CN110927205A - 一种测定散料绕管流动换热系数的装置 - Google Patents

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戴椰凌
刘向军
邓聪
夏德宏
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Abstract

本发明提供一种测定散料绕管流动换热系数的装置，属于散料热物性测量技术领域。该装置包括散料料斗、散料流动仓、浮子流量计、热电偶、换热管道、散料筛板、电子秤、数据记录系统、增压泵和恒温加热模块，散料料斗下设置散料流动仓，散料流动仓中部贯穿换热管道，散料流动仓下部设置散料筛板，散料筛板下方放置电子秤，电子秤连接数据记录系统，换热管道出入口处设置热电偶，换热管道和外部管道之间设置软管接头，外部管道上设置浮子流量计，外部管道连接恒温加热模块。本装置创新性地采用多层滤板解决散料流动控速的问题，结构简单可靠，而采用工质向散料传热的形式也避免了散料加热耗时长、温度分布不均匀等一系列问题。

Description

一种测定散料绕管流动换热系数的装置
技术领域
本发明涉及物料热物性测量技术领域，特别是指一种测定散料绕管流动换热系数的装置。
背景技术
散料是指各种堆积在一起的块状物料、颗粒物料和粉末物料，在日常生活中随处可见，其热物性参数会因物料种类、粒径分布、表面性质和水分含量等等差异而有所不同。因为散料的影响因素多，仅仅通过文献调研难以获得准确数据，实验测定成了获取散料的热物性的必要手段；静态实验通常将散料等效为多孔介质，更注重获取散料的导热系数、比热容等热物性参数，但散料的流动会带来显著的换热特性差异，对于工程应用而言，与流动结合的散料热物性参数有更广阔的应用面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测定散料绕管流动换热系数的装置。
该装置包括散料料斗、散料流动仓、浮子流量计、热电偶、换热管道、散料筛板、电子秤、数据记录系统、增压泵和恒温加热模块，散料料斗下设置散料流动仓，散料流动仓中部贯穿换热管道，散料流动仓下部设置散料筛板，散料筛板下方放置电子秤，电子秤连接数据记录系统，换热管道出入口处和出口处设置热电偶，换热管道的出入口分别连接外部管道，出口处连接的外部管道上设置浮子流量计，入口处的外部管道连接恒温加热模块。
其中，恒温加热模块连接的外部管道上设置球阀，进入恒温加热模块的外部管道上设置增压泵。
散料流动仓与散料料斗的相交处、最上层筛板以及前后壁面到换热管道的距离都大于15倍散料颗粒粒径。
散料筛板不少于三层，散料筛板通过筛板插槽安装在散料流动仓上。
散料筛板的筛孔数量由上层往下逐渐减少，筛孔为方形或圆形，筛孔的边长或直径为散料颗粒粒径的3-5倍，且筛孔大小由上层往下逐渐变小，相邻散料筛板的筛孔交错排列。
换热管道为耐腐蚀、耐磨损的钢材制成，换热管道长度不小于30倍散料颗粒粒径，外径不小于5倍散料颗粒粒径，当换热管道内为液体工质时，管道出口处设置向上的弯管，且连接浮子流量计，管道入口处连接球阀。
当换热管道入口处工质温度不超过150℃时，换热管道两端采用软管接头，热电偶由软管接头的缝隙伸入换热管道内与工质接触。
恒温加热模块内储存工质，工质和散料的初始温差大于50℃。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，首次提出了测量其热物性的方法与装置，为解决工程问题提供了途径。本装置创新性地采用多层滤板解决散料流动控速的问题，结构简单可靠，而采用工质向散料传热的形式也避免了散料加热耗时长、温度分布不均匀等一系列问题。
附图说明
图1为本发明的测定散料绕管流动换热系数的装置结构示意图；
图2为本发明的测定散料绕管流动换热系数的装置右视图；
图3为本发明实施例中4层筛板结构示意图。
其中：1-散料料斗；2-散料流动仓；3-浮子流量计；4-软管接头；5-热电偶；6-换热管道；7-散料筛板；8-电子秤；9-数据记录系统；10-筛板插槽；11-球阀；12-增压泵；13-恒温加热模块。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种测定散料绕管流动换热系数的装置。
如图1和图2所示，该装置包括散料料斗1、散料流动仓2、浮子流量计3、热电偶5、换热管道6、散料筛板7、电子秤8、数据记录系统9、增压泵12和恒温加热模块13，散料料斗1下设置散料流动仓2，散料流动仓2中部贯穿换热管道6，散料流动仓2下部设置散料筛板7，散料筛板7下方放置电子秤8，电子秤8连接数据记录系统9，换热管道6出入口处和出口处设置热电偶5，换热管道6的出入口分别连接外部管道，出口处连接的外部管道上设置浮子流量计3，入口处的外部管道连接恒温加热模块13。
该装置中，工质与散料在换热管道内外两侧进行间壁式换热，采用散料筛板7和在线电子秤8控制和监测散料的质量流率，采用球阀11和浮子流量计3控制和监测管道内工质的流速，采用多个热电偶5分别监测工质的出入口温度和散料入口温度，结合换热工质的比热等热物性参数，计算得出指定条件下散料绕管流动过程中的换热量和换热系数。
散料在散料流动仓2内受重力驱动向下方出口流动，流动仓应保证良好的隔热性，流动仓上部为大容量的散料料斗1，保证流动仓上部始终蓄存一定量的散料，这样不仅能保证稳定的换热效果，还可以降低人工加料的频率；流动仓前后间距设计值应在30倍散料颗粒粒径以上，左右间距则由换热管道6的长度决定；流动仓底部采用多层散料筛板7约束散料的流动速度；出口下方放置具有储料能力的在线电子秤8。相比于星型排料阀等机械控速结构，多层筛板结构相对简单且成本更低，更适合小型装置，颗粒流速更为稳定，也不会出现破碎颗粒的问题。在出口下方放置具有储料能力的在线电子秤，可实时监测散料的质量流率。
如图3所示，散料筛板7为上下多层结构，筛孔数量由上往下逐步减小，筛孔可为方形或圆形，以具体加工条件为准，筛孔的边长或直径以颗粒粒径的3～5倍为宜，颗粒挤压较大的上层筛板应尽量选择5倍粒径的筛孔，而颗粒挤压较弱的下层筛板可选择3～4倍粒径的筛孔。相邻两筛板的筛孔应交错排列，防止孔对孔的情况。
换热管道6应选择耐腐蚀，耐磨损的钢材，管道外径不小于5倍散料颗粒粒径，以保证横置的换热管道影响足够多颗粒的流动，管道长度不应低于30倍散料颗粒粒径，由于管道长度会影响工质入出口的温差，换热管道必须足够长，入出口温差足够大，才能减小测温误差带来的干扰；在选用液体工质时，为防止管道倒吸出口处的空气，管道出口应有一段向上的弯管，以保持一段封闭的液柱；管道入口段与球阀11连接，出口段与浮子流量计3连接。
换热管道两端插入热电偶5，在工质入口温度不超过150℃的工况下，换热管两端可采用软管接头，热电偶丝可由软管与接头的缝隙直接伸入换热管道内与工质接触。
工质储存于安装在装置上方的恒温加热模块13中，工质的与散料的初始温差应在50℃以上以减小工质出入口温度差的相对误差，必要时，应在恒温加热装置与换热管道的连接部分包裹保温隔层。
该装置可测定多种类型的散料，要求散料分布均匀，不出现上下分层现象，以保证实验的重现性；考虑到滤板控速的稳定性，散料颗粒的粒径以0.5～10mm为宜，高温散料或常温散料都可采用该方法测定换热系数。当选用液态换热工质时，散料温度和工质初始温度都应低于该工质的常压沸点，经济价值较高、存在易燃易爆隐患或对环境不友好的换热工质应当进行闭路循环并定时检测管道密闭性。
流动仓底部的筛板为上下多层结构，本发明实施例为4层，为保证良好的控速效果筛孔数量由上往下逐步减小，当需要尽可能低地降低颗粒整体流速时，底层筛板的筛孔数量可调整至1～2个。筛孔形状可为方形或圆形，以具体加工条件为准，根据文献调研与实验验证，筛孔的边长或直径以3～5倍颗粒粒径为宜，上层筛板处，由于颗粒间的挤压较大，应尽量选择5倍粒径的筛孔以避免颗粒堵塞，而颗粒挤压较弱的下层筛板可选择3倍粒径的筛孔以降低颗粒的整体流速。相邻两筛板的筛孔应交错排列，防止孔对孔的情况，当颗粒处于稳定出流状态，相邻隔板间会出现多个颗粒堆，由于颗粒堆与颗粒安息角相关，上下两孔的纵向间距与横向间距之比应小于颗粒安息角的正切值。应当指出，图3中所示的筛板组合仅为示例，可通过改变筛孔大小、排列及数量的方式进行多组合的调整。
下面结合具体过程予以说明。
本发明对散料绕管流动过程中与流动和温度相关的参数进行调节与监测，最终获取稳定工况下在换热管表面的热通量及换热系数。
所述换热管道6的管径与长度应当直接确定，其值分别为Dp和LP，管道内工质的物性参数可通过文献调研等方式确定，工质的密度为ρf，比热容为Cf。通过调节球阀11，使工质的体积流量稳定于Vf附近。
所述散料流动仓2内的颗粒也应保持稳定流动，对筛板进行多组合调整后，散料的质量流量稳定于Ms附近，同时也应记下散料的入口温度Tsi。当散料稳定流动后，应当定时在散料料斗1中加入散料，在电子秤8上取出散料以保证散料稳定持续的流动，而取出的散料应当于流通空气中分散静置，直至冷却至室温，从而减小工质与散料换热温差偏小及散料入口温度分布不均、测量不准确带来的误差。
所述换热管道两端的热电偶5持续监测工质的入出口温度Tfi和Tfo，直至出口温度Tfo的每分钟波动不大于入出口温差的5％，即
Figure BDA0002289499960000051
换热管表面由散料向工质传输的热通量Q可用下式表示，
Q＝(Tfo-Tfi)ρfCfVf
而散料在换热管表面的换热系数h继而可用下式表示，
Figure BDA0002289499960000052
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：包括散料料斗(1)、散料流动仓(2)、浮子流量计(3)、热电偶(5)、换热管道(6)、散料筛板(7)、电子秤(8)、数据记录系统(9)、增压泵(12)和恒温加热模块(13)，散料料斗(1)下设置散料流动仓(2)，散料流动仓(2)中部贯穿换热管道(6)，散料流动仓(2)下部设置散料筛板(7)，散料筛板(7)下方放置电子秤(8)，电子秤(8)连接数据记录系统(9)，换热管道(6)出入口处和出口处及散料料斗(1)边缘设置热电偶(5)，热电偶连接数据记录系统(9)，换热管道(6)的出入口分别连接外部管道，出口处连接的外部管道上设置浮子流量计(3)，入口处的外部管道连接恒温加热模块(13)。
2.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述恒温加热模块(13)连接的外部管道上设置球阀(11)，进入恒温加热模块(13)的外部管道上设置增压泵(12)。
3.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述散料流动仓(2)与散料料斗(1)的相交处、最上层筛板以及前后壁面到换热管道(6)的距离都大于15倍散料颗粒粒径。
4.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述散料筛板(7)不少于三层，散料筛板(7)通过筛板插槽(10)安装在散料流动仓(2)上。
5.根据权利要求4所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述散料筛板(7)的筛孔数量由上层往下逐渐减少，筛孔为方形或圆形，筛孔的边长或直径为散料颗粒粒径的3-5倍，且筛孔大小由上层往下逐渐变小，相邻散料筛板的筛孔交错排列。
6.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述换热管道(6)为耐腐蚀、耐磨损的钢材制成，换热管道(6)长度不小于30倍散料颗粒粒径，外径不小于5倍散料颗粒粒径，当换热管道(6)内为液体工质时，管道出口处设置向上的弯管，且连接浮子流量计(3)，管道入口处连接球阀(11)。
7.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：当换热管道(6)入口处工质温度不超过150℃时，换热管道(6)两端采用软管接头(4)，热电偶(5)由软管接头(4)的缝隙伸入换热管道(6)内与工质接触。
8.根据权利要求1所述的测定散料绕管流动换热系数的装置，其特征在于：所述恒温加热模块(13)内储存工质，工质和散料的初始温差大于50℃。
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