CN111366505B - 空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置 - Google Patents

Abstract

一种空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，空化射流球磨系统的磨机装有磨介，不锈钢高压管穿过磨机筒体中心，第一空化喷嘴连接在不锈钢高压管上，溢流管密封安装在不锈钢高压管上，进料管接有控制阀、高压泵、流量计和压力计，进料管淹没在水箱中；含颗粒流体输送系统的检测管路与磨机通过溢流管连接，检测管路上安装有控制阀、高压泵、流量计和压力计，第二空化喷嘴接在检测管路末端且与混合加速管连接；激光散射测量系统的观测窗直接连接混合加速管，透明镜片密封安装于观测窗上，激光器与光强检测器正对观测窗，测量后的含颗粒流体通过出料管完成循环。本发明微细颗粒“团聚”少、时间短、结构简单、能连续测量。

Description

空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测 装置

技术领域

本发明涉及微细颗粒粒度测量领域，尤其涉及一种空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置。

背景技术

在现代工业领域，微细颗粒材料因异于常态的物理、化学及表面与界面性质，被广泛与复合材料、新型先进陶瓷、电磁材料等。然而微细颗粒表面活性高且不稳定，容易发生团聚。研究表明，由于颗粒间强大的内聚力(即范德华力、磁性力、静电力和固体或液体桥力)，很难实现干颗粒固体的完全分散，特别是在20μm以下的粒径范围内。

利用气相或液相介质分散微细颗粒粉体，增大颗粒间距，缓解微细颗粒“团聚”，发挥机械剪切力与气流或者液流作用使颗粒细化。采用气流粉碎颗粒获得极细粉体，但惰性气体制备设备庞大、成本高。而水作为经济有效的介质，可以缓解微细颗粒“团聚”的问题。

水力空化作为液体中的特有的一种水动力学现象，通常指流体流过一个空化发生器(如文丘里管、孔板或者空化喷嘴等)时，液体被压缩，当压力降至饱和蒸汽压及以下时，溶解在流体中的“气核”会发生膨胀，流体中会产生大量的空化泡，空化泡在膨胀流动的过程中，随着周围压力的增大，体积又将急剧缩小甚至溃灭，溃灭时伴随产生高速微射流和强烈冲击波。空化微射流和冲击波能对物料形成冲蚀作用，可以是近壁面空化泡溃灭时的一次冲击破坏，也可以是空泡群的连续冲击作用。空泡溃灭冲击会加速颗粒运动，使颗粒具有很高的初始速度，从而造成颗粒间、颗粒与壁面之间的剧烈摩擦与碰撞，进而粉碎团聚体。

利用空化喷嘴产生空化泡，在空化射流中引入颗粒，合理的控制气液固三相颗粒流中的空化冲击使颗粒的动能增加，提高颗粒之间的相互碰撞作用以及颗粒与壁面之间的壁面冲击作用，促进微细颗粒团聚体粉碎。但空化射流冲击微细颗粒破碎的过程中，颗粒粒度缺乏有效的在线测量方法，这里将空化形成装置与激光散射法粒度测量系统相结合，可测量流速可控且颗粒分散后的颗粒粒径。

发明内容

为了克服微细颗粒“团聚”和测量步骤繁琐等问题，本发明提供一种微细颗粒“团聚”少、时间短、结构简单、能连续测量的空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度检测装置。

为实现上述目标，本发明的技术方案是：

一种空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，包括空化射流球磨系统、含颗粒流体输送系统和激光散射测量系统；

所述空化射流球磨系统包括磨机、磨介、不锈钢高压管、第一空化喷嘴、溢流管、第一压力计、第一流量计、第一高压泵、第一控制阀、进料管和水箱，所述的磨机装有磨介，所述的不锈钢高压管穿过磨机筒体中心，所述的第一空化喷嘴连接在不锈钢高压管上，所述的溢流管密封安装在不锈钢高压管上，所述的进料管接有第一控制阀、第一高压泵、第一流量计和第一压力计，进料管淹没在水箱中；

所述含颗粒流体输送系统包括第二空化喷嘴、混合加速管、第二压力计、第二流量计、第二高压泵、第二控制阀和检测管路，所述的检测管路与磨机通过溢流管连接，检测管路上安装有第二控制阀、第二高压泵、第二流量计和第二压力计，所述的第二空化喷嘴接在检测管路末端且与混合加速管连接；

所述激光散射测量系统包括观测窗、透明镜片、激光器、光强检测器、计算机、数据线和出料管，所述的观测窗直接连接混合加速管，所述的透明镜片密封安装于观测窗上，所述的激光器与光强检测器正对观测窗，所述的光强检测器通过数据线与计算机连接，实时测量颗粒粒径数据，测量后的含颗粒流体通过出料管完成循环。

进一步，所述的第一空化喷嘴通过螺纹连接在不锈钢高压管上，所述的第二空化喷嘴与混合加速管通过螺纹连接。

所述激光散射测量系统还包括扩束透镜和接收透镜，所述激光器观测窗之间设有扩束透镜，所述观测窗与光强检测器之间设有接收透镜。

再进一步，所述的空化射流产生的空化强度需要综合颗粒浓度、粒径来调节，从而有效分散微细颗粒的“团聚”与形成有效空泡溃灭冲击破碎；通过控制空化射流球磨系统和含颗粒流体输送系统的压力和流量，改变喷嘴喉部直径、出口直径、出口长度的的尺寸，可以实现空化射流强度调节控制；空化泡开始成长于喷嘴喉部，在喷嘴扩散段膨胀至最大，随后由于环境压力的增加，空泡发生溃灭，溃灭时会产生高速微射流和强烈冲冲击波。

更进一步，所述的含颗粒流体输送系统用于输送含微细颗粒流体，并通过控制阀和高压泵控制含颗粒流体的输送速度，使其达到激光散射测量系统测量所需的颗粒浓度值。所述的磨机中颗粒流受内部压力挤压通过溢流管溢流，所述的检测管路通过螺纹与溢流管和混合加速管连接。含颗粒流体进入混合加速管后与空化泡组成气液固三相流，空化泡溃灭形成的微射流和冲击波，对微细颗粒有冲击作用，可以驱动颗粒撞击混合加速管管壁，从而破碎并分散“团聚”体。

所述的空化射流球磨系统与含颗粒流体输送系统耦合作用机制相同，一方面射流本身的湍流运动会加速微细颗粒团聚体分散；另一方面喷嘴产生的空化泡会在微细颗粒附近溃灭形成微射流和冲击波冲击，微细颗粒受冲击撞击壁面会导致破碎，因此利用空化射流球磨系统与含颗粒流体输送系统的耦合作用可以获得分散性良好，粒度更细的微细颗粒。

所述的激光散射测试系测量系统直接测量颗粒粒径，大大减少了待测颗粒的“团聚”和预处理步骤；分散后的颗粒随液流向下游运动，并充满于观测窗中，此时利用激光器照射观测窗，颗粒在激光束的照射下，颗粒对于入射光的散射服从经典的米氏理论，散射角与颗粒直径成反比，散射光强度代表该粒径颗粒的数量，由此，在不同的角度上测量散射光的强度就可以得到颗粒的粒度分布。

与传统激光散射法微细颗粒粒度检测装置相比，本发明有如下有益效果：

1)本发明提供的一种液相环境下空化射流分散微细颗粒的激光散射法粒度检测装置，在解决微细颗粒“团聚”难题的同时，有利于实时、直接地测量微细颗粒粒度，是一种相对经济的微细颗粒粒度检测新装置。

2)本发明解决了传统颗粒激光散射测量系统预处理步骤繁琐的问题，进一步分散颗粒团聚体，提高颗粒检测的效率，降低了颗粒粒度检测的时间和装置成本。

3)本发明利用控制阀和高压泵实现对空化喷嘴入口压力的调节，从而有效控制空化泡溃灭的强度的同时可以控制含颗粒流体的流速，以保证激光散射颗粒测量的准确度；进而可根据测得的颗粒浓度和粒径范围的颗粒调整其相应的工作参数，以提高测量精度与效率。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是第二空化喷嘴、混合加速管与观测窗的三维示意图；

图3是第二空化喷嘴、混合加速管与观测窗的安装示意图。

图中，1、磨机，2、不锈钢高压管，3、第一空化喷嘴，4、溢流管，5、第二压力计，6、第二流量计，7、第二高压泵，8、第二控制阀，9、检测管路，10、第二空化喷嘴，11、混合加速管，12、透明镜片，13、观测窗，14、接收透镜，15、光强检测器，16、数据线，17、计算机，18、磨介，19、第一压力计，20、第一流量计，21、第一高压泵，22、第一控制阀，23、进料管，24、水箱，25、出料管，26、扩束透镜，27、激光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，包含空化射流球磨系统(磨机1、不锈钢高压管2、第一空化喷嘴3、溢流管4、磨介18、第一压力计19、第一流量计20、第一高压泵21、第一控制阀22、进料管23、水箱24)、含颗粒流体输送系统(第二压力计5、第二流量计6、第二高压泵7、第二控制阀8、检测管路9、第二空化喷嘴10、混合加速管11)和激光散射测量系统(透明镜片12、观测窗13、接收透镜14、光强检测器15、数据线16、计算机17、出料管25、扩束透镜26、激光器27)。所述的磨机1装有一定量磨介18，所述的不锈钢高压管穿过磨机筒体中心，所述的第一空化喷嘴3通过螺纹连接在不锈钢高压管2上，所述的溢流管4密封安装在不锈钢高压管2上，所述的进料管接有第一控制阀22、第一高压泵21、第一流量计20、第一压力计19，进料管淹没在水箱24中；所述的检测管路9与磨机1通过溢流管4连接，检测管路9上安装有第二控制阀8、第二高压泵7、第二流量计6和第二压力计5，所述的第二空化喷嘴10接在检测管路9末端，与混合加速管11通过螺纹连接；所述的观测窗13直接连接混合加速管11，所述的透明镜片12密封安装于观测窗13上，所述的激光器27与扩束透镜26、接收透镜14和光强检测器分别正对观测窗13，所述的光强检测器15通过数据线16与计算机17连接，实时测量颗粒粒径数据，测量后的含颗粒流体通过出料管25完成循环。通过空化喷嘴3和第二空化喷嘴10产生大量空化泡，近壁面空化泡溃灭形成的微射流和冲击波裹挟微细颗粒撞击壁面，磨介18附近的区域为有效空化区域，在空化喷嘴10与混合加速管11之间形成有效的空化区域，以上区域可加强颗粒与壁面之间的碰撞冲击耦合液相介质的湍流剪切作用，有效加强微细颗粒与团聚体的破碎效果。分散后的颗粒充满于观测窗13的透明镜片12夹层中，此时利用激光散射法测量观测窗13中散布颗粒的粒径。

通过控制空化射流的压力和流量，改变喷嘴喉部直径、出口直径、出口长度的的尺寸，可以实现空化射流强度调节。空化泡开始成长于喷嘴喉部，在喷嘴扩散段膨胀至最大，随后在混合加速管11中溃灭。磨机中颗粒流受内部压力挤压通过溢流管4溢流，所述的检测管路9通过螺纹与溢流管4和混合加速管11连接。含颗粒流体进入混合加速管11后与空化泡组成气液固三相流，空化泡溃灭形成的微射流和冲击波，对微细颗粒有冲击作用，可以驱动颗粒撞击混合加速管管壁，从而破碎并分散“团聚”体。分散后的颗粒随液流向下游运动，并充满于观测窗13中，此时利用激光器27照射观测窗13，颗粒在激光束21的照射下，颗粒对于入射光的散射服从经典的米氏理论，散射角与颗粒直径成反比，散射光强度代表该粒径颗粒的数量。光强检测器15通过数据线16与计算机17连接，实时测量颗粒粒径数据。

如图2所示第二空化喷嘴10、混合加速管11、观测窗13、透明镜片12依次布置。混合加速管11外侧为六角形，便于通孔和攻螺纹。观测窗13的中间部分为长方体，可采用亚克力材质。透明镜片12通过螺纹连接与观测窗13形成良好的密封。

如图3所示第二空化喷嘴10、混合加速管11、透明镜片12观测窗13通过螺纹连接。改变空化喷嘴10喉部直径可以改变射流压力，从而达到控制空化强度的效果。透明镜片12需两块，镜片间距与观测窗13进出口直径相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，其特征在于，包括空化射流球磨系统、含颗粒流体输送系统和激光散射测量系统；

所述空化射流球磨系统包括磨机、磨介、不锈钢高压管、第一空化喷嘴、溢流管、第一压力计、第一流量计、第一高压泵、第一控制阀、进料管和水箱，所述的磨机装有磨介，所述的不锈钢高压管穿过磨机筒体中心，所述的第一空化喷嘴连接在不锈钢高压管上，所述的溢流管密封安装在不锈钢高压管上，所述的进料管接有第一控制阀、第一高压泵、第一流量计和第一压力计，进料管淹没在水箱中；

所述含颗粒流体输送系统包括第二空化喷嘴、混合加速管、第二压力计、第二流量计、第二高压泵、第二控制阀和检测管路，所述的检测管路与磨机通过溢流管连接，检测管路上安装有第二控制阀、第二高压泵、第二流量计和第二压力计，所述的第二空化喷嘴接在检测管路末端且与混合加速管连接；

所述激光散射测量系统包括观测窗、透明镜片、激光器、光强检测器、计算机、数据线和出料管，所述的观测窗直接连接混合加速管，所述的透明镜片密封安装于观测窗上，所述的激光器与光强检测器正对观测窗，所述的光强检测器通过数据线与计算机连接，实时测量颗粒粒径数据，测量后的含颗粒流体通过出料管完成循环；

所述的含颗粒流体输送系统用于输送含微细颗粒流体，并通过控制阀和高压泵控制含颗粒流体的输送速度，使其达到激光散射测量系统测量所需的颗粒浓度值；所述的磨机中颗粒流受内部压力挤压通过溢流管溢流，所述的检测管路通过螺纹与溢流管和混合加速管连接；含颗粒流体进入混合加速管后与空化泡组成气液固三相流，空化泡溃灭形成的微射流和冲击波，对微细颗粒有冲击作用，可以驱动颗粒撞击混合加速管管壁，从而破碎并分散“团聚”体；

所述的空化射流球磨系统与含颗粒流体输送系统耦合作用机制相同，一方面射流本身的湍流运动会加速微细颗粒团聚体分散；另一方面喷嘴产生的空化泡会在微细颗粒附近溃灭形成微射流和冲击波冲击，微细颗粒受冲击撞击壁面会导致破碎；

所述的激光散射测试系测量系统直接测量颗粒粒径，大大减少了待测颗粒的“团聚”和预处理步骤；分散后的颗粒随液流向下游运动，并充满于观测窗中，此时利用激光器照射观测窗，颗粒在激光束的照射下，颗粒对于入射光的散射服从经典的米氏理论，散射角与颗粒直径成反比，散射光强度代表该粒径颗粒的数量，由此，在不同的角度上测量散射光的强度就可以得到颗粒的粒度分布。

2.如权利要求1所述的空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，其特征在于，所述的第一空化喷嘴通过螺纹连接在不锈钢高压管上，所述的第二空化喷嘴与混合加速管通过螺纹连接。

3.如权利要求1或2所述的空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，其特征在于，所述激光散射测量系统还包括扩束透镜和接收透镜，所述激光器观测窗之间设有扩束透镜，所述观测窗与光强检测器之间设有接收透镜。

4.如权利要求1或2所述的空化冲击破碎耦合微细颗粒分散的激光散射法粒度随动检测装置，其特征在于，空化射流产生的空化强度需要综合颗粒浓度、粒径来调节，从而有效分散微细颗粒的“团聚”与形成有效空泡溃灭冲击破碎；通过控制空化射流球磨系统和含颗粒流体输送系统的压力和流量，改变喷嘴喉部直径、出口直径、出口长度的尺寸，可以实现空化射流强度调节控制；空化泡开始成长于喷嘴喉部，在喷嘴扩散段膨胀至最大，随后由于环境压力的增加，空泡发生溃灭，溃灭时会产生高速微射流和强烈冲击波。

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