，所述圆管22和储气室5链接，在方管21和储气室5之间设置有质量流量计24，储气室5与空压机11相连，压力表9和手动阀门10位于储气室5与空压机11之间，用于有压力控制。所述测试段可形成紊流或层流气流，模拟聚变堆失真空事故下空气或冷却剂进入真空室的流场。通过空气压力调节粉尘速率，通过下面的理想公式可以初步获得注入压力和注气速率关系：
其中，υ为注气速率、γ为气体绝热指数、R为气体摩尔常数、为气体平均温度、M为气体摩尔质量、Ps为粉尘迁移室2初始压力、PΔ为储气罐压力。
通过实验比较流量计和压力间关系，掌握注入压力和注气速率的关系，在输入条件时直接输入注气速率，简化实验步骤。粉尘迁移室2中心位置内固定有支架3，支架固定点上有集尘薄膜4，上方安装有压力表9，该设计实现不同压力范围的压力精确测量，在容器壁面左侧安装有窗口1，通过粒子速度测量系统23在线测量粉尘浓度。该成像系统由He-Ne激光来布局激光区域，光学镜由圆柱体棱镜将光束转换成线性并通过四分之一棱镜转换成光片，高速摄像机在空气进入之前开始触发。同时，实验后通过光学显微镜等观察薄膜上吸附的粉尘。在反应容器上部开孔设置点火装置，可以实现粉尘迁移和粉尘爆炸测量装置于一体在壁面安装静态压力传感器。
本发明过程是：将迁移室进行抽真空到指定压力，采用外力将粉尘从存储粉尘室压到迁移室，将迁移室加热到指定温度。压缩气体经过储气罐、流量计和阀门进入迁移室，通过压力控制进气速率。通过粒子速度成像系统在线测量粉尘浓度，同时，实验后通过光学显微镜等观察薄膜上吸附的粉尘来对比获得粉尘迁移速率。实验完成后，将储粉罐抽为真空，通过迁移室和储粉罐的压差来将粉尘排出。
Claims (5)
1.一种粉尘迁移实验装置，其特征在于：包括粉尘迁移室、支架、集尘薄膜、注粉系统、注气系统和粉尘迁移速度测量系统，所述注粉系统固定于粉尘迁移室右侧边，粉尘沿挡板进入粉尘迁移室，粉尘迁移室中心位置固定有支架，粉尘迁移室的右侧壁面连接注气系统，注气系统包括风洞，风洞包括进气段、紊流段，所述进气段的进气口为喇叭形状，进气口的小口径端连接小口径方管，再接大口径圆管，实现气体紊流，所述圆管和压缩空气入口连接，入口处设置气体流量计，所述风洞将粉尘扬尘。
2.如权利要求1所述一种粉尘迁移实验装置，其特征在于：所述粉尘迁移室内放置支架，支架为间隔排列结构，支架上中心位置放置吸附粉尘的薄膜，在壁面安装静态压力传感器，在容器壁面安装有光学窗口，通过粒子速度成像装置在线测量粉尘浓度。
3.如权利要求1所述一种粉尘迁移实验装置，其特征在于：所述注粉系统包括窗注粉装置，窗注粉装置为可旋转式圆盘，圆盘通过限位杆固定于迁移室壁面，所述限位部为开环的限位孔，该限位孔的数目为2个，且圆周均布在定位盘上，所述限位导杆处于一个限位孔内，旋转圆盘使粉尘迁移室壁面小孔和注粉装置的小孔对应时，通过外力将粉尘推入迁移室，注入完成后，转动注粉装置，使其密封，避免每次注粉需要打开粉尘迁移室，实现多次注粉的功能。
4.如权利要求1所述一种粉尘迁移实验装置，其特征在于：所述注气系统通过压力调节空气注入速率设有速率显示屏幕，该速率显示屏与电控装置连接，电控装置调节空气注入压力实现指定注入速率。
5.一种粉尘迁移实验方法，该方法使用权利要求1至4任一项所述的一种粉尘迁移实验装置，其特征在于：该方法实现步骤如下：
1)将粉尘迁移室进行抽真空到预定压力，采用外力将粉尘从存储粉尘室压到粉尘迁移室，将粉尘迁移室加热到指定温度；
2)压缩气体经过储气罐、流量计和阀门进入粉尘迁移室，通过压力控制进气速率；
3)通过粒子速度成像在线测量粉尘浓度，同时，实验后通过光学显微镜观察薄膜上吸附的粉尘来对比获得粉尘迁移速率，实验完成后，将储粉罐抽为真空，通过粉尘迁移室和储粉罐的压差来将粉尘排到储粉罐，实现粉尘的有效重复利用。
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