CN112924341A - 一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置，属于温湿度可控的湍流场碰撞团聚的实验装置领域。这种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置可实现气流速度控制在0.5‑20m/s、气流温度控制在220‑230℃的微米尺度颗粒间的碰撞团聚实验研究工作，为颗粒间的碰撞团聚过程的理论研究提供有效的支撑。相比于传统固定的扰流柱结构，该装置设置了可旋转的扰流叶轮，启动快，扰流作用更强，提高了颗粒碰撞效率，在颗粒除尘领域有较大的应用前景。湍流碰撞团聚装置通过改变扰流叶轮的尺寸、数量及转速以产生不同形式的湍流场。另外，高速摄像系统可清晰地拍摄粒径为2μm以上颗粒间碰撞团聚板的过程。

Description

一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置

技术领域

本发明涉及一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置，属于温湿度可控的湍流场碰撞团聚的实验装置领域。

背景技术

细颗粒物沉积现象存在于能源、环境工程、化工、微电子和机械工程等众多领域。一方面，细颗粒沉积一般具有负面作用，如锅炉内换热管表面积灰导致传热恶化、透光元件上积灰会造成光通量下降（如太阳能光伏电池由于表面积灰而输出功率降低）、细颗粒在微机电系统内的沉积可能会引起机械故障或造成流动阻塞、大气细颗粒在人体呼吸道/肺泡部位沉积造成疾病等。另一方面，细颗粒沉积可以在实践中加以增强，以能源动力领域为例，通过外加声场、磁场、电场、化学团聚过程（亦称聚集过程）将细颗粒团聚成较大颗粒，从而在传统布袋或静电除尘器内有效沉积并脱除。

上述主要从宏观应用角度涉及多相流中细颗粒的沉积问题，为揭示这些过程背后物理本质，从表征微观尺度颗粒间相互作用的力-位移关系式出发，研究细颗粒间相互作用机理。两个相近粒径细颗粒相互接触的实验相对较难，因此设计实验温度和湿度可控的微米尺度颗粒之间碰撞团聚的实验装置是建立湿颗粒动力学理论必须的实验依据。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置。

本发明采用的技术方案是：一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置,它包括气粒发生装置、气粒混合加热装置、高速摄像装置和气粒排放处理装置，它还包括湍流碰撞团聚装置，所述气粒发生装置包含气瓶、质量流量计、加湿器和颗粒发生器，加湿器的喷雾器一端伸入气体混合器中，气瓶通过第一三通阀经第一支管、一个流量计连接第二三通阀，气瓶通过第一三通阀经第二支管、另一个流量计连接喷雾器，气体混合器上设置湿度仪，气体混合器通过管道经第二三通阀连接混合容器。

所述气粒混合加热装置包含混合容器和热电偶，在混合容器的外壁上设有加热元件，热电偶插入混合容器中，混合容器的入口通过管道连接气体混合器和颗粒发生器。

所述湍流碰撞团聚装置包含湍流团聚器，湍流团聚器的两侧设有观察窗，湍流团聚器的内部设置可旋转的扰流叶轮，所述扰流叶轮包含多个螺旋叶片，扰流叶轮在垂直气流流向的平面内直线排列，湍流团聚器的入口管道上设置第一等速取样器，出口管道上设置第二等速取样器，湍流团聚器的入口管道连接混合容器的出口。

所述湍流团聚器的尺寸为50D×20D×4D，扰流叶轮（10b）的直径为D，相邻扰流叶轮（10b）间的上下间距为4D，左右间距为5D，2mm≤D≤10mm。

所述高速摄像装置包含光源、高速摄像机和计算机，光源和高速摄像机设置在湍流团聚器观察窗的外侧，计算机连接高速摄像机，光源、观察窗和高速摄像机的摄像头位于同一直线上。

所述气粒排放处理装置包含静电除尘器和引风机，静电除尘器的入口管道连接湍流团聚器的出口，静电除尘器的出口管道连接引风机，静电除尘器的出口管道上设有第三等速取样器。

所述加热元件采用传热带或加热管。

所述气瓶内气体采用氮气、二氧化碳、空气中的至少一种。

本发明的有益效果是：这种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置包括气粒发生装置、气粒混合加热装置、湍流碰撞团聚装置、高速摄像装置和气粒排放处理装置，该装置可实现气流速度控制在0.5-20m/s、气流温度控制在220-230℃，从而实现环境、温湿度可控条件下，微米尺度颗粒间的碰撞团聚实验研究工作，可有效地模拟烟气管道内颗粒沉积过程、静电除尘器内颗粒到达集尘板时的沉积过程、换热管表面积灰等实际的工业过程，同时为颗粒间的碰撞团聚过程的理论研究提供有效的支撑。相比于传统固定的扰流柱结构，该装置设置了可旋转的扰流叶轮，启动快，扰流作用更强，提高了颗粒碰撞效率，在颗粒除尘领域有较大的应用前景。湍流碰撞团聚装置通过改变扰流叶轮的尺寸、数量及转速以产生不同形式的湍流场。另外，高速摄像系统可清晰地拍摄粒径为2μm以上颗粒间碰撞团聚板的过程。

附图说明

图1是一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置的示意图。

图2是湍流团聚器的结构示意图。

图3是2μm颗粒数及团聚数在不同扰流区域的分布图。

图4是不同粒径颗粒经湍流团聚器团聚的效率图。

图5是某一时刻扰流场中的颗粒分布情况图。

图中：1、气瓶，1a、第一支管，1b、第二支管，2a、第一三通阀，2b、第二三通阀，3质量流量计，4、加湿器，4a、喷雾器，4b、气体混合器，5、颗粒发生器，6、加热元件，7、混合容器，8、热电偶，9、第一等速取样器，9a、第二等速取样器，9b、第三等速取样器，10、湍流团聚器，10a、观察窗，10b、扰流叶轮，10c、螺旋叶片，11、光源，12、静电除尘器，13、引风机，14、计算机，15、高速摄像机。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的装置做进一步描述。

实施例1

图1示出了一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置的示意图。图中，这种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置包括气粒发生装置、气粒混合加热装置、高速摄像装置、气粒排放处理装置和湍流碰撞团聚装置。气粒发生装置包含气瓶1、质量流量计3、加湿器4和颗粒发生器5，加湿器4包含喷雾器4a和混合器4b，气瓶1通过第一三通阀2a经第一支管1a、一个流量计3连接气体混合器4b，气瓶1通过第一三通阀2a经第二支管1b、另一个流量计3连接喷雾器4a，喷雾器4a的一端伸入气体混合器4b中，气体混合器4b上设置湿度仪，气体混合器4b通过第二三通阀2b连接气体排出管道。

气粒混合加热装置包含加热元件6、混合容器7和热电偶8，加热元件6设置在混合容器7外壁上，热电偶8插入混合容器7中，混合容器7的入口连接气体混合器4b的气体排出管道和颗粒发生器5的颗粒排出管道。

湍流碰撞团聚装置包含湍流团聚器10，湍流团聚器10的两侧设有观察窗10a，湍流团聚器10的内部设置可旋转的扰流叶轮10b，所述扰流叶轮10b包含多个螺旋叶片10c，扰流叶轮10b在垂直气流流向的平面内直线排列，湍流团聚器10的入口管道上设置第一等速取样器9，出口管道上设置第二等速取样器9a，湍流团聚器10的入口管道连接混合容器7的出口。

湍流团聚器10的尺寸为50D×20D×4D，扰流叶轮10b的直径为D，相邻扰流叶轮10b间的上下间距为4D，左右间距为5D，2mm≤D≤10mm。扰流叶轮10b和螺旋叶片10c的数量可以根据实际需要进行增加，扰流叶轮10b通过气流驱动或者通过电机带动齿轮驱动，通过气体流速或电机控制扰流叶轮10b的转动速度。

高速摄像装置包含光源11、高速摄像机15和计算机14，光源11和高速摄像机15设置在湍流团聚器10观察窗10a的外侧，计算机14连接高速摄像机15，光源11、观察窗10a和高速摄像机15的摄像头位于同一直线上。

气粒排放处理装置包含静电除尘器12和引风机13，静电除尘器12的入口连接湍流团聚器10的出口，静电除尘器12的出口连接引风机13，静电除尘器12的出口管道上设置第三等速取样器9b。

加热元件6是传热带或加热管。气瓶1内气体是氮气、二氧化碳、空气中的至少一种。

该装置的工作过程：打开第一三通阀2a和第二三通阀2b，迅速调整气流流量，待气流稳定后将气瓶中的氮气经喷雾器4a加湿后，与颗粒发生器5中的煤灰颗粒输送至混合容器7中，在混合容器7中对煤灰进行加热，通过第一等速取样器9采样后，进入湍流团聚器10中，煤灰颗粒在扰流叶轮10b的作用下碰撞团聚。

将高速摄像机15与计算机14连接，更改计算机IP地址，用安装在计算机14上的高速摄像机15自带的控制软件设置摄像机参数，如分辨率、采样率和曝光时间，摄像机触发方式为延迟触发。调整高速摄像机15的焦距，使拍摄区域内成像清晰，准备拍摄湍流凝聚器内的碰撞团聚现象，将拍摄的视频保存至计算机14中，以供后续图像处理。

在湍流团聚器10的出口处布置一台颗粒采样器，收集湍流团聚器前后的细颗粒样品，观察微粒样品的微观形貌，在实验装置的末端布置了一台静电除尘器12，用于脱除细小颗粒。

气粒发生装置包含气体发生装置和颗粒发生装置，气体发生装置的气源可以是氮气、二氧化碳、空气和混合气等，根据实际情况来调整气源。气流分为两路，分别由质量流量计精确控制其流量。一路为干气体；另一路通过喷雾器产生湿气体，喷雾器可以选用由美国BGI公司研制的Collison喷雾器。两路气体进入一个安装湿度仪的气体混合器中，通过质量流量计可有效地控制干、湿两路气体的流量，从而实现进入混合容器内气体的湿度得到有效控制。此外，对混合气体，在混合容器中采用加热带或者加热管进行加热，在混合容器中安装高精度热电偶测量气流的温度，通过调压器调节加热装置的功率，气流最高加热温度可达220-230℃，从而实现有效地控制气流的温度。颗粒发生装置选用现有的颗粒发生装置，能够稳定连续的产生团聚用颗粒，实现更真实的观察真实颗粒发生团聚的现象。

湍流团聚单元的核心部分是扰流装置的设计，扰流装置由多个扰流叶轮10b在垂直气流流向的平面内直线排列组成，扰流叶轮10b为螺旋叶片结构，其上设置多个螺旋叶片10c，通过扰流叶轮10b带动螺旋叶片10c旋转大大的增加了团聚器内的扰动，使颗粒之间更容易发生碰撞团聚，扰流叶轮在垂直气流流向的平面内直线排列。湍流团聚器10的尺寸长×宽×高为50D×20D×4D，相邻扰流叶轮10b间的上下间距为4D，左右间距为5D，2mm≤D≤10mm。通过湍流团聚器10和扰流叶轮10b尺寸间距成比例的设计实现对2微米以下的颗粒高效团聚。

高速摄像装置由高速摄像机、点光源、定焦显微镜头及计算机等组成，将摄像机与计算机相连，以存储拍摄视频。高速摄像系统可清晰地拍摄粒径为2μm以上颗粒间碰撞团聚板的过程。

该装置可实现气流速度控制在0.5-20m/s、气流温度控制在环境温度220-230℃，从而实现环境条件、温湿度可控条件下，微米尺度颗粒间的碰撞团聚实验研究工作，可有效地模拟烟气管道内颗粒沉积过程、静电除尘器内颗粒到达集尘板时的沉积过程、换热管表面积灰等实际的工业过程，通过设计特定结构尺寸的湍流团聚器和扰流叶轮，扰流叶轮的可旋转设计实现对2.5μm以下颗粒的高效团聚，同时，为颗粒间的碰撞团聚过程的理论研究提供有效的支撑。

实施例2

将湍流团聚器的尺寸设置为长×宽×高为100mm×40mm×8mm，扰流叶轮的直径为2mm，上下间距为8mm，左右间距为10mm，对该湍流碰撞团聚装置的团聚效果通过软件CFD-EDEM耦合进行数值模拟计算验证，气体流速设定为7.5m/s，扰流叶轮选择气流驱动。图3示出了2μm颗粒数及团聚数在不同扰流区域的分布图，图中，a为2μm颗粒数及团聚数经过湍流团聚器的分布图，b为无扰流作用的2μm颗粒数及团聚数的分布图，黑色表示发生团聚的颗粒数，灰色为该区域的颗粒数。从图3可以看出，经过湍流碰撞团聚装置扰流作用后，2μm的颗粒在y=±2处团聚数最大，有324个颗粒发生了团聚，该区域的团聚率Ɛ达到33.8%，在y=0、±4处团聚的颗粒数分别为117个和80个，团聚率Ɛ为14.1%，9.4%；相比于没加湍流团聚器的颗粒脱出效率大大增加。图4为不同粒径颗粒经湍流团聚器团聚的效率图，不同粒径的颗粒经过湍流团聚器后，团聚效率分布如图4所示（y=0为扰流叶轮所在区域）可以看出，扰流叶轮附近区域颗粒团聚效率都得到明细提高。图5是某一时刻扰流场中的颗粒分布情况图，从图中可以看出，受湍流团聚器的影响，颗粒间的碰撞粘附效率有明显提高。

Claims (3)

1.一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置,它包括气粒发生装置、气粒混合加热装置、高速摄像装置和气粒排放处理装置，其特征是：它还包括湍流碰撞团聚装置，所述气粒发生装置包含气瓶（1）、质量流量计（3）、加湿器（4）和颗粒发生器（5），加湿器（4）的喷雾器（4a）一端伸入气体混合器（4b）中，气瓶（1）通过第一三通阀（2a）经第一支管（1a）、一个流量计（3）连接第二三通阀（2b），气瓶（1）通过第一三通阀（2a）经第二支管（1b）、另一个流量计（3）连接喷雾器（4a），气体混合器（4b）上设置湿度仪，气体混合器（4b）通过管道经第二三通阀（2b）连接混合容器（7）；

所述气粒混合加热装置包含混合容器（7）和热电偶（8），在混合容器（7）的外壁上设有加热元件（6），热电偶（8）插入混合容器（7）中，混合容器（7）的入口通过管道连接气体混合器（4b）和颗粒发生器（5）；

所述湍流碰撞团聚装置包含湍流团聚器（10），湍流团聚器（10）的两侧设有观察窗（10a），湍流团聚器（10）的内部设置可旋转的扰流叶轮（10b），所述扰流叶轮（10b）包含多个螺旋叶片（10c），扰流叶轮（10b）在垂直气流流向的平面内直线排列，湍流团聚器（10）的入口管道上设置第一等速取样器（9），出口管道上设置第二等速取样器（9a），湍流团聚器（10）的入口管道连接混合容器（7）的出口；

所述湍流团聚器（10）的尺寸为50D×20D×4D，扰流叶轮（10b）的直径为D，相邻扰流叶轮（10b）间的上下间距为4D，左右间距为5D，2mm≤D≤10mm；

所述高速摄像装置包含光源（11）、高速摄像机（15）和计算机（14），光源（11）和高速摄像机（15）设置在湍流团聚器（10）观察窗（10a）的外侧，计算机（14）连接高速摄像机（15），光源（11）、观察窗（10a）和高速摄像机（15）的摄像头位于同一直线上；

所述气粒排放处理装置包含静电除尘器（12）和引风机（13），静电除尘器（12）的入口管道连接湍流团聚器（10）的出口，静电除尘器（12）的出口管道连接引风机（13），静电除尘器（12）的出口管道上设有第三等速取样器（9b）。

2.根据权利要求1所述一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置,其特征是：所述加热元件（6）采用传热带或加热管。

3.根据权利要求1所述一种温湿度可控的微米级颗粒湍流团聚的实验装置,其特征是：所述气瓶（1）内气体采用氮气、二氧化碳、空气中的至少一种。

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