CN1170260C - 气液固多相流动模拟方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液固多相流动模拟方法与装置，它采用分相计量方法，可以准确模拟气液固多相流的各种混合流动现象；采用在线混合方法，可以动态调节各相流量，实现气液固多相流动瞬态变化过程的模拟；使用常规动力设备和单相流计量仪表，代替了现有技术所采用的带有搅拌器的混合罐、多相流混输泵、多相混合物流量和相含率计量仪表，大大降低了实验装置的造价和系统的占地面积。

Description

气液固多相流动模拟方法与装置

一、技术领域

本发明涉及一种用于气液固多相流动模拟的方法和实验装置。

二、现有技术

在能源、动力、化工、石油、矿产、冶金、建筑、食品、制药等工农业领域普遍存在着液固/气液固多相流动过程，这种多相流动的实验模拟对于有关流动、传热和化学反应机理的基础性研究以及工业设备的选型和中试等都具有重要意义。液固/气液固多相流动模拟系统综合了多种相态的物质的输送、混合、计量以及流动过程的监测和控制技术。已公开文献中的实验方法一般是在混合容器中将液固两相混合，然后采用一定方法驱动和计量多相混合物。如《国际多相流杂志》(Int J Multiphase Flow)2000，Vol.26，p1235-1246报导的《水平管液固两相流传热》(Heat transfer in horizontalsolid-liquid pipe flow)采用砂浆泵将混合罐中的液固混合物输送到管路系统中，采用一种流量计同时计量混合物的流量和密度。又如《力学学报》1996，Vol.28，No.3，p291-297报导的《水平液-固流中颗粒抑制湍流的行为和条件》是将液固混合罐架高，利用重力输送液固两相混合物。

现有实验装置在模拟液固/气液固两相流动方面存在以下不足：

(1)混合罐中液固两相的混合难以保证均匀，泵送到管路系统中的混合物浓度的准确性和稳定性较差；

(2)同单相流动和固体物料流量计量技术相比，两相流计量技术还不成熟，计量精度较低，仪表复杂，造价昂贵；

(3)同单相流动相比，两相流的驱动更为困难，两相流泵造价昂贵，而且容易损坏，实验费用较高；

(4)重力驱动方法压头有限，不能克服较大流量或者是气液固三相流动条件下系统的较高阻力；

(5)混合罐一般只能实现确定浓度浆液的混合，不能模拟固相浓度随时间变化的动态液固两相流动过程。

三、发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术的缺点，以廉价易得、可靠性好的常规动力设备(单相泵和压缩机)、单相流动仪表以及固体颗粒物料输送和计量设备为基础，建立并提供一种能够实现各种气、液、固三相浓度和流量工况的气液固多相流动模拟方法与实验装置。

为达到上述目的，本发明采用的方法为：(1)首先采用单相泵]将液体送到通过管道和电磁阀与单向泵相联通的包含并联的两个单相流量测量仪表和液固混合器的液相主回路内，在液固混合器之前采用并联的两个单相流量测量仪表计量液相流量，采用气体压缩机将气体输送到通过管道和电磁阀与并联的两个单相流量测量仪表相联通的气相主回路中，在气液混合器之前采用并联的两个单相流量测量仪表计量气相流量；

(2)然后利用颗粒物料输送和计量装置定量输送颗粒物料并在液固混合器中完成液固混合，用空气压缩机将压缩空气引入液固混合器内，在液固混合器内形成稳定的气液相界面，固体颗粒物料经由相界面上方的气体空间加入到相界面，在相界面下方完成液固混合；

(3)然后在气液混合器中完成液固混合物与气体混合，形成气液固三相混合物进入应用本发明装置作为实验系统的有关实验装置中。

本发明的另一特点是：当气液固三相混合物流出有关的实验装置12之后，最后需要依次经过过滤式液固分离器13和旋风气液分离器14完成液固分离和气液分离，固体颗粒进入液固分离器13的沉积室以待循环利用，气体排空，液体流回储液罐2中连续循环使用。

根据上述模拟方法本发明设计了气液固多相流动装置，包括单相泵，单相泵的入口通过管路与储液罐相连接，其特点是，单相泵的出口分别通过液相旁路电磁阀连接液相旁路、通过液相主回路电磁阀连接液相主回路，液相旁路与储液罐连接；液相主回路电磁阀与两个并联的单相流量测量仪表相连接，这两个并联的单相流量测量仪表通过管路与液固混合器相连接，液固混合器通过管路与气液混合器、有关实验装置、过滤式液固分离器和旋风气液分离器相连接，旋风气液分离器通过管路与储液罐相连接；气体压缩机的出口通过气相旁路电磁阀与气相旁路相连接、通过气相主回路电磁阀与气相主回路相连接；气相主回路电磁阀与两个并联的单相流量测量仪表相连接，这两个并联的单相流量测量仪表通过管路与气液混合器相连接；空气压缩机的出口通过空气旁路电磁阀与旁路相连接、通过液固混合器空气进气路电磁阀与液固混合器相连接，液固混合器排空管路上设置液固混合器排空电磁阀，固体颗粒物料输送和计量装置通过颗粒物料输送电磁阀与液固混合器相连接，液固混合器空气进气路电磁阀与液固混合器的空气入口之间引出管路通过固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀与固体颗粒物料输送和计量装置相连接。

本发明装置的另一特点是：固体颗粒物料输送和计量装置由转轮式颗粒流量计、减速机、颗粒储仓、电机和调压器组成，颗粒储仓通过管路与转轮式颗粒流量计相连接，电机通过连轴器与减速机相连接，减速机通过传动轴与转轮式颗粒流量计相连接，电机的线圈与调压器相连接；转轮式颗粒流量计通过颗粒物料输送电磁阀与液固混合器相连接，液固混合器空气进气路电磁阀与液固混合器的空气入口之间引出管路通过固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀与转轮式颗粒流量计相连接；液固混合器上分别设置有与两个并联的单相流量测量仪表相连接的液体入口，与气液混合器相连接的液固混合物出口，液固混合器上还设置有与数据采集与控制系统相连接的液位探头；转轮式颗粒流量计包括设置在转轮式颗粒流量计内的开有出料口的下档板，在下档板上设置有转轮，转轮上开有贮料孔，传动轴通过定位螺栓与转轮相连接，在转轮上方设置具有进料口的上档板，上档板上方是颗粒室。

本发明采用分相计量方法，可以准确模拟气液固多相流的各种混合流动现象；采用在线混合方法，可以动态调节各相流量，实现气液固多相流动瞬态变化过程的模拟；使用常规动力设备和单相流计量仪表，代替了现有技术所采用的带有搅拌器的混合罐、多相流混输泵、多相混合物流量和相含率计量仪表，大大降低了实验装置的造价和系统的占地面积。

四、附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明固体物料输送和计量装置5和液固混合器6的结构示意图；

图3是本发明转轮式颗粒流量计37的局部剖视图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括单相泵1，单相泵1的入口通过管路与储液罐2相连接，单相泵1的出口分别通过液相旁路电磁阀15连接液相旁路和通过液相主回路电磁阀16连接液相主回路，液相旁路与储液罐2连接；液相主回路电磁阀16与并联的两个单相流量测量仪表3、4相连接，单相流量测量仪表3的两端分别设置有电磁阀17和电磁阀18，单相流量测量仪表4的两端分别设置有电磁阀19和电磁阀20；这两个并联的单相流量测量仪表3、4通过管路与液固混合器6相连接，液固混合器6通过管路与气液混合器11、有关实验装置12、分离器13和分离器14相连接，分离器14通过管路与储液罐2相连接；气体压缩机8出口通过气相旁路电磁阀21与气相旁路相连接、通过气相主回路电磁阀22与气相主回路相连接；气相主回路电磁阀22与并联的两个单相流量测量仪表9、10相连接，单相流量测量仪表9的两端分别设置有电磁阀23和电磁阀24，单相流量测量仪表10的两端分别设置有电磁阀25和电磁阀26；这两个单相流量测量仪表9、10通过管路与气液混合器11相连接；空气压缩机7的出口通过空气旁路电磁阀27与旁路相连接、通过液固混合器空气进气路电磁阀28与液固混合器6相连接，液固混合器6排空管路上设置液固混合器排空电磁阀29，固体颗粒物料输送和计量装置5通过颗粒物料输送电磁阀31与液固混合器6相连接，液固混合器空气进气路电磁阀28与液固混合器6的空气入口之间引出管路通过固体物料输送和计量装置电磁阀30与固体颗粒物料输送和计量装置5相连接。

参见图2，固体颗粒物料输送和计量装置5包括：转轮式颗粒流量计37、减速机35、颗粒储仓36、电机32和调压器33，颗粒储仓36通过管路与转轮式颗粒流量计37相连接，电机32通过连轴器与减速机35相连接，减速机35通过传动轴与转轮式颗粒流量计37相连接，电机32的线圈与调压器33相连接；空气压缩机7的出口通过空气旁路电磁阀27与旁路相连接、通过液固混合器空气进气路电磁阀28与液固混合器6相连接，混合器出口38与排空管路相连接，排空管路上设置液固器排空电磁阀29，固体颗粒物料输送和计量装置5通过颗粒物料输送电磁阀31与液固混合器6相连接，液固混合器空气进气路电磁阀28与液固混合器6的空气入口39之间引出管路通过固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀30与转轮式颗粒流量计37相连接；液固混合器6上分别设置有与并联的两个单相流量测量仪表流量计3、4相连接的液体入口41，与气液混合器11相连接的液固混合物出口42，液固混合器6上还设置有与控制系统相连接的液位探头34。

参见图3，转轮式颗粒流量计37包括设置在转轮式颗粒流量计内的开有出料口45的下档板44，在下档板44上设置有转轮43，转轮43上开有贮料孔51，传动轴47通过定位螺栓46与转轮43相连接，在转轮43上方设置具有进料口49的上档板50，上档板50上方是颗粒室48。

本发明利用单相泵1将液体由储液罐2输送到管路系统，采用单相流量测量仪表3、4计量液体流量，单相流量测量仪表可以布置多套，以覆盖宽广的流动参数范围；利用承压管路系统的闭式固体颗粒物料输送计量装置5和液固在线混合器6，由空气压缩机7提供压缩气源，在液固混合器上方形成一个稳定的气空间，以利于固体颗粒物料的输送和计量以及液固混合，固体物料流量与电机的控制电压成线性关系；利用压缩机8向管路系统输送压缩气体，采用单相流量测量仪表9、10计量气体流量，在液固混合器6之后布置一个气液混合器11，一定量的压缩气体在气液混合器中与液固混合物混合，形成气液固三相混合物；气液固三相混合物流过有关实验装置12后，利用过滤式液固分离器13分离固体颗粒，利用旋风分离器14实施气液分离，液体回到储液罐2循环使用；建立一套分布式数据采集系统，分别采集液相系统和气相系统的流体温度和压力测量信号和孔板流量计的压差测量信号、固体物料输送计量设备电机32的调压器33控制电压信号、液固混合器的液位探头34的测量信号以及有关实验的各种测量信号；建立一套控制系统，分别控制动力设备开关、液相系统的主回路和旁路电磁阀15-20、气相系统的主回路和旁路电磁阀21-26、固体物料输送计量设备电机的调压器、液固混合器压缩空气引入管路和排空管路的电磁阀27-29、液固混合器和固体物料输送计量装置之间的压力平衡管路的固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀30和送料管路的颗粒物料输送电磁阀31，实现各相流量动态控制并保持混合器内部气液界面稳定；利用控制系统自动实现气液固多相介质的分相输送、分相计量和在线混合以及整个流动过程的动态监测和控制。颗粒在重力作用下由颗粒储仓36流入转轮式颗粒流量计37，颗粒流量与转轮43的转速成正比。无级变速直流电机32经减速机35减速和增加扭矩，为流量计叶轮提供动力。调压器33提供调速电压，电机转速与调速电压成正比。实验前标定颗粒流量和调压器输出电压的关系，二者线性相关。实验中只需改变调压器电压，就可以准确地得到不同的颗粒流量。图3中给出了固体颗粒物料输送计量装置5的容积式转轮43的结构与装配简图。转轮位于颗粒室48的下方，定位螺栓46将转轮与传动轴47相连接。在转轮的一定径向位置上对称布置了一定数目的贮料孔51。转轮上下分别布置了上挡板50和下挡板44，上挡板左侧与贮料孔相同的径向布置了扇环形进料口49，下挡板右侧与贮料孔相同的径向位置处布置了扇环形出料口45。开启电机32使转轮转动，当贮料孔运动至进料口下方时，在重力作用下，颗粒室48中的颗粒物料填充贮料孔；当贮料孔运动至出料口上方时，同样在重力作用下，贮料孔中的固体颗粒物料从出料口下落至固体颗粒物料输送计量装置的出口。根据固体颗粒物料的流动性设计贮料孔的尺寸和数目以及进料口和出料口的尺寸，保证在一定的转轮转速条件下，贮料孔在经过进料口下方的过程中能够被颗粒充满，而且在在经过出料口上方的过程中能够完全释放其中的颗粒，从而保证颗粒流量与转轮转速成正比。

利用液固混合器6实现液固两相在线混合。混合器顶部布置有气体进口38和出口39，压缩空气从进口引入，经出口排向大气，在混合器上部形成了气体空间40。调节阀门27-29的开度使气压与液体压力平衡，即可形成稳定的气液界面。颗粒从流量计流出后经气体空间自由下落到气液界面与液体混合。液流从混合器侧面入口41切向射入，形成旋转流动，液固两相在旋流剪切和紊流扩散的作用下实现混合，从底部出口42流出。

如果不需要模拟各相流量和相含率的动态变化，或者对实验系统的自动化要求不高，还可以对实验装置的监测和控制系统进行简化，实施手动控制和测量数据的人工观察和记录。

采用本发明具有以下优点：

(1)采用分相计量方法，由于单相流动测量仪表技术成熟，精度较高，可以准确模拟气液固多相流的各种混合流动现象；

(2)采用在线混合方法，可以动态调节各相流量，实现气液固多相流动瞬态变化过程的模拟；

(3)使用常规动力设备和单相流计量仪表，代替了现有技术所采用的带有搅拌器的混合罐、多相流混输泵、多相混合物流量和相含率计量仪表，大大降低了实验装置的造价和系统的占地面积。

Claims (5)

1、一种气液固多相流动模拟方法，其特征在于：

(1)首先采用单相泵[1]将液体送到通过管道和电磁阀与单向泵[1]相联通的包含并联的两个单相流量测量仪表[3、4]和液固混合器[6]的液相主回路内，在液固混合器[6]之前采用并联的两个单相流量测量仪表[3、4]计量液相流量，采用气体压缩机[8]将气体输送到通过管道和电磁阀与并联的两个单相流量测量仪表[9、10]相联通的气相主回路中，在气液混合器[11]之前采用并联的两个单相流量测量仪表[9、10]计量气相流量；

(2)然后利用颗粒物料输送和计量装置[5]定量输送颗粒物料并在液固混合器[6]中完成液固混合，用空气压缩机[7]将压缩空气引入液固混合器[6]内，在液固混合器[6]内形成稳定的气液相界面，固体颗粒物料经由相界面上方的气体空间加入到相界面，在相界面下方完成液固混合；

(3)然后在气液混合器[11]中完成液固混合物与气体混合，形成气液固三相混合物进入应用本发明装置作为实验系统的有关实验装置[12]中。

2、根据权利要求1所述的气液固多相流动模拟方法，其特征在于：当气液固三相混合物流出有关的实验装置[12]之后，最后需要依次经过过滤式液固分离器[13]和旋风气液分离器[14]完成液固分离和气液分离，固体颗粒进入液固分离器[13]的沉积室以待循环利用，气体排空，液体流回储液罐[2]中连续循环使用。

3、一种气液固多相流动装置，包括单相泵[1]，单相泵[1]的入口通过管路与储液罐[2]相连接，其特征在于：单相泵[1]的出口分别通过液相旁路电磁阀[15]连接液相旁路、通过液相主回路电磁阀[16]连接液相主回路，液相旁路与储液罐[2]连接；液相主回路电磁阀[16]与两个并联的单相流量测量仪表[3、4]相连接，这两个并联的单相流量测量仪表[3、4]通过管路与液固混合器[6]相连接，液固混合器[6]通过管路与气液混合器[11]、有关实验装置[12]、过滤式液固分离器[13]和旋风气液分离器[14]相连接，旋风气液分离器[14]通过管路与储液罐[2]相连接；气体压缩机[8]的出口通过气相旁路电磁阀[21]与气相旁路相连接、通过气相主回路电磁阀[22]与气相主回路相连接；气相主回路电磁阀[22]与两个并联的单相流量测量仪表[9、10]相连接，这两个并联的单相流量测量仪表[9、10]通过管路与气液混合器[11]相连接；空气压缩机[7]的出口通过空气旁路电磁阀[27]与旁路相连接、通过液固混合器空气进气路电磁阀[28]与液固混合器[6]相连接，液固混合器[6]排空管路上设置液固混合器排空电磁阀[29]，固体颗粒物料输送和计量装置[5]通过颗粒物料输送电磁阀[31]与液固混合器[6]相连接，液固混合器空气进气路电磁阀[28]与液固混合器[6]的空气入口之间引出管路通过固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀[30]与固体颗粒物料输送和计量装置[5]相连接。

4、根据权利要求3所述的气液固多相流动装置，其特征在于：固体颗粒物料输送和计量装置[5]由转轮式颗粒流量计[37]、减速机[35]、颗粒储仓[36]、电机[32]和调压器[33]组成，颗粒储仓[36]通过管路与转轮式颗粒流量计[37]相连接，电机[32]通过连轴器与减速机[35]相连接，减速机[35]通过传动轴与转轮式颗粒流量计[37]相连接，电机[32]的线圈与调压器[33]相连接；转轮式颗粒流量计[37]通过颗粒物料输送电磁阀[31]与液固混合器[6]相连接，液固混合器空气进气路电磁阀[28]与液固混合器[6]的空气入口[39]之间引出管路通过固体颗粒物料输送和计量装置电磁阀[30]与转轮式颗粒流量计[37]相连接；液固混合器[6]上分别设置有与两个并联的单相流量测量仪表[3、4]相连接的液体入口[41]，与气液混合器[11]相连接的液固混合物出口[42]，液固混合器[6]上还设置有与数据采集与控制系统相连接的液位探头[34]。

5、根据权利要求4所述的气液固多相流动装置，其特征在于：所说的转轮式颗粒流量计[37]包括设置在转轮式颗粒流量计内的开有出料口[45]的下档板[44]，在下档板[44]上设置有转轮[43]，转轮[43]上开有贮料孔[51]，传动轴[47]通过定位螺栓[46]与转轮[43]相连接，在转轮[43]上方设置具有进料口[49]的上档板[50]，上档板[50]上方是颗粒室[48]。

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