CN109612887B - 一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，用于实现粒子堆积致密化，其包括空气压缩机、气体稳压储罐、筒体、上封头、活动多孔顶板、支腿和气压传感器；其中，空气压缩机与气体稳压储罐连接，气体稳压储罐与筒体连通，活动多孔顶板可活动性放入筒体的内部，筒体的上端通与上封头密封连接，上封头的顶部设有进气口，气体稳压储罐通过管道连接进气口；筒体的侧壁上设有带有刻度的透视窗；筒体的下端设有支腿，所述筒体的下底面设有多个开孔。该装置实现了粒子的致密堆积，消除了单纯压制过程或气体冲击过程中所造成的料柱轴向堆积存在的密度梯度缺陷，实现了快速高效的粒子堆积致密化过程，且堆积结构均匀致密，具有良好的工作效益。

Description

一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置

技术领域

本发明涉及一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，属于物理实验设备技术领域。

背景技术

粒子堆积致密化一直以来在能源、化工、冶金、建筑等行业中广泛存在。实现快速高效的粒子堆积致密化，对于粒子堆积密度以及排列方式提出了更为严苛的要求。目前，实现粒子堆积致密化主要通过以下三种方式：振动、压制和气体冲击。然而，振动产生的噪音大，对于多元颗粒容易出现偏析，且达到致密化的振动时间长；压制过程中由于力主要集中在压板附近，容易造成粒子的堆积密度分布不均匀，而形成顶部密度较大的缺陷；气体冲击过程中，由于粒子在堆积料柱不同高度处的自由度存在差异，故容易形成料柱底部密度大于顶部密度的梯度差，并且在气冲过程中顶部颗粒层，因受到初始瞬时气体冲击，而形成不平整料层面甚至出现部分颗粒飞溅，造成浪费及产品质量受到较大的影响。

为了平衡压制过程以及气体冲击过程中所造成的堆积密度缺陷，本发明是在本发明人之前申请的专利201810714120.6(一种高效实现粒子堆积致密化的气冲设备)的基础上进行了进一步的改进，得到更为均匀的堆积致密化产品。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，是用于实现粒子堆积致密化的装置，该装置能够有效消除堆积料柱密度轴向梯度差，可以方便地测量气体冲击以及压制过程中的各种参数，包括气体冲压、多孔顶板受力、粒子内部受力变化以及堆积密度分布。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，用于实现粒子堆积致密化，其包括空气压缩机、气体稳压储罐、筒体、上封头、活动多孔顶板、支腿和气压传感器；其中，所述空气压缩机与气体稳压储罐通过管道连接，所述气体稳压储罐与筒体通过管道连通，所述活动多孔顶板可活动性放入筒体的内部，所述筒体的上端通过法兰与所述上封头密封连接，所述上封头的顶部设有进气口，所述气体稳压储罐通过管道连接进气口，所述泄压阀和气压传感器分别设在上封头的进气口的两侧；所述筒体的侧壁上设有带有刻度的透视窗；所述筒体的下端设有支腿，用于支撑筒体，使得筒体的下底面与安置筒体的地面或安放面具有一定的距离，所述筒体的下底面设有多个开孔。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，优选地，所述活动多孔顶板的大小与筒体内部的横截面积等大，活动多孔顶板上设有多个等径的通孔，所述活动多孔顶板为柔性橡胶制作。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，在使用时，当筒内填充一定量的粒子颗粒时，所述活动多孔顶板将水平放置于料层顶部，顶板上均匀布置有等径的多孔，起到气体分流的作用以利于高压气体均匀流通，且其孔径应小于颗粒直径。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，优选地，所述活动多孔顶板设有至少两个，多个所述多个活动多孔顶板叠加使用。

当使用两个或两个以上的活动多孔顶板时，叠加放置时的位置不同，微微错位，可形成不同孔径的通孔，可用于多不同粒径大量的粒子进行致密化，一方面可不用加工不同孔径的活动多孔顶板，便于加工，另一方面叠加使用时，增加了压力，不用制备很厚重的顶板即可，节省用料。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述筒体的侧壁还设有用于放置气压传感器和压力传感器的测量孔，所述气压传感器贴于筒体内壁，所述压力传感器置于筒体内。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述测量孔设有多个，在筒体竖直方向不同高度设置，孔内均设有气压传感器和压力传感器。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述气压传感器和压力传感器均通过连接数据线，连接AD压差信号转换器将数据实时存储到台式电脑或笔记本电脑。

高度不同的设置一方面可用于测量不同位置的粒子颗粒致密化时的内部气体压力及粒子颗粒层内部压力的变化，另一方面还可用作取样孔，以测算局部颗粒致密化的相关参数。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述空气压缩机与气体稳压储罐之间的连接管道上设有旋转球阀。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述气体稳压储罐与所述筒体的进气口之间的管道上设有转子流量计，所述转子流量计的两侧均设有旋转球阀。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述空气压缩机为高压螺杆式空气压缩机，其流量大于3m³/min，所述筒体底部的开孔的孔径≥2mm；所述筒体的下底面设为可活动打开的底部。

进一步地，所述筒体的下底面与筒体采用扣锁件连接固定。

如上所述的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，优选地，所述上封头内部正对进气口的下方设有导流锥，所述导流锥通过固定连接的方式安装在上封头内部的导流锥支架上，所述导流锥支架固定连接在上封头内部。

该气体冲击耦合多孔顶板冲压装置用于粒子堆积致密化研究时，加入筒体内的粒子颗粒可以是任意形状或组份，颗粒粒子的尺寸比也可以根据实验需求变化。更重要的是，空气压缩机用于提供冲击压力，冲击压力可以根据颗粒尺寸及形状通过旋转球阀进行调节，并可以通过气压压力传感器实时反馈筒内压力变化，便于获取较为均匀的致密化粒子产品。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的气体冲击耦合多孔顶板冲压装置，可以方便地研究在不同气体流量和活动多孔顶板压力下，粒子在容器内部的堆积成形状态，能够有效优化单纯气体冲击和机械压制下粒子堆积致密化工艺。该装置适用性较强，可以广泛运用于各种粒子的堆积致密化过程，包括单一尺寸及多元(非)球形颗粒，同样，还可以实现粗颗粒/细粉体的单种或多元混合堆积致密化。为综合研究气体冲击和压制耦合过程以及提高粒子松装密度提供了有效方法，能够获得颗粒堆积致密化过程中的形态及结构变化，对未来改善颗粒材料产品的性能提供有效途径。

本发明提供气体冲击过程中耦合多孔顶板冲压装置，可在实验室规模以及工业规模应用，以实现粒子的致密堆积，消除了单纯压制过程或气体冲击过程中所造成的料柱轴向堆积存在的密度梯度缺陷，实现了快速高效的粒子堆积致密化过程，且堆积结构均匀致密，具有良好的工作效益。

本发明提供的在气体冲击过程中耦合多孔顶板冲压以高效实现粒子堆积致密化装置，可广泛应用于能源、化工、冶金、建筑等领域的散体颗粒(包括微粉粒子)在气体冲击耦合多孔顶板冲压条件下的堆积致密化等相关方面的研究以及工业推广。

附图说明

图1为一优选实施例的整体结构示意图；

图2为活动多孔顶板结构示意图；

图3为实施例2中进气口内部放大的气体导流锥示意图。

【附图标记说明】

1：空气压缩机；

2：气体稳压储罐；

3：泄压阀；

4：筒体；

5：法兰；

6：活动多孔顶板；

7：透视窗；

8：支腿；

9：顶部气压传感器；

10：压力传感器；

11：AD压差信号转换器；

12：电脑；

13：转子流量计；

14：上封头；

15：开孔；

16：颗粒介质；

17：进气口；

18：导流锥；

19：导流锥支架

L1-L3：旋转球阀。

具体实施方式

为了解决单纯使用压制或气体冲击方式所造成的料柱轴向堆积存在的密度梯度缺陷问题，以及防止在气冲过程中顶部颗粒层因受到初始瞬时气体冲击而形成不平整料层面甚至出现部分颗粒飞溅的可能，本发明通过安装内置活动多孔顶板的优化方式，能够有效消除上述不足，实现了快速高效的粒子堆积致密化过程，且堆积结构均匀致密，具有良好的工作效益。

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

一种气体冲击耦合多孔顶板冲压实现粒子堆积致密化的装置，如图1所示，其主要包括空气压缩机1、气体稳压储罐2、筒体4、支腿8、上封头14、活动多孔顶板6、气压传感器和压力传感器。空气压缩机1与气体稳压储罐2通过管道连接，气体稳压储罐2与筒体4通过管道连通，筒体4内部用于放置需要致密化的粒子，活动多孔顶板6可活动性放入筒体4的内部，活动多孔顶板6的大小与筒体内部的横截面积等大，活动多孔顶板6上设有多个通孔，筒体4的上端通过法兰5与上封头14密封连接，上封头14的顶部中央设有进气口17，气体稳压储罐2通过管道连接进气口17，在上封头14上进气口17的两侧分别设有安全泄压阀3和顶部气压传感器9；筒体4的侧壁上设有气体传感器和压力传感器10以及带有刻度的透视窗7；筒体4的下端设有支腿8，用于支撑筒体，使得筒体4的下底面与安置筒体4的地面或安放面具有一定的距离，筒体4的下底面设有多个开孔15。

在筒体4外侧的竖直方向等距或根据需要设有三个测量孔，测量孔内均安装气压传感器和压力传感器10，其中气压传感器贴附于筒体内壁，气压传感器用于测量置于筒体内的颗粒层内部气体压力，实时监控颗粒层内部的压力变化，研究气体冲击过程中的致密化机理。压力传感器置于筒体内部，通过向外的数据线连接，压力传感器用于测量颗粒层内部的压力，实时监测颗粒层内部压力变化，研究气体压力对颗粒层压力的影响。筒体4的另一侧通过法兰安装有狭长的透视窗7，其中透视窗7包括高强度的石英玻璃和橡胶垫片，石英玻璃上带有刻度以观察粒子料柱轴向压缩变化程度；可采用高强度的石英玻璃，其最大承受压力为1.6MPa，橡胶垫片设于筒体与石英玻璃之间，并通过螺栓连接固定。

在上封头14上的的两侧设有安全泄压阀3，并连接有顶部气压传感器9，用于测量进入筒体内的气体压力，同时泄压阀3用于保证筒体内操作压力大于安全设定压力时自动泄压，保证使用安全。

使用时，可按照实际要求将需要致密化的各种粒子置于筒体4内，并在粒子料堆顶部放置活动多孔顶板6，连接好法兰5后，打开空气压缩机1给气体稳压储罐2内注入高压气体，待气体稳压储罐2内的气体压力达到所需值后打开管道上的旋转球阀后使高压气体进入进气口，使高压气体作用于活动多孔顶板并快速流经冲击颗粒介质，各种粒子在高压气体冲击的作用下堆积致密化，最后气体通过底部的开孔排出。

为了提供颗粒冲击时所需的稳定压力，特将高压空气压缩机产生的气体存储于稳压储罐中，待达到所需压力值时，开启旋转球阀L2，以使气体达到稳压冲击的效果。同时为了使从进气口17引入的气体能够均匀分散的流通颗粒层，活动多孔顶板采用耐高压冲击的柔性橡胶制作，其外径略小于筒体内径(其缝隙不小于一个孔径)以使多孔顶板能够自由活动，活动多孔顶板6上开设有细密的孔径小于颗粒粒径的气体流通孔以使得气体能够分散均匀流通颗粒层，其结构示意图如图2；进一步，高速气体会同时冲击活动多孔顶板，通过顶板与颗粒之间的接触将冲击效果以受力压制的方式从上往下进行传递以压实料柱；同时通过孔口的高压气体会以气体冲击的方式流经颗粒之间的空隙而直接作用于粒子料柱本身。以上两种致密化方式气体冲击和压制有效地克服了沿料柱轴向出现的密度梯度差的缺陷，弥补了单纯使用压制或气冲所带来的不足。

筒体的下底面，可设为可活动打开的底部，也可设为可拆卸更换的底部。这样制备好的致密化后的物料可从筒体的下底面直接打开取出。如果下底面直接设为封闭的时，虽然致密化后的物料可打开上封头取出，但是操作较不便，需要费一定力气。为了方便操作，将筒体的下底面可设为活动打开的设置，可采用扣锁件，扣锁件为设置筒体侧壁上的活动插件和对应设置在下底面上的插口，活动插件与插口互相咬合或脱离，可使下底面与筒体咬合固定在一起或脱离分开。

底部设为开孔直径定值加厚多孔部件，颗粒粒径需大于孔径，具体开孔大小需根据粒径大小进行调整，最小开孔直径可达2mm，同时为保证实验效果，高压空气压缩机为高压螺杆式空气压缩机，其流量需要大于3m³/min。

进一步地，为了方便调节气体压力及气体流量，如图1所示，高压的空气压缩机1、气体稳压储罐2以及筒体进气口17均由管道连接，在气体稳压储罐2与进气口17之间的管道中央设有转子流量计13，可用于测量气体的流量，在空气压缩机1与气体稳压储罐2之间安装有旋转球阀L1，用于控制注入稳压储罐的气体流量，在气体稳压储罐2与转子流量计13之间安装有旋转球阀L2，用于控制从稳压储罐输出的气体流量，在转子流量计与筒体进气口之间安装有旋转球阀L3，用于控制实际注入筒体4的气体流量。

为了测量筒体4内部气压压力随注入气体的变化情况，将气压传感器和压力传感器10收集到的信号输出到AD压差信号转换器11，使其转换成数字信号并输出到笔记本电脑12，进行数据的可视化图像处理。

实验开始前，应仔细检查整套装置各法兰接头、橡胶垫片、阀门、管件接口等部位的密封性。然后将泄压阀3压力调节到1.3Mpa，关闭旋转球阀L2和L3，打开旋转球阀L1并开启高压空气压缩机1，将气体稳压储罐充满至指定压力。随后依次开启旋转球阀L2和L3，高速气体冲击活动多孔顶板6，使气体冲击力与活动多孔顶板压力同时作用于颗粒介质16，最后气体流经筒体底部的多孔而排出筒体。同时气压传感器和压力传感器10将信号传送到AD压差信号转换器11使其转换成数字信号并存储到台式机或笔记本电脑12。气体冲击完成后，通过透视窗7观察并记录气体冲击后颗粒层高度，并计算颗粒堆积密度。假设初始堆积的颗粒层高度为h_initial(以直筒部分底部高度为0mm，后同)，气体冲击后的高度为h_final，颗粒介质的密度为ρ_s，质量为m，压力容器直径为D，下封头球形部分体积为V_b，则初始堆积密度ρ_initial和气体冲击后的堆积密度ρ_final分别按如下公式获得：

通过存储到台式机或笔记本电脑12中的数据，可以分析在多种工况下不同时刻筒体内颗粒的运动状态和变化规律，为实际生产的工艺优化提供理论基础。根据需要，活动多孔顶板可设有多块，所述多块的开孔位置相对错开设置，叠加在一起使用时，可形成不同孔径的活动多孔顶板。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，在进气口17内进气口正下方固定安装有气体导流锥18，导流锥使用导流锥支架19进行固定，其示意图如图3所示，导流锥支架19固定在上封头14内部。

当高压气体流经导流锥18进行分流后作用于活动多孔顶板并快速流经冲击颗粒介质，各种粒子在高压气体冲击的作用下堆积致密化，最后气体通过底部的开孔排出。进一步避免因气体分布不均匀带来的局部气压过高而导致颗粒致密化层表面形成凹坑。

本发明的活动多孔顶板既提供一定重力用于压制粒子颗粒，并在气体冲击下进一步提供机械压力来使粒子致密化，相当于粒子颗粒是在气体冲压和机械压力双重作用下进行致密化，使得顶层的粒子颗粒受到均匀的初始瞬时气体冲击，整体受力均匀，同时能够避免颗粒不会飞溅，料层的上表面能够更加平整。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种气体冲击耦合多孔顶板冲压的装置，用于实现粒子堆积致密化，其特征在于，其包括空气压缩机、气体稳压储罐、筒体、上封头、活动多孔顶板、支腿、泄压阀和顶部气压传感器；其中，所述空气压缩机与气体稳压储罐通过管道连接，所述气体稳压储罐与筒体通过管道连通，所述活动多孔顶板可活动性放入筒体的内部，所述筒体的上端通过法兰与所述上封头密封连接，所述上封头的顶部设有进气口，所述气体稳压储罐通过管道连接进气口，所述泄压阀和顶部气压传感器分别设在上封头的进气口的两侧；所述筒体的侧壁上设有带有刻度的透视窗；所述筒体的下端设有支腿，用于支撑筒体，所述筒体的下底面设有多个开孔；

所述活动多孔顶板的大小与筒体内部的横截面积等大，活动多孔顶板上设有多个等径的通孔，所述活动多孔顶板为柔性橡胶制作；

所述活动多孔顶板设有至少两个，多个所述活动多孔顶板叠加使用；

所述上封头内部正对进气口的下方设有导流锥，所述导流锥通过固定连接在上封头内部的导流锥支架固定支撑。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气压缩机为高压螺杆式空气压缩机，其流量大于3m³/min，所述筒体的下底面的开孔的孔径≥2mm，所述筒体的下底面设为可活动打开的底部。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述筒体的侧壁还设有用于放置气压传感器和压力传感器的测量孔，所述气压传感器贴于筒体内壁，所述压力传感器置于筒体内。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述测量孔设有多个，在筒体竖直方向不同高度设置，测量孔内均设有气压传感器和压力传感器。

5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述气压传感器和压力传感器均通过连接数据线，连接AD压差信号转换器将数据实时存储到台式电脑或笔记本电脑。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气压缩机与气体稳压储罐之间的连接管道上设有旋转球阀。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体稳压储罐与所述筒体的进气口之间的管道上设有转子流量计，所述转子流量计的两侧均设有旋转球阀。

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