CN109916784B

CN109916784B - 一种旋转非球形颗粒转矩的测量装置和方法

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Publication number: CN109916784B
Application number: CN201910273202.6A
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 张利兴; 熊勃; 安希忠; 杨晓红; 付海涛
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: CN109916784A

Abstract

本发明涉及一种旋转非球形颗粒转矩测量的装置，其包括圆柱筒体、两个布风板、绝热系统、马达、测量系统和空气供给系统，圆柱筒体为前端和后端分别设有布风板，马达设于圆柱筒体的上方，马达的转轴连接旋转杆的一端，旋转杆的另一端伸入圆柱筒体的筒体中央，用于固定待测颗粒；绝热系统用于保存所述马达旋转做功散失的热量；所述两个布风板上均设有多个开孔；测量系统包括热量表和转速传感器，热量表设于绝热系统的外侧与绝热系统连接，转速传感器正对待测颗粒位置设置的后端；空气供给系统通圆柱筒体前端的布风板上的开孔。本发明装置结构简单、成本低、操作方便、易于维护，可以测量旋转非球形颗粒的转矩的装置，为研究气固两相流奠定理论基础。

Description

一种旋转非球形颗粒转矩的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种旋转非球形颗粒转矩的测量装置和方法，属于物理实验设备技术领域。

背景技术

气固系统广泛存在于生物质、固体废弃物流化床和化学反应过程中，在这些系统中，绝大部分情况下颗粒的形状都是非球形。流动结构方面，非球形颗粒独特的几何形状在颗粒-颗粒和颗粒-流体相互作用中都引入了比球形颗粒更多的不确定性。与球形颗粒相比，非球形颗粒在气流场中所受到的转矩具有显著的差异，如何采用统一的数理模型描述非球形颗粒受力和转矩等一系列问题至今未完全解决。

在实际过程中，很难直接对转矩进行表征，所以为了能够获得较为准确的转矩，可以通过间接的手段从侧面获得，避免了直接获得的困难性。而目前，比较通用的测量转矩的方法是平衡力法和能量转换法。平衡力法是一种通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂)来确定转矩的方法，但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。能量转换法是依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量机械能，进而求得转矩的方法，从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。

本发明将二者结合，更好地将转矩测量进行应用，对气固系统中的颗粒转矩的测量提供帮助，为研究气固两相流奠定基础。

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，本发明提供一种一种旋转非球形颗粒转矩测量的装置，该装置结构简单、操作方便、成本低、易于维护的任意角度和雷诺数下旋转非球形颗粒转矩测量。

(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：

一种旋转非球形颗粒转矩测量的装置，包括圆柱筒体、两个布风板、绝热系统、马达、测量系统和空气供给系统，圆柱筒体的前、后端分别设有布风板，所述马达设于圆柱筒体的上方，所述马达的转轴连接旋转杆的一端，旋转杆的另一端伸入圆柱筒体的筒体中央，用于固定待测颗粒；所述绝热系统用于保存所述马达旋转做功散失的热量；所述两个布风板上均设有多个开孔；

所述测量系统包括热量表和转速传感器，所述热量表设于绝热系统的外侧与绝热系统连接，所述转速传感器正对待测颗粒位置设置；所述空气供给系统连通圆柱筒体前端的布风板上的开孔，用于向圆柱筒体内提供检测待测颗粒转矩所需的气流。

其中，转速传感器可固定在圆柱筒体的内部任意位置或圆柱筒体后端，只要其可对准待测颗粒设置，测量待测颗粒的旋转转速即可。

在一个优选的实施方案中，所述绝热系统包括绝热桶，所述绝热桶的一端包裹马达，绝热桶的另一端连接热量表。

在一个优选的实施方案中，所述圆柱筒体的下端设有多个底部支腿，固定支撑圆柱筒体。

在一个优选的实施方案中，所述布风板上的多个开孔为等径圆孔。

在一个优选的实施方案中，所述空气供给系统包括空气压缩机、干燥器和流量计，其中，所述空气压缩机通过第一管路连接干燥器，干燥器通过第二管路通入圆柱筒体前端的布风板的开孔，所述第一管路上设置有第一阀门；所述第二管路上设置有第二阀门和压力表，所流量计设于第二阀门和压力表之间。

在一个优选的实施方案中，所述第一管路和第二管路上均设有泄压阀。

本发明还提供如上所述装置的测量方法，该测量方法包括如下步骤：

S1、将待测颗粒固定设于圆柱筒体内的旋转杆上；

S2、打开空气供给系统给圆柱筒体内提供给气流；

S3、打开马达开关，使马达带动待测颗粒旋转；所述马达的功率为p；同时计时；

S4、Δt时间后，读取转速传感器数据，得出待测颗粒的转速n，读取绝热系统中测量损失的热量Q₂；

S5、通过p、Δt、Q₂、n，根据公式可推导出旋转颗粒的转矩M。

在一个优选的实施方案中，所述马达自身做功产生的能量记为Q₁，Q₁＝pΔt；马达对待测颗粒所做的功记为Q，Q＝Q₁-Q₂；

根据公式M＝Q2πnΔt获得旋转非球形颗粒的转矩。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的旋转非球形颗粒转矩测量的装置，其结构简单、成本低、操作方便、易于维护，可以测量旋转非球形颗粒的转矩的装置，为研究气固两相流奠定理论基础。

本发明提供的装置可测定广泛应用于能源、化工、冶金、建筑等领域的散体颗粒在气体中所受的转矩。

附图说明

图1为发明中装置整体结构示意图；图2为本发明中待测颗粒在流化床中的状态示意图。

【附图标记说明】

1：空气压缩机；

2：第一阀门；

3：干燥器；

4：第二阀门；

5：流量计；

6：压力表；

7：底部支腿；

8：第一布风板；

9：进气口；

10：待测颗粒；

11：圆柱筒体；

12：流化床；

13：电动马达；

14：热量表；

15：绝热桶；

16：旋转杆；

17：第二布风板。

具体实施方式

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

如图1所示，旋转非球形颗粒的和转矩测量的装置包括圆柱筒体11、空气供给系统、旋转系统、绝热系统和测量系统。其中，圆柱筒体11为前端敞口、后端敞口、中间中空的圆柱体结构，在圆柱筒体11的前端和后端分别设置有第一布风板8和第二布风板17，第一布风板8和第二布风板17平行设置且与圆柱筒体11的端面相平行。在第一布风板8和第二布风板17之间的中空部分形成流化床12，第一布风板8和第二布风板17上设有多个等径圆孔，其中一个圆孔可作为进气口9，这样设置可以保证气体在圆柱筒体11内水平向后，避免气体回流对测量结果产生影响。空气供给系统中的空气通过进气口9输送至圆柱筒体11，并在流化床12内形成稳定气体流场。

圆柱筒体11的底端均匀设置有多条底部支腿7，底部支腿7用于支撑圆柱筒体11。

绝热系统包括绝热桶15，绝热桶的一端包裹电动马达13，另一端与热量表14连接。用于保存马达旋转散失的热量。

旋转系统包括电动马达13和旋转杆16，电动马达13固定设于圆柱筒体11的上方，旋转杆16一端与电动马达13连接，另一端伸入圆柱筒体11内的流化床12中，旋转杆16的另一端与待测颗粒10连接，电动马达用于带动待测颗粒做匀速旋转运动。

测量系统包括热量表14、转速传感器和秒表。热量表14通过管道与绝热桶15的管道进行连接，热量表用于测量所述绝热系统中的热量，转速传感器正对待测颗粒位置设置，可固定在圆柱筒体圆柱筒体后端或在圆柱筒体内部，只要对准待测颗粒位置设置即可，转速传感器用于测量待测颗粒10的旋转转速，秒表用于测量装置进行的时间。

空气供给系统包括空气压缩机1、干燥器3和流量计5，空气压缩机1水平放置，用底部支腿支撑，空气压缩机1的顶部设置有压力表，空气压缩机1通过第一管路与干燥器3的进口端连接，第一管路上设置有第一阀门2，干燥器3的出口端通过第二管路与流量计5的一端连接，第二管路上设置有第二阀门4，流量计5的另一端通过第三管路连通进气口9，第三管路上设置有压力表6，通过调节流量计5控制空气供给系统所供给的气体流量。特别地，空气压缩机1可用于提供冲击压力，冲击压力可以根据待测颗粒10的尺寸及形状通过旋转第一阀门2进行调节。

本发明中第一管路和第二管路上均设有泄压阀，当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。

本发明中的待测颗粒10可以是任意形状或组份，其尺寸也可以根据需求而变化。

工作原理：

如图2所示，将待测颗粒10放置在圆柱筒体11中，被旋转杆16固定。

打开空气压缩机1、第一阀门2和第二阀门4，空气从空气压缩机1通过管道流经第一阀门2、干燥器3、第二阀门4和流量计5，通过进气口9进入圆柱筒体11。空气在圆柱筒体11内继续向上，通过第一布风板8进入流化床12，在流化床12内形成稳定气体流场。

打开电动马达13，使旋转杆16带动待测颗粒做旋转运动。

其中，圆柱筒体11的直径足够大，避免墙壁效应对测量结果产生影响。为保证待测颗粒10受力均匀，待测颗粒10被固定在圆柱筒体11的竖直方向的中心位置，在水平方向上，待测颗粒10被固定的位置应适当远离圆柱筒体11的前端，避免进气口9处的气体湍动对测量造成影响，同时保证流化床12内的气体充分发展。

本发明中旋转非球形颗粒转矩测量的方法，包括如下步骤：

S1、将测量的装置组装就绪，已知电动马达功率p；

S2、打开空气压缩机1和第一阀门2，待气体经过干燥器3充分干燥后打开第二阀门4，调节流量计5，使气体在圆柱筒体11内均匀发展且速度控制在合理范围内；

S3、打开秒表19和电动马达13开关，使马达带动待测颗粒旋转。

S4、Δt时间后，读取转速传感器数据，得出待测颗粒的转速n，读取热量表中的数据Q₂；

S5、通过p、Δt、Q₂、n，根据公式可推导出颗粒的转矩。

其中，电动马达13自身做功产生的能量为Q₁，即：

Q₁＝pΔt (1)

电动马达13对颗粒所做的功为Q，即：

Q＝Q₁-Q₂ (2)

根据物理公式颗粒旋转的转矩M和能量Q满足如下关系：

Q＝FωRΔt (3)

M＝FR (4)

式中F为令颗粒旋转的力，ω为颗粒的角速度，R为颗粒的半径(利用等体积球方法确定)。

而旋转颗粒的角速度ω满足如下关系式：

ω＝2πn (5)

式中n为颗粒旋转的转速(定值)。

通过整理可推导出旋转非球形颗粒的转矩M的计算式：

M＝Q/2πnΔt (6)

根据以上步骤，改变颗粒的角速度和流体流动速度，即可测得任意角速度和一定范围内气速(雷诺数Re)下非球形颗粒转矩M。

把不同实验条件下的M值进行整理，通过拟合得出M关于ω和Re的关联式，即M＝(ω,Re)。

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

1.一种旋转非球形颗粒转矩测量的装置，其特征在于，其包括圆柱筒体、两个布风板、绝热系统、马达、测量系统和空气供给系统，所述圆柱筒体为前端和后端分别设有布风板，所述马达设于圆柱筒体的上方，所述马达的转轴连接旋转杆的一端，旋转杆的另一端伸入圆柱筒体的筒体中央，用于固定待测颗粒；所述绝热系统用于保存所述马达旋转做功散失的热量；所述两个布风板上均设有多个开孔；

所述测量系统包括热量表和转速传感器，所述热量表设于绝热系统的外侧与绝热系统连接，所述转速传感器正对待测颗粒位置设置；

所述空气供给系统连通圆柱筒体前端的布风板上的开孔，用于向圆柱筒体内提供检测待测颗粒转矩所需的气流。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝热系统包括绝热桶，所述绝热桶的一端包裹马达，绝热桶的另一端连接热量表。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述圆柱筒体的下端设有多个底部支腿，固定支撑圆柱筒体。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述布风板上的多个开孔为等径圆孔。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气供给系统包括空气压缩机、干燥器和流量计，其中，所述空气压缩机通过第一管路连接干燥器，干燥器通过第二管路通入圆柱筒体前端的布风板的开孔，所述第一管路上设置有第一阀门；所述第二管路上设置有第二阀门和压力表，所流量计设于第二阀门和压力表之间。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一管路和第二管路上均设有泄压阀。

7.如权利要求1所述的装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括如下步骤：

S1、将待测颗粒固定设于圆柱筒体内的旋转杆上；

S2、打开空气供给系统给圆柱筒体内提供给气流；

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，

所述马达自身做功产生的能量记为Q₁，Q₁＝pΔt；马达对待测颗粒所做的功记为Q，Q＝Q₁-Q₂；

根据公式M＝Q/2πnΔt获得旋转非球形颗粒的转矩。