CN112774851A - 一种浅槽分选机实验台及实验方法 - Google Patents

一种浅槽分选机实验台及实验方法 Download PDF

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吕高常
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Abstract

本发明涉及一种浅槽分选机实验台及实验方法，实验台包括浅槽分选机循环系统和粒子图像测速系统，浅槽分选机循环系统包括槽体、上升流漏斗、水平流漏斗、溢流堰、入料口、刮板、矸石排料口、传动装置、循环水池、上升流流量计、水平流流量计、上升流阀门、水平流阀门、潜水泵、示踪粒子，粒子图像测速系统包括计算机、激光器、数字相机、同步控制器。本发明公开的浅槽分选机实验台及实验方法，借助先进的三维粒子测速系统，科学检测分选时的流场流态，解决了现有的流场研究方法不准确的问题。

Description

一种浅槽分选机实验台及实验方法
技术领域
本专利申请属于选煤设备实验技术领域，更具体地说，是涉及一种选煤用浅槽分选机实验台及实验方法。
背景技术
浅槽分选机是目前动力煤分选的首选设备，在发展洁净煤技术中起着重要作用。浅槽分选机在分选动力煤方面有比较多的优势，主要表现在处理能力大、物料泥化程度低、设备简单维修量小、占地面积小、吨煤介耗比较少，是现在比较流行的动力煤分选设备。在分选过程中，煤和矸石在浅槽内的运动十分平稳，可以认为是相对静态分选，煤和矸石在悬浮液中很少相互挤压摩擦，因此可以最大限度的提高设备的分选精度，减轻分选作业产生的次生煤泥量。
浅槽分选机原理是利用煤和矸石密度的不同在相对静止的重介悬浮液中自然分层，精煤上浮至液面，在水平流的作用下，从溢流堰溢出；沉入底部的矸石用刮板提升至排放口，从而得到两种不同密度的产品。浅槽分选机内保持均匀稳定的重介质悬浮液对于完成物料在槽体内的分选是非常重要的。重介质悬浮液由合格介质泵分两部分打入浅槽分选机，一部分是水平流，介质经管道从水平方向给入浅槽分选机的入料溜槽中，确保精煤及时排出槽体。另一部分是上升流，介质经管道由底部给入分选槽体，确保浅槽内介质密度均匀分布。生产实践表明，上升流和水平流调整不当， 管路堵塞或介质桶液位不足, 都会引起液流波动，上升流与水平流必须控制在一定条件下才能正常分选。另外，浅槽重介分选机排矸刮板在工作过程中，由于刮板的不断扰动，会在流体内部产生大量的旋转涡流，会导致分选效果受到影响。在分选槽内，如果涡流方向和矸石沉降方向相同，对于分选影响并不大，甚至是有益的；如果涡流的方向与矸石沉降方向相反，就会影响分选效果，从而降低原煤的处理量。
浅槽分选机在生产过程中，悬浮液流场处于一种什么样的形态之中，何种流场状态对分选有利，还没有一种直观的办法表达出来。现在常用的方法主要是应用数值模拟软件进行流场的模拟。这种方法的弊端在于：数值模拟方法在模拟分析过程中，往往要对边界条件和材料进行简化处理，会对分析结果产生影响，而且结构离散化的形式不同，得到的结果和精度也不同，随机性比较大，不能准确地研究浅槽分选机内部流场。通过检索，也没有专利文献涉及过浅槽分选机实验台及实验方法的相关内容。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种浅槽分选机实验台及实验方法，借助先进的三维粒子测速系统，对浅槽分选机流场进行分析，科学检测分选时的流场流态，以确保浅槽分选机内部流场研究的准确性。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种浅槽分选机实验台，包括浅槽分选机循环系统和粒子图像测速系统两部分，其中：
浅槽分选机循环系统包括槽体、上升流漏斗、水平流漏斗、溢流堰、入料口、刮板、矸石排料口、传动装置、循环水池、上升流流量计、水平流流量计、上升流阀门、水平流阀门、潜水泵Ⅰ、潜水泵Ⅱ、示踪粒子；
槽体由透明材质制成、并略高出循环水池；槽体底板下侧四角分别竖直焊接一定高度的槽钢，槽钢另一端焊接在循环水池的内底板上，使槽体略高出循环水池；
上升流漏斗、水平流漏斗、溢流堰、入料口、刮板、矸石排料口、传动装置均安装在槽体上，槽体一侧设有入料口、另一侧对应设有溢流堰，矸石排料口位于槽体的矸石出料端，传动装置通过链条连接有刮板，刮板与矸石排料口对应；水平流漏斗与入料口对应连接，水平流漏斗3与入料口5的连接关系是，入料口5上部入料、一侧与水平流漏斗3连接，水平流漏斗3水平方向给入水平流，推动入料向槽体1内运动。
上升流流量计、上升流阀门安装在上升流总管上，上升流总管一端连接潜水泵Ⅰ，另一端连接上升流漏斗。
水平流流量计、水平流阀门安装在水平流总管上，水平流总管一端连接潜水泵Ⅱ，另一端连接水平流漏斗。
潜水泵Ⅰ和潜水泵Ⅱ均位于循环水池内。
示踪粒子位于槽体内，示踪粒子的密度和槽体内的流体的密度相等或近似相等，示踪粒子的直径要尽可能小而且还要保证散射光的强度，所以其直径的选择很重要。
粒子图像测速系统包括计算机、激光器、数字相机、同步控制器，计算机、激光器、数字相机、同步控制器安装在浅槽分选机循环系统外围，同步控制器与计算机、激光器、数字相机均信息连接，计算机与激光器之间也信息连接，数字相机的图像数据通过图像采集板实时传输到计算机中，计算机与上升流阀门、水平流阀门也信息连接，也就是计算机是最重要的中枢结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：槽体由有机玻璃制成、外部设有用于紧固的加强肋。
本发明技术方案的进一步改进在于：加强肋为钢架。
本发明技术方案的进一步改进在于：溢流堰的截面为梯形，并与入料口对称布置在槽体上。
本发明技术方案的进一步改进在于：激光器通过三脚架安装在槽体正上方，并垂直照射槽体内部；数字相机为多台、并分别放置在槽体的前视、左视和俯视位置，并随着激光器的照射频率不断地对示踪粒子进行拍摄，不断记录下示踪粒子在当前所测平面的前后两帧粒子图像。
本发明技术方案的进一步改进在于：示踪粒子选用聚苯乙烯、铝粉、玻璃球、合成棉颗粒、氧气泡的一种或多种，示踪粒子的直径为2~1000μm。
一种浅槽分选机实验台的实验方法，利用了上述的实验台，该实验方法包括如下步骤：
①将槽体中注入清水，撒入示踪粒子，搅拌均匀；
②开启潜水泵Ⅰ、潜水泵Ⅱ和传动装置，调节上升流阀门、水平流阀门和刮板转速，至浅槽分选机循环系统工作状态正常；
③将数字相机摆放至合适位置，拍摄图像，保存图像记录，完成数据采集；
④计算机读入粒子图像，处理并保存计算结果；
⑤计算机根据当前处理数据计算流场特性参数结果，从而判断是否需要调节上升流流量、水平流流量或刮板转速。
本发明技术方案的进一步改进在于：
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：本发明借助先进的三维粒子测速系统，对浅槽分选机流场进行分析，科学检测分选时的流场流态，解决了现有的流场研究方法不准确的问题。
循环水池，安装于槽体下方，尺寸大于槽体，保证水流的循环和储存。
上升流流量计、水平流流量计分别用于监测上升流和水平流的大小，上升流阀门、水平流阀门分别用于调整上升流和水平流的大小。
潜水泵Ⅰ和潜水泵Ⅱ放置在循环水池底部，用于实现水流的循环。
示踪粒子在实验之前散布在槽体内部的流场中，用来反映水质点的运动。
激光器发出激光对所测平面进行照射，使示踪粒子曝光。
数字相机随着激光器的照射频率不断地对示踪粒子进行拍摄，不断记录下示踪粒子的前后两帧粒子图像。
同步控制器用于保证激光照射曝光和数字相机的拍摄同步进行。
计算机对图像中的粒子图像进行互相关计算，得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。
本发明测试准确、使用方便，同已有数值模拟方法相比，不存在机械结构简化处理的问题，利用本发明的计算机可以实时地完成速度场的计算、显示和存储，科学检测分选时的流场流态，从而确保浅槽分选机内部流场研究的准确性。
附图说明
图1为本发明实验台的浅槽分选机循环系统的结构示意图；
图2为图1的左视结构示意图；
图3为本发明实验台的正视结构示意图；
图4为本发明实验台的俯视结构示意图；
图中各标号为：1、槽体，2、上升流漏斗，3、水平流漏斗，4、溢流堰，5、入料口，6、刮板，7、矸石排料口，8、传动装置， 9、循环水池， 10、上升流流量计， 11、水平流流量计，12、上升流阀门，13、水平流阀门，14、潜水泵Ⅰ，15、潜水泵Ⅱ，16、示踪粒子，17、计算机，18、激光器，19、数字相机，20、同步控制器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种浅槽分选机实验台，包括浅槽分选机循环系统和粒子图像测速系统两部分，其中：
参见图1和图2，浅槽分选机循环系统包括槽体1、上升流漏斗2、水平流漏斗3、溢流堰4、入料口5、刮板6、矸石排料口7、传动装置8、循环水池9、上升流流量计10、水平流流量计11、上升流阀门12、水平流阀门13、潜水泵Ⅰ14、潜水泵Ⅱ15、示踪粒子16。具体参看图1、图2和图4，槽体1、上升流漏斗2、水平流漏斗3、溢流堰4、入料口5、刮板6、矸石排料口7由透明的有机玻璃制造而成，并组装在一起。其中图1中箭头方向为左视方向。
槽体1外部设有用于紧固的加强肋，比如加强肋为钢架或其他坚固的物体或结构。
上升流漏斗2、水平流漏斗3、溢流堰4、入料口5、刮板6、矸石排料口7、传动装置8均安装在槽体1上，槽体1一侧设有入料口5、另一侧对应设有溢流堰4，矸石排料口7位于槽体1的矸石出料端，水平流漏斗3出口与入料口5对应。水平流漏斗3与入料口5的连接关系是，入料口5上部入料、一侧与水平流漏斗3连接，水平流漏斗3水平方向给入水平流，推动入料向槽体1内运动。
传动装置8通过链条连接有刮板6，传动装置8带动链条上的刮板6做匀速转动，刮板6与矸石排料口7对应。实验过程中，可以通过外接变频器调节传动装置8的转速。
循环水池9尺寸大于槽体1，槽体1底板下侧四角分别竖直焊接一定高度的槽钢，槽钢另一端焊接在循环水池9的内底板上，使槽体1略高出循环水池9。
潜水泵Ⅰ14和潜水泵Ⅱ15放置在循环水池9底部，潜水泵Ⅰ外接上升流总水管至上升流漏斗2，上升流总水管上安装上升流流量计10和上升流阀门12，潜水泵Ⅱ外接水平流总水管至水平流漏斗3，水平流总水管上安装水平流流量计11和水平流阀门13。
示踪粒子16在实验之前散布在槽体1内部流场中，示踪粒子16的密度和槽体1内的流体的密度相等或近似相等，示踪粒子16的直径要尽可能小而且还要保证散射光的强度，所以直径的选择很重要。比如示踪粒子16选用聚苯乙烯、铝粉、玻璃球、合成棉颗粒、氧气泡的一种或多种，示踪粒子16的直径为2~1000μm。
粒子图像测速系统包括计算机17、激光器18、数字相机19、同步控制器20，计算机17、激光器18、数字相机19、同步控制器20安装在浅槽分选机循环系统的外围。
参看图3和图4，激光器18通过三脚架安装在槽体1正上方，垂直照射槽体1内部流场；数字相机19为三台、并分别放置在实验台的前视、左视和俯视位置，随着激光器18的照射频率不断地对示踪粒子16进行拍摄，不断记录下示踪粒子16在当前所测平面的前后两帧粒子图像；同步控制器20分别连接计算机17、激光器18和数字相机19，同步控制器20用以保证激光照射曝光频率与数字相机的拍摄频率同步。计算机17与激光器18之间也信息连接。数字相机19的图像数据通过图像采集板实时传输到计算机17中，计算机17搭载的软件系统对粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。
计算机17与上升流阀门12、水平流阀门13也信息连接，计算机17与上升流流量计10、上升流阀门12构成闭环控制回路，计算机17与水平流流量计11、水平流阀门13构成闭环控制回路，计算机17根据当前流场特性实时调节上升流阀门12和水平流阀门13的开度。
利用本发明的浅槽分选机实验台进行实验，实验方法的工作步骤如下：
①将槽体1中注入清水，撒入示踪粒子16，搅拌均匀；液体流场中常用的示踪粒子16见表1所述。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如果使用玻璃球，推荐使用密度接近于水的空心玻璃微珠，或者聚乙烯、聚苯乙烯之类的有机材料。
②开启潜水泵Ⅰ14、潜水泵Ⅱ15和传动装置8，循环水分别经上升流漏斗2和水平流漏斗3打入到槽体1中，调节上升流阀门12、水平流阀门13和刮板6转速，至浅槽分选机循环系统工作状态正常；
③将数字相机19摆放至合适位置，拍摄图像，保存图像记录，完成数据采集；在实验过程中，数字相机随着激光器的照射频率不断地对示踪粒子进行拍摄，同步记录下示踪粒子的前后两帧粒子图像。数字相机19摆放位置参见图3、图4，分别为左视方向、俯视方向、前视方向，借助图中的箭头可知，图3显示了左视方向（最左侧）、俯视方向（左上侧），图4显示了左视方向（最左侧）、前视方向（最下侧）；
④计算机17读入粒子图像，处理并保存计算结果；计算机搭载的软件系统对图像中的粒子进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布，进一步处理可得流场涡量、流线以及等速度线等流场特性参数分布。
⑤计算机17根据当前处理数据计算流场特性参数结果，从而判断是否需要调节上升流流量、水平流流量或刮板6转速。若需要调节，则计算机17通过上升流阀门12、水平流阀门13对应调节上升流流量、水平流流量，通过传动装置调节刮板6转速。

Claims (7)

1.一种浅槽分选机实验台，其特征在于：包括浅槽分选机循环系统和粒子图像测速系统两部分，其中：
浅槽分选机循环系统包括槽体（1）、上升流漏斗（2）、水平流漏斗（3）、溢流堰（4）、入料口（5）、刮板（6）、矸石排料口（7）、传动装置（8）、循环水池（9）、上升流流量计（10）、水平流流量计（11）、上升流阀门（12）、水平流阀门（13）、潜水泵Ⅰ（14）、潜水泵Ⅱ（15）、示踪粒子（16）；
槽体（1）由透明材质制成、并略高出循环水池（9）；
上升流漏斗（2）、水平流漏斗（3）、溢流堰（4）、入料口（5）、刮板（6）、矸石排料口（7）、传动装置（8）均安装在槽体（1）上，槽体（1）一侧设有入料口（5）、另一侧对应设有溢流堰（4），矸石排料口（7）位于槽体（1）的矸石出料端，传动装置（8）通过链条连接有刮板（6），刮板（6）与矸石排料口（7）对应，水平流漏斗（3）与入料口（5）的一侧连接；
上升流流量计（10）、上升流阀门（12）安装在上升流总管上，上升流总管一端连接潜水泵Ⅰ（14），另一端连接上升流漏斗（2）；
水平流流量计（11）、水平流阀门（13）安装在水平流总管上，水平流总管一端连接潜水泵Ⅱ（15），另一端连接水平流漏斗（3）；
潜水泵Ⅰ（14）和潜水泵Ⅱ（15）均位于循环水池（9）内；
示踪粒子（16）位于槽体（1）内，示踪粒子（16）的密度和槽体（1）内的流体的密度相等或近似相等；
粒子图像测速系统包括计算机（17）、激光器（18）、数字相机（19）、同步控制器（20），计算机（17）、激光器（18）、数字相机（19）、同步控制器（20）安装在浅槽分选机循环系统外围，同步控制器（20）与计算机（17）、激光器（18）、数字相机（19）均信息连接，计算机（17）与激光器（18）之间也信息连接，数字相机（19）的图像数据通过图像采集板实时传输到计算机（17）中，计算机（17）与上升流阀门（12）、水平流阀门（13）也信息连接。
2.根据权利要求1所述的一种浅槽分选机实验台，其特征在于：槽体（1）由有机玻璃制成、外部设有用于紧固的加强肋。
3.根据权利要求2所述的一种浅槽分选机实验台，其特征在于：加强肋为钢架。
4.根据权利要求3所述的一种浅槽分选机实验台，其特征在于：溢流堰（4）的截面为梯形。
5.根据权利要求4所述的一种浅槽分选机实验台，其特征在于：激光器（18）通过三脚架安装在槽体（1）正上方，并垂直照射槽体（1）内部；数字相机（19）为多台、并分别放置在槽体（1）的前视、左视和俯视位置。
6.根据权利要求1~5任一项所述的一种浅槽分选机实验台，其特征在于：示踪粒子（16）选用聚苯乙烯、铝粉、玻璃球、合成棉颗粒、氧气泡的一种或多种，示踪粒子（16）的直径为2~1000μm。
7.一种浅槽分选机实验台的实验方法，利用了权利要求1~6任一项中的实验台，其特征在于包括如下步骤：
①将槽体（1）中注入清水，撒入示踪粒子（16），搅拌均匀；
②开启潜水泵Ⅰ（14）和潜水泵Ⅱ（15）和传动装置（8），调节上升流阀门（12）、水平流阀门（13）和刮板（6）转速，至浅槽分选机循环系统工作状态正常；
③将数字相机（19）摆放至合适位置，拍摄图像，保存图像记录，完成数据采集；
④计算机（17）读入粒子图像，处理并保存计算结果；
⑤计算机（17）根据当前处理数据计算流场特性参数结果，从而判断是否需要调节上升流流量、水平流流量或刮板（6）转速。
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