CN114112472B - 一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，包括离心泵、水力提升管道、颗粒回收管道、固液分离箱、物料仓、回流管道、水箱和测量部件；离心泵分别连通水箱和水力提升管道；水力提升管道连接至固液分离箱；颗粒回收管道分别连通固液分离箱和物料仓；物料仓连通至水力提升管道；回流管道分别连通固液分离箱和水箱；颗粒回收管道、物料仓与水力提升管道之间分别设置有闸阀；测量部件设置在水力提升管道上，包括流量计、压力检测部件和无接触式流速测量装置。本发明避免了泵切削颗粒造成能耗和泵的损坏，能够监控流场状态以及无接触测量流场流速，能够实现封闭循环，降低了能耗，提高了试验效率。

Description

一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统

技术领域

本发明涉及深海矿石开采领域，尤其涉及一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，用于固体大颗粒水力提升输送试验。

背景技术

水力提升(或水力输送)属于流体提升方式的一种，其利用水作为载体，通过高速运动的水流带动固体颗粒物运动，进而实现固体颗粒的垂直提升，该方式高效、便捷，是目前极具工业应用前景的提升方式，已被广泛应用在深海采矿、煤炭开采以及固体矿浆输运等领域。在实际工程应用前，需要在实验室内开展相关水力提升性能试验，因此，迫切需要开发一种大颗粒垂直管道输送室内试验系统。

传统水力提升系统多采用先将水与颗粒混合，后经过泵加速的方式，这种方式无法避免颗粒对泵的磨损以及混合加速过程中颗粒的破碎，将增加装置的维护保养成本，也无法保证后续试验结果的精确程度。另外，目前水力提升系统多为开放式系统，即直接外排输送后的水流，不仅造成了水资源的浪费，而且未能充分利用水流的动能，增加了系统能耗。

在以往对水力提升试验系统的研究中，已有不少机构和单位建立了模拟实验系统，其研究的重点有波浪环境对管道垂直输送的影响、管道内颗粒群的运动规律，管道内混合流体输送状态的研究等等。针对研究的重点的不同，现有技术中的装置有不同的功能。这些现有技术的重点都是研究海洋情况对输送管道的影响，例如波浪干扰等情况，未考虑到管道本身内部的流动情况。未对研究管道内颗粒的运动进行装置创新。

除此之外，鲜有对管道本身内部流动状况进行检测的装置。不足之处如下：

1.仅针对海底采矿实际情况中的水力提升进行了总体设计，少有测量装置；

2.管道距离短，不宜观察；

3.内部结构无法实现装置内部的循环。

此外，现有技术未能将数据测量与试验系统良好结合，造成了试验数据资源的浪费。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，能够有效模拟大颗粒垂直管道输送的室内试验，通过改变不同输送参数得到相应结果，从而获取水力提升性能方面的相关规律，并应用至实际工程领域中。且该系统在试验过程中能够充分利用水流的动能，避免颗粒对泵的磨损及颗粒破碎，同时采用先进的测量技术观测并记录试验结果，为后续相关研究提供参考。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，包括离心泵、水力提升管道、颗粒回收管道、固液分离箱、物料仓、回流管道、水箱和测量部件；

所述离心泵的入口与所述水箱连接，出口连接至所述水力提升管道的一端；

所述水力提升管道的另一端连接至所述固液分离箱，所述水力提升管道包括呈竖直设置的竖直部分；

所述颗粒回收管道的一端连接至所述固液分离箱，另一端连接至所述物料仓；

所述物料仓通过螺旋给料机连通至所述水力提升管道，所述物料仓与所述水力提升管道的连接处位于所述竖直部分与所述离心泵的所述出口之间；

所述回流管道的一端连接至所述固液分离箱，另一端连接至所述水箱；

所述颗粒回收管道、所述物料仓与所述水力提升管道之间分别设置有至少一个闸阀；

所述测量部件设置在所述水力提升管道上，所述测量部件包括至少一个流量计、至少一个压力检测部件和至少一个无接触式流速测量装置。

进一步地，所述颗粒回收管道包括并行设置的第一颗粒回收管道和第二颗粒回收管道。

进一步地，所述第一颗粒回收管道的上部设置有第一闸阀，下部设置有第二闸阀；所述第二颗粒回收管道的上部设置有第三闸阀，下部设置有第四闸阀；所述第一闸阀和所述第四闸阀为第一组闸阀，所述第二闸阀和所述第三闸阀为第二组闸阀，所述第一组闸阀和所述第二闸阀被配置为交替开关。

进一步地，所述水力提升管道的所述竖直部分设置有流场观察段，所述流场观察段由透明材料制成，所述无接触式流速测量装置设置在所述流场观察段处。

进一步地，所述无接触式流速测量装置包括基于PIV技术的测量设备和高速摄像机。

进一步地，所述流量计包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计设置在所述离心泵与所述物料仓和所述水力提升管道的连接处之间，所述第二流量计设置在所述竖直部分。

进一步地，所述压力检测部件包括第一压力检测部件、第二压力检测部件和第三压力检测部件，所述第一压力检测部件、所述第二压力检测部件和所述第三压力检测部件依次设置在所述竖直部分的不同高度处。

进一步地，所述固液分离箱包括箱体和滤网，所述滤网设置在所述箱体并将所述箱体分割为第一区域和第二区域，所述第一区域的顶部连通至所述水力提升管道，所述第一区域的底部连通至所述颗粒回收管道，所述第二区域连通至所述回流管道。

进一步地，所述固液分离箱还包括导向板，所述导向板设置在所述箱体内且呈倾斜设置。

进一步地，还包括控制装置，所述控制装置被配置为能够控制所述闸阀和/或接收所述测量部件采集的数据。

本发明具有以下有益的技术效果：

1、通过使水和颗粒在泵外混合并实现循环输送，有效避免了泵切削颗粒造成的能量损失甚至泵的损坏，避免了颗粒破碎带来的观测不变，减少了能量消耗，提高了工作效率；

2、通过使用多个测量部件采集并输出数据信号，采用无接触测量流场流速，避免了接触带来的误差，保障了试验数据的真实性，且减少人力时间，提高了工作效率，还可以实现在终端上实时监控数据变化，判断管道内流动状态；

3、通过设置固液分离箱、回流管道、颗粒回收管道，实现装置的内循环，实现了模拟长距离长时间的管道输送条件，方便试验观察，显著提高了管道的使用效率，提高了试验效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的固液分离箱结构示意图。

其中，1-离心泵；2-水力提升管道；3-第一颗粒回收管道；4-固液分离箱；5-第二颗粒回收管道；6-回流管道；7-水箱；8-液位读数；9-物料仓；10-第二闸阀；11-第五闸阀；12-第六闸阀；13-给料机；14-第一流量计；15-第一闸阀，16-第三闸阀；17-流场观察段；18-第一压力检测部件；19-第二压力检测部件；20-第三压力检测部件；21-第二流量计；22-滤网；23-第二盖板；24-第一盖板；25-第四闸阀；26-箱体；27-第一区域；28-第二区域，29-导向板。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，包括离心泵1、水力提升管道2、颗粒回收管道、固液分离箱4、物料仓9、回流管道6、水箱7和测量部件。离心泵1的入水口与水箱7连接，出水口连接至水力提升管道2的一端；水力提升管道2的至少部分竖直设置，水力提升管道2的另一端连接至固液分离箱4的入口处。颗粒回收管道的一端连接至固液分离箱4，另一端连接至物料仓9的入口。回流管道6的一端连接至固液分离箱4，另一端连接至水箱7。物料仓9的出口通过螺旋给料机13连通至水力提升管道2，且物料仓9与水力提升管道2的连接处位于水力提升管道2的竖直部分与离心泵1的出口之间。在颗粒回收管道、物料仓9与水力提升管道2之间分别设置有至少一个闸阀，用于控制颗粒回收管道、物料仓9与水力提升管道2之间的通路的开启和关闭。测量部件设置在水力提升管道2上，测量部件包括至少一个流量计、至少一个压力检测部件、至少一个无接触式流速测量装置，流量计用于测量水力提升管道2内的水流速度，无接触式流速测量装置用于测量流场流速，压力检测部件用于测量水力提升管道2内的压力。

本发明提供的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，水箱7中的水进入离心泵1，通过离心泵1将水流提速，然后储存在物料仓9中的固体颗粒进入水力提升管道2内，与提速后的水流混合。螺旋给料机13可以按照所需的颗粒体积比进行给料，以控制水力提升管道2内的固体颗粒的数量。水和固体颗粒的混合流体沿着水力提升管道2运动至固液分离箱4后，在固液分离箱4内实现水和固体颗粒的分离，被分离后的固体颗粒经颗粒回收管道进入到物料仓9内，被分离后的水流经过回流管道6进入到水箱7内。其中，设置在颗粒回收管道上的闸阀可以开启或关闭，以控制颗粒回收管道的通或断。流量计、压力检测部件、无接触式流速测量装置在整个过程中可以检测试验系统的不同参数和状态，例如水流速度、混合流体的流场流速、压力等参数以及流场图像等，并进一步地可以将采集的数据传输至控制装置。控制装置可以是试验现场的工控机、嵌入式系统、智能终端等装置，控制装置可以存储数据，供后续研究。

在一些实施方式中，水力提升管道2的竖直部分与离心泵1之间的部分呈水平设置，以及水力提升管道2的竖直部件与固液分离箱4之间的部分呈水平设置。流量计包括第一流量计14和第二流量计21，第一流量计14可以设置在离心泵1出口与物料仓9和水力提升管道2的连接处之间，用于测量从离心泵1出来的未与固体颗粒混合的水流流量。第二流量计21可以设置在水力提升管道2的竖直部分，用于测量水与固体颗粒混合后的混合流体的流量，较佳地，第二流量计21设置在竖直部分上靠近底端处。

在一些实施方式中，压力检测部件包括第一压力检测部件18、第二压力检测部件19和第三压力检测部件20，第一压力检测部件18、第二压力检测部件19和第三压力检测部件20依次设置在水力提升管道2的竖直部分的不同高度处，较佳地，三个压力检测部件可以等间隔布置。压力检测部件可以采用设置在水力提升管道2上的压力变送器。

在一些实施方式中，在水力提升管道2的竖直部分设置有流场观察段17，流场观察段17的侧壁为透明材料制成。无接触式流速测量装置设置在流场观察段17处。无接触式流速测量装置可以包括基于PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速法)技术的测量设备和高速摄像机，PIV技术测量流场流速，可以不介入流场，实现瞬态、多点的流体流速测量，能够在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，且不对流场产生额外的影响，所得数据精度高，范围大，有利于后续研究。流场观察段17的透明材料可以采用亚克力。

在一些实施方式中，颗粒回收管道包括第一颗粒回收管道3和第二颗粒回收管道5，第一颗粒回收管道3和第二颗粒回收管道5并行设置，每个颗粒回收管道均设置闸阀，通过对闸阀的控制，可以实现颗粒的无间断下落回收。较佳地，在第一颗粒回收管道3上设置有位于其上部的第一闸阀15和位于其下部的第二闸阀10，在第二颗粒回收管道5上设置有位于其上部的第三闸阀16和位于其下部的第四闸阀25。在进行固液分离回收时，通过第一闸阀15、第二闸阀10、第三闸阀16、第四闸阀25的联动控制，以实现颗粒的无间断下落回收。具体地，第一闸阀15、第四闸阀25为第一组闸阀，第二闸阀10、第三闸阀16为第二组闸阀，首先开启第一组闸阀(第一闸阀15和第四闸阀25)，关闭第二组闸阀(第二闸阀10和第三闸阀16)，颗粒下落至第一颗粒回收管道3；然后再关闭第一组闸阀(第一闸阀15和第四闸阀25)，开启第二组闸阀(第二闸阀10和第三闸阀16)，颗粒下落至第二颗粒回收管道5，同时，第一颗粒回收管道3中的颗粒回收至物料仓9。通过两组闸阀交替开关，实现了颗粒的无间断下落回收。此外，在进行固液混合时，第二闸阀10和第四闸阀25可以关闭，以防止高速水流回流至颗粒回收管道内。

在一些实施方式中，物料仓9与水力提升管道2之间设置有第五闸阀11和第六闸阀12，其中第五闸阀11设置在物料仓9与螺旋给料机13之间，第六闸阀12设置在螺旋给料机13和水力提升管道2之间。在进行固液混合时，第五闸阀11和第六闸阀12开启，将固体颗粒通过螺旋给料机13输送进入水力提升管道2内实现固液混合。同时，关闭第二闸阀10和第四闸阀25，以防止高速水流回流至颗粒回收管道内。

以上所有的闸阀均可以通过控制装置进行自动化控制。

固液分离箱4用于实现固液分离，并将分离后的水排入回流管道6，以及将分离后的颗粒排入颗粒回收管道。在一些实施方式中，固液分离箱4包括箱体26和滤网22，滤网22设置在箱体26内，从而将箱体26分割为至少两个区域，即第一区域27和第二区域28，其中第一区域27区域的顶部连通至水力提升管道2，底部连通至颗粒回收管道，第二区域28的底部连通至回流管道6。当固液混合物进入到第一区域27后，水通过滤网22进入第一区域27进而流入回流管道6。滤网22阻止颗粒进入第二区域28，使得颗粒沉积在第二区域28内，并进一步的下落至颗粒回收管道。在一些实施方式中，箱体26的顶部设置有可打开的盖板，盖板上设置有与水力提升管道2连通的入口。较佳地，盖板包括第一盖板24和第二盖板23，第一盖板24覆盖在第一区域27上方，第二盖板23覆盖在第二区域28上方。在一些实施方式中，箱体26内还设置有导向板29，导向板29能够呈倾斜设置，便于颗粒回收至颗粒回收管道。

在一些实施方式中，固液分离箱4的箱体26采用有机材料制成，壁厚可以设置为10mm。为了显示固液分离箱4内的液位，在固液分离箱4上还设置有液位读数8。

在一些实施方式中，水箱7可以采用304不锈钢材料制成，壁厚可以为2mm。水箱7上可以设置盖板，也可以设置为敞开的。

与现有技术相比，本发明的优点在于，本发明在进行水力提升性能试验时，采用先通过水泵将水流提速，后与颗粒在泵外混合的方式，避免了大颗粒与水同时过泵进行螺旋加速并混合，可避免传统方式中颗粒物对泵的磨损及颗粒的破碎，同时颗粒运动速度稳定且更贴近实际情况，使得试验所得数据更加准确；同时，本发明为采用封闭式循环系统，能够充分利用水流的动能和节约水资源；另外，本发明采用非接触式PIV(粒子图像测速)技术与高速摄像机进行流场流速测量，测速设备设置于整体系统外部，避免了对流场的干扰，所得数据精度高，范围大，并可用于后续研究，如不同系统参数对水力提升性能的影响，颗粒沉降及两相流等。

对于采集的数据，可以采用软件进行数值分析和模拟，得到管道内部流动规律。例如，基于流体力学理论，在star ccm+软件中建立模型，然后进行数值模拟。具体地，结合star ccm+用户手册中的CFD-DEM原理建立水力提升数值仿真模型，在软件中建立网格模型，设置水流的参数、颗粒大小和浓度，进行求解。其中，使用的基本方程如下：

1)质量守恒方程：

其中，对于三维不定常流，用x、y、z表示空间直角坐标，用u、v、w作为质点的速度U的分量。

2)动量守恒方程：

其中，u,v,w表示速度矢量

的三个速度分量，ρ表示液体密度，p表示压力，μ表示粘性系数，F是合力。

3)雷诺数公式：

其中，Re表示雷诺数，是描述粘性流体的最基本参数之一，反映流体流动过程中惯性力和粘性力的比值；U是参考速度，L是参考长度，v是流体运动粘度。

通过仿真研究表明，得到的颗粒特征速度，管道内的运动规律等数据与参考数据是一致的。

本发明提供的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，使得水和颗粒泵外混合并实现循环输送，有效避免了泵切削颗粒造成的能量损失甚至泵的损坏，避免了颗粒破碎带来的观测不变，减少了能量消耗，提高了工作效率。通过使用多组传感器用于输出数据信号，采用无接触测量流场流速，避免了接触带来的误差，保障了试验数据的真实性，且减少人力时间，提高了工作效率，还可以实现在终端上实时监控数据变化，判断管道内流动状态。通过设置固液分离箱4、回流管道6、颗粒回收管道，实现装置的内循环，实现了模拟长距离长时间的管道输送条件，方便试验观察，显著提高了管道的使用效率，提高了试验效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，包括离心泵、水力提升管道、颗粒回收管道、固液分离箱、物料仓、回流管道、水箱和测量部件；

所述离心泵的入口与所述水箱连接，出口连接至所述水力提升管道的一端；

所述水力提升管道的另一端连接至所述固液分离箱，所述水力提升管道包括呈竖直设置的竖直部分；

所述颗粒回收管道的一端连接至所述固液分离箱，另一端连接至所述物料仓；所述颗粒回收管道包括并行设置的第一颗粒回收管道和第二颗粒回收管道，所述第一颗粒回收管道的上部设置有第一闸阀，下部设置有第二闸阀；所述第二颗粒回收管道的上部设置有第三闸阀，下部设置有第四闸阀；所述第一闸阀和所述第四闸阀为第一组闸阀，所述第二闸阀和所述第三闸阀为第二组闸阀，所述第一组闸阀和所述第二闸阀被配置为交替开关；所述闸阀均通过控制装置进行自动化控制；

所述物料仓通过螺旋给料机连通至所述水力提升管道，所述物料仓与所述水力提升管道的连接处位于所述竖直部分与所述离心泵的所述出口之间；

所述回流管道的一端连接至所述固液分离箱，另一端连接至所述水箱；

所述颗粒回收管道、所述物料仓与所述水力提升管道之间分别设置有至少一个闸阀；

所述测量部件设置在所述水力提升管道上，所述测量部件包括至少一个流量计、至少一个压力检测部件和至少一个无接触式流速测量装置。

2.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述水力提升管道的所述竖直部分设置有流场观察段，所述流场观察段由透明材料制成，所述无接触式流速测量装置设置在所述流场观察段处。

3.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述无接触式流速测量装置包括基于PIV技术的测量设备和高速摄像机。

4.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述流量计包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计设置在所述离心泵与所述物料仓和所述水力提升管道的连接处之间，所述第二流量计设置在所述竖直部分。

5.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述压力检测部件包括第一压力检测部件、第二压力检测部件和第三压力检测部件，所述第一压力检测部件、所述第二压力检测部件和所述第三压力检测部件依次设置在所述竖直部分的不同高度处。

6.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述固液分离箱包括箱体和滤网，所述滤网设置在所述箱体并将所述箱体分割为第一区域和第二区域，所述第一区域的顶部连通至所述水力提升管道，所述第一区域的底部连通至所述颗粒回收管道，所述第二区域连通至所述回流管道。

7.如权利要求6所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，所述固液分离箱还包括导向板，所述导向板设置在所述箱体内且呈倾斜设置。

8.如权利要求1所述的固体颗粒垂直管道输送室内试验系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置被配置为能够控制所述闸阀和/或接收所述测量部件采集的数据。

Images