CN110006781A - 一种气固两相流实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气固两相流实验装置，该装置包括准三维流化床、床体支架、水平尺、高速摄像机、空气压缩机、冷冻式干燥机、补光灯、质量流量控制器、压力检测表、压力传感器、计算机和标尺。该方法采用高速摄像机对透明准三维流化床内部的气固两相流动特性进行研究，并且该装置采用了可拆卸式流化床进口，可以根据颗粒尺寸选取不同的进行面积，同时该装置可以研究单一进口观测单一鼓泡的变化规律，同时可以观测多进口同时进气时不同鼓泡之间的干涉现象。本发明克服了普通流化床装置中气体水分与温度对颗粒流动特性的干扰，本发明同时可以对流化床不同进口进行优化选择，进而得到流化床的最佳进气位置，可以对工业生产进行一定的指导。
Description
技术领域
本发明涉及多相流实验领域，特别涉及一种气固两相流实验装置及方法。
背景技术
流态化技术从20世纪20年代开始以流化床为反应炉进行了煤粉的气化应用，由于流化床具有高效的燃烧效率、大量的颗粒处理和宽广的操作范围等，因此流化床有着广泛的应用领域以及良好的工业前景，在现代工农业生活中有大量的颗粒或者粉末状的固体被作为原料来使用，因此在加工贮存以及输运过程中很不方便，如何使现实生活中存在的大量颗粒具有流体的性质即使颗粒进行流态化非常有意义，而鼓泡流化床作为工业中最常用的一种床型，因此研究鼓泡流化床中气固两相间的作用方式和反应原理有着重要的意义。
在气固密相流化床中当流体速度大于某一临界值(颗粒最小流化速度)时，流化床中多余的气体将以气泡的形式运动发展，这些气泡在不断上升的过程中也在不断的增大，甚至气泡会发生聚并与破碎，同时这些气泡间的作用方式会引起颗粒床层内部强烈的压力波动，进而带动整个床层内部颗粒的剧烈搅动与混合，增加了气固两相间的传热与传质，因此更加深入的了解与准确的理解鼓泡流化床中气泡的发展规律以及气固两相之间的作用方式对现代工农业中流化床反应器的设计非常重要。
发明内容
本发明的目的在于针对上述方案中存在的技术缺陷，提供了一种用于准三维流化床中气固两相流实验装置及方法。该装置及方法克服了实验过程中空气水分的和温度等无关变量对实验的影响，同时该装置对流化床床体进行了优化设计，达到了可以控制进口面积形状以及可以调节进口位置效果，并且该装置设置了高精度大量程低响应时间的质量流量控制器，该流量器可以瞬时调节流化床进口的质量流量。
所述气固两相流实验装置包括准三维流化床、质量流量控制器、空气压缩机、计算机、高速摄像机和多个压力传感器；
所述准三维流化床由透明材料制成，所述准三维流化床的底部设有至少一个可拆卸进气口；所述高速摄像机设置于所述准三维流化床的一侧；
多个所述压力传感器布置于所述准三维流化床的侧壁的不同高度处；所述空气压缩机与所述进气口连接，所述质量流量控制器设置于所述空气压缩机和所述进气口之间；
所述计算机分别与所述压力传感器、所述质量流量控制器和所述高速摄像机连接。
进一步的，所述实验装置还包括补光灯，所述补光灯设置于所述准三维流化床的一侧，且所述补光灯与所述准三维流化床之间具有45°～60°的夹角。
进一步的，所述实验装置还包括标尺，所述标尺竖直设置于所述准三维流化床的一侧，用于记录所述准三维流化床内颗粒床层高度的变化。
进一步的，所述实验装置还包括水平尺，所述水平尺设置于所述准三维流化床的顶部，用于校准所述准三维流化床相对地面垂直。
进一步的，所述实验装置还包括压力检测表，所述压力检测表设置于所述进气口处。
进一步的，所述实验装置还包括冷冻式干燥机，所述冷冻式干燥机设置于所述空气压缩机和所述质量流量控制器之间。
进一步的，所述实验装置还包括支架，所述准三维流化床设置于所述支架上。
进一步的，所述准三维流化床的出口处设有滤网。
相应的，本发明还提供了一种气固两相流实验方法，所述气固两相流方法使用上述任意一项所述的气固两相流实验装置，所述方法包括：
向所述准三维流化床中缓慢加入颗粒，并使颗粒在所述准三维流化床内静止第一预设时间，以消除由于流化床内部因为静电效应对于颗粒流动特性的影响；
启动所述冷冻式干燥机并运行第二预设时间后，启动所述空气压缩机、所述计算机和所述高速摄像机；
调节所述高速摄像机与所述准三维流化床之间的相对位置，同时调节所述补光灯与所述准三维流化床之间的相对角度；
通过计算机调节所述质量流量控制器的流量，并记录所述压力传感器的探测压力，以及通过所述压力检测表检测所述进气口处的压力，以使所述探测压力与所述进气口处的压力相等；
通过所述高速摄像机实时记录所述准三维流化床内颗粒的气固两相运动。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1)采用高精度大量程低响应时间的质量流量控制器，由于流化床中气固两相的发展是呈现周期性的变化，一般周期时间为0.5-2s，因此低响应时间可以保证流化床进口流速的时效性；
2)采用可拆卸式进口的流化床，一方面可以根据颗粒尺寸大小更换不同面积的进口，另一方面可拆卸式进口可以实现单一进口观测单一鼓泡的变化规律，同时可以观测多进口同时进气时不同鼓泡之间的干涉现象；
3)采用冷冻式干燥机对由空气压缩机产生的气体进行干燥与降温，这样可以避免温度与气体中水分对颗粒流动特性的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述气固两相流实验装置的示意图；
图2是本发明实施例中所述准三维流化床的放大图；
图3是单进口时所述准三维流化床中气固两相的运动；
图4是双进口时所述准三维流化床中气固两相的运动。
以下对附图作补充说明：
1-空气压缩机；2-冷冻式干燥机；3-质量流量控制器；4-压力传感器；5-准三维流化床；6-标尺；7-高速摄像机；8-计算机；9-支架；10-补光灯；11-压力检测表；12-进气口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种气固两相流实验装置，所述实验装置包括准三维流化床5、质量流量控制器3、空气压缩机1、计算机8、高速摄像机7和多个压力传感器4。
所述准三维流化床5由透明材料制成，所述准三维流化床5的底部设有至少一个可拆卸进气口12，从而能够根据需要更换不同截面形状的进气口12。
所述高速摄像机7设置于所述准三维流化床5的一侧，所述高速摄像机7能够对所述准三维流化床5内的气泡和颗粒的介观尺度进行捕捉，来更加清楚的理解流化床内部气固两相的作用方式以及运动机理。
多个所述压力传感器4布置于所述准三维流化床5的侧壁的不同高度处，以监测所述准三维流化床5内部的压力脉动。
所述空气压缩机1与所述进气口12连接，所述质量流量控制器3设置于所述空气压缩机1和所述进气口12之间。
所述计算机8分别与所述压力传感器4、所述质量流量控制器3和所述高速摄像机7连接，所述计算机8能够通过压力传感器4采集所述准三维流化床5的压力波动数据，控制所述质量流量控制器3的流量大小，以及通过高速摄像机7采集所述准三维流化床5内部的气固两相的作用方式以及运动机理。
其中，所述准三维流化床5是指流化床截面形状为矩形且截面的宽度远大于厚度的一类床型。
进一步的，所述准三维流化床5由透明的有机玻璃制成。
进一步的，如图2所示，所述进气口12有多个，多个所述进气口12均匀分布于所述准三维流化床5的底部；所述进气口12为圆柱形。
进一步的，所述实验装置还包括补光灯10，所述补光灯10设置于所述准三维流化床5的一侧，且所述补光灯10与所述准三维流化床5之间具有45°～60°的夹角，以使所述高速摄像机7的成像清晰。
进一步的，所述实验装置还包括标尺6，所述标尺6竖直设置于所述准三维流化床5的一侧，用于记录所述准三维流化床5内颗粒床层高度的变化。
进一步的，所述实验装置还包括水平尺，所述水平尺设置于所述准三维流化床5的顶部，用于校准所述准三维流化床5相对地面垂直，以消除重力对颗粒流动特性的影响。
进一步的，所述实验装置还包括压力检测表11，所述压力检测表11设置于所述进气口12处，用于检测所述准三维流化床5的进气口12处的压力。
进一步的，所述实验装置还包括冷冻式干燥机2，所述冷冻式干燥机2设置于所述空气压缩机1和所述质量流量控制器3之间。所述空气压缩机1为所述实验装置提供稳定的气体流速，所述冷冻式干燥机2能够以减小空气中水分对流化床内颗粒运动的影响。
进一步的，所述质量流量控制器3为高精度质量流量控制器3，其能够在很小的响应时间内瞬间改变气流的速度。
进一步的，所述准三维流化床5的出口处设有滤网，以防止颗粒弹射出流化床。
进一步的，所述可拆卸进气口12与所述准三维流化床5之间通过密封脂进行密封。
进一步的，所述实验装置还包括支架9，所述准三维流化床5设置于所述支架9上。
相应的，本发明实施例还提供了一种气固两相流实验方法，所述气固两相流方法使用上述任意一项所述的气固两相流实验装置，所述方法包括以下步骤：
S100：向所述准三维流化床5中缓慢加入颗粒，并使颗粒在所述准三维流化床5内静止第一预设时间，以消除由于流化床内部因为静电效应对于颗粒流动特性的影响。
S200：启动所述冷冻式干燥机2并运行第二预设时间后，启动所述空气压缩机1、所述计算机8和所述高速摄像机7。可以理解的是，所述冷冻式干燥机2提前运行能够消除所述冷冻式干燥机2由于长时间放置导致内部积累的水分，同时能够提高所述空气压缩机1所产生气流压强的稳定性。
S300：调节所述高速摄像机7与所述准三维流化床5之间的相对位置，同时调节所述补光灯10与所述准三维流化床5之间的相对角度。可以理解的是，通过对所述高速摄像机7和所述补光灯10的调节，以使高速摄影成像的清晰。
S400：通过计算机8调节所述质量流量控制器3的流量，并记录所述压力传感器4的探测压力，以及通过所述压力检测表11检测所述进气口12处的压力，以使所述探测压力与所述进气口12处的压力相等。可以理解的是，若同时使用多个所述进气口12，则需分别检测每个所述进气口12处的压力，以使得每个所述进气口12处的压力与压力传感器4检测压力一致。
S500：通过所述高速摄像机7实时记录所述准三维流化床5内颗粒的气固两相运动。
具体的，所述第一预设时间为3～5分钟。
具体的，所述第二预设时间为4～6分钟。且，所述第二预设时间根据具体的干燥机而定。
进一步的，所述步骤S400中，未使用的进气口12可以通过堵头进行密封。
如图3所示，当使用的进气口12只有一个时，所述高速摄像机7采集到的所述准三维流化床5中的气固两相的运动；如图4所示，当使用的进气口12为两个时，所述高速摄像机7采集到的所述准三维流化床5中的气固两相的运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置包括准三维流化床(5)、质量流量控制器(3)、空气压缩机(1)、计算机(8)、高速摄像机(7)和多个压力传感器(4)；
所述准三维流化床(5)由透明材料制成，所述准三维流化床(5)的底部设有至少一个可拆卸进气口(12)；所述高速摄像机(7)设置于所述准三维流化床(5)的一侧；
多个所述压力传感器(4)布置于所述准三维流化床(5)的侧壁的不同高度处；所述空气压缩机(1)与所述进气口(12)连接，所述质量流量控制器(3)设置于所述空气压缩机(1)和所述进气口(12)之间；
所述计算机(8)分别与所述压力传感器(4)、所述质量流量控制器(3)和所述高速摄像机(7)连接。
2.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括补光灯(10)，所述补光灯(10)设置于所述准三维流化床(5)的一侧，且所述补光灯(10)与所述准三维流化床(5)之间具有45°～60°的夹角。
3.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括标尺(6)，所述标尺(6)竖直设置于所述准三维流化床(5)的一侧，用于记录所述准三维流化床(5)内颗粒床层高度的变化。
4.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括水平尺，所述水平尺设置于所述准三维流化床(5)的顶部，用于校准所述准三维流化床(5)相对地面垂直。
5.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括压力检测表(11)，所述压力检测表(11)设置于所述进气口(12)处。
6.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括冷冻式干燥机(2)，所述冷冻式干燥机(2)设置于所述空气压缩机(1)和所述质量流量控制器(3)之间。
7.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括支架(9)，所述准三维流化床(5)设置于所述支架(9)上。
8.根据权利要求1所述的气固两相流实验装置，其特征在于，所述准三维流化床(5)的出口处设有滤网。
9.一种气固两相流实验方法，其特征在于，所述气固两相流方法使用权利要求1-8中任意一项所述的气固两相流实验装置，所述方法包括：
向所述准三维流化床(5)中缓慢加入颗粒，并使颗粒在所述准三维流化床(5)内静止第一预设时间，以消除由于流化床内部因为静电效应对于颗粒流动特性的影响；
启动冷冻式干燥机(2)并运行第二预设时间后，启动所述空气压缩机(1)、所述计算机(8)和所述高速摄像机(7)；
调节所述高速摄像机(7)与所述准三维流化床(5)之间的相对位置，同时调节补光灯(10)与所述准三维流化床(5)之间的相对角度；
通过计算机(8)调节所述质量流量控制器(3)的流量，并记录所述压力传感器(4)的探测压力，以及通过所述压力检测表(11)检测所述进气口(12)处的压力，以使所述探测压力与所述进气口(12)处的压力相等；
通过所述高速摄像机(7)实时记录所述准三维流化床(5)内颗粒的气固两相运动。
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