專利名稱：B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體動(dòng)力學(xué)CFD模型模擬計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，是一種B類顆粒氣固兩相流 流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
背景技術(shù)：
目前CFD模擬技術(shù)的發(fā)展迅速，其成本低、周期短，廣泛應(yīng)用于能源、化工、環(huán)境等 領(lǐng)域。與驗(yàn)證數(shù)值模型正確性的實(shí)驗(yàn)是必不可少的，有些實(shí)驗(yàn)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上具有一定難度， 特別是流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域流化床中B類顆粒的模擬還未建立起成熟的數(shù)值模型，這就需要通 過建造與之匹配的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為數(shù)值模擬工作提供經(jīng)驗(yàn)公式和驗(yàn)證平臺(tái)，從而對(duì)模型進(jìn)行修 正以得到能夠表征B類顆粒流動(dòng)本質(zhì)的準(zhǔn)確物理模型?；趪?guó)家“863計(jì)劃”能源領(lǐng)域重大 項(xiàng)目一以煤氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)示范工程子課題“粉煤加壓密相輸運(yùn)床氣化技術(shù)”其氣化 爐 使用B類顆粒，希望床內(nèi)實(shí)現(xiàn)濃度分布均勻，返混量小的密相輸運(yùn)狀態(tài)，與此前該領(lǐng)域的 研究有較大差異，因此就需要建造基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬 的數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，從而指導(dǎo)工程實(shí)際氣化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過文獻(xiàn)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)循環(huán)流化床系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究做了許多工作，也 獲得了具有借鑒意義的結(jié)論，但以前的研究大多是針對(duì)化工領(lǐng)域石油催化裂化使用的微小 A類固體顆粒設(shè)計(jì)的，對(duì)使用B類顆粒循環(huán)流化床的研究還很有限。此外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)臺(tái)還 未查到設(shè)計(jì)成無約束出口結(jié)構(gòu)的，目前已有的出口結(jié)構(gòu)將嚴(yán)重影響提升管內(nèi)的兩相流動(dòng)情 況，不能得到無約束出口條件下管內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，克 服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，采用提升管無約束出口結(jié)構(gòu)，真實(shí)反映B類固體顆粒在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，對(duì)B類顆粒的兩相流動(dòng)情況的模擬提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐和改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括空壓機(jī)、電動(dòng)閥、 壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器、排渣閥、布風(fēng)板、提升管、光纖測(cè)量?jī)x、加料口、儲(chǔ)料 罐、下降管、絞龍給料機(jī)；其還包括傘式收塵裝置、電容層析成像技術(shù)；其中，主床系統(tǒng)由布風(fēng)板與提升管構(gòu)成，提升管豎直設(shè)置，上部側(cè)壁設(shè)有光纖測(cè)量?jī)x，布 風(fēng)板位于提升管下部，提升管上端開口，下端設(shè)有排渣閥，在布風(fēng)板和排渣閥之間的側(cè)壁上 有進(jìn)氣口 ；提升管側(cè)壁縱向設(shè)有多個(gè)壓力傳感器；空壓機(jī)出風(fēng)口經(jīng)電動(dòng)閥、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣口 與提升管內(nèi)腔相聯(lián)通；進(jìn)氣管道中設(shè)有壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和溫度傳感器；傘式收塵裝置為腔式結(jié)構(gòu)，位于提升管上方，其底面為一傾角45°的鋼板，底面下 緣與側(cè)面相交處設(shè)有物料出口 ；同時(shí)，傘式收塵裝置底面與提升管上端固接，提升管出口與傘式收塵裝置內(nèi)腔相通連； 儲(chǔ)料罐為腔式結(jié)構(gòu)，位于傘式收塵裝置下方，儲(chǔ)料罐頂板設(shè)有加料口，傘式收塵裝 置的物料出口伸入儲(chǔ)料罐頂板內(nèi)，并與頂板固接，傘式收塵裝置與儲(chǔ)料罐內(nèi)腔相通連；下降 管豎直設(shè)置，儲(chǔ)料罐下端開口與下降管上端開口固接，下降管下端開口與絞龍給料機(jī)上側(cè) 壁固接，下降管與絞龍給料機(jī)內(nèi)腔相通連；下降管側(cè)壁外周緣設(shè)有電容層析成像技術(shù)；絞龍給料機(jī)水平設(shè)置，其出口端與提升管側(cè)壁固接，出口位于布風(fēng)板上方，絞龍給 料機(jī)與提升管內(nèi)腔相通連；空壓機(jī)、絞龍給料機(jī)、光纖測(cè)量?jī)x、電容層析成像技術(shù)、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和 溫度傳感器通過各自的變送模塊與工控機(jī)電連接。所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其所述進(jìn)氣管道、傘式收塵裝置、儲(chǔ)料罐、下降管為鋼 材制作；傘式收塵裝置和儲(chǔ)料罐為封閉的腔式結(jié)構(gòu)。所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其所述布風(fēng)板為鋼板，在鋼板上設(shè)有規(guī)則的風(fēng)孔；提升 管為透明有機(jī)玻璃。所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其所述電動(dòng)閥、排渣閥為自動(dòng)控制，分別與工控機(jī)電連接。所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其所述提升管側(cè)壁縱向設(shè)置的光纖測(cè)量?jī)x至少為兩 個(gè)；壓力傳感器至少為三個(gè)。本發(fā)明的一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考察B類顆粒 在系統(tǒng)中的流動(dòng)情況，分析床內(nèi)氣固兩相流的流動(dòng)機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷態(tài)密相輸運(yùn)狀態(tài)，并通 過先進(jìn)的測(cè)量手段如光纖測(cè)速儀、(ECT)獲得系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的物理量值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié) 果也將對(duì)氣固流動(dòng)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，校驗(yàn)不同CFD模型模擬的適用性，并開發(fā)適用于密 相輸運(yùn)床系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型，為設(shè)計(jì)優(yōu)化和工程放大提供指導(dǎo)意義。本發(fā)明很好的解決了目前已有出口結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響提升管內(nèi)的兩相流動(dòng)情況和不 能得到無約束出口條件下管內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)特征的兩個(gè)問題。


圖1 本發(fā)明的一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。本發(fā)明是一種研究B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái) 可以研究B類顆粒氣固兩相流在提升管區(qū)域里隨操作氣速變化的流動(dòng)特性，可用于B類顆 粒氣固兩相流的流域特性分析和機(jī)理研究，同時(shí)也將指導(dǎo)B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)行為的 數(shù)值模擬建模，并通過該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可行性。如圖1所示，為本發(fā)明的一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)， 是小型冷態(tài)無約束出口流化床，主要由供氣系統(tǒng)、主床系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、補(bǔ)料和放 料系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)組成。包括空壓機(jī)1 ；電動(dòng)閥2 ；壓力傳感器3 ；質(zhì)量流量計(jì)4 ；溫度傳 感器5 ；排渣閥6 ；布風(fēng)板7 ；提升管8 ；光纖測(cè)量?jī)x9 ；傘式收塵器10 ；加料口 11 ；儲(chǔ)料罐12 ；下降管13 ；電容層析成像技術(shù)(ECT) 14 ；絞龍給料機(jī)15。供氣系統(tǒng)主要螺桿空壓機(jī)1構(gòu)成，提供系統(tǒng)運(yùn)行所需要的氣源。主床系統(tǒng)由布風(fēng) 板7與提升管8構(gòu)成，提升管8上部側(cè)壁設(shè)有光纖測(cè)量?jī)x9，布風(fēng)板7位于提升管8下部，提 升管8上端開口，下端設(shè)有排渣閥6，在布風(fēng)板7和排渣閥6之間的側(cè)壁上有進(jìn)氣口。布風(fēng) 板7由鋼板構(gòu)成，在鋼板上規(guī)則的開一些風(fēng)孔。布風(fēng)板7 —方面使進(jìn)入提升管8的壓縮空 氣分布均勻，另外由于布風(fēng)板7的開孔較小，氣體通過風(fēng)孔進(jìn)入提升管8速度增大，可以起 到防止固體物料回落堵塞氣源的作用。提升管8由有機(jī)玻璃構(gòu)成，方便觀察物料在管內(nèi)的 流動(dòng)情況。提升管8側(cè)壁縱向設(shè)有多個(gè)壓力傳感器3。提升管8主要作用是作為兩相流動(dòng) 的通道，同時(shí)密相輸運(yùn)也是在提升管8內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。空壓機(jī)1出風(fēng)口經(jīng)電動(dòng)閥2、進(jìn)氣管道、進(jìn) 氣口與提升管8內(nèi)腔相聯(lián)通。進(jìn)氣管道中設(shè)有壓力傳感器3、質(zhì)量流量計(jì)4和溫度傳感器5。收塵系統(tǒng)由傘式收塵裝置10構(gòu)成。傘式收塵裝置10為鋼制腔式結(jié)構(gòu)，其底面為 一傾角45°的鋼板，底面下緣與側(cè)面相交處設(shè)有物料出口，能保證出口物料完全返回到儲(chǔ) 料罐12里，避免了人工清掃。同時(shí)，傘式收塵裝置10底面與提升管8上端固接，提升管8 出口與傘式收塵裝置10內(nèi)腔相通連，可以近似獲得完全無約束的出口結(jié)構(gòu)效果，這種出口 結(jié)構(gòu)可以最大限度減少出口結(jié)構(gòu)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的約束和限制，真實(shí)準(zhǔn)確的考察兩相流的 運(yùn)動(dòng)本質(zhì)，確保實(shí)驗(yàn)得到無出口條件影響下提升管8內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)。
返料系統(tǒng)由儲(chǔ)料罐12、下降管13和絞龍給料機(jī)15構(gòu)成。儲(chǔ)料罐12為鋼制腔式結(jié) 構(gòu)，儲(chǔ)料罐12頂板設(shè)有加料口 11，傘式收塵裝置10的物料出口伸入儲(chǔ)料罐12頂板，并與頂 板固接，傘式收塵裝置10所收集的固體物料落入儲(chǔ)料罐12中。下降管13豎直設(shè)置，儲(chǔ)料 罐12下端開口與下降管13上端固接，下降管13下端開口與絞龍給料機(jī)15上側(cè)壁固接，下 降管13與絞龍給料機(jī)15內(nèi)腔相通連。儲(chǔ)料罐12可以確保固體物料在提升管8內(nèi)循環(huán)時(shí) 下降管13內(nèi)始終保持基本穩(wěn)定的料位，從而保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)下降管13內(nèi)的壓降基本不變， 避免了由于下降管13內(nèi)壓降波動(dòng)引起的實(shí)驗(yàn)不穩(wěn)定。下降管13為鋼制結(jié)構(gòu)，主要是作為 固體物料下降的通道，同時(shí)也可以存儲(chǔ)少量物料，下降管13側(cè)壁外周緣設(shè)有電容層析成像 技術(shù)(ECT) 14。絞龍給料機(jī)15水平設(shè)置，其出口端與提升管8側(cè)壁固接，出口位于布風(fēng)板7 上方，絞龍給料機(jī)15與提升管8內(nèi)腔相通連。絞龍給料機(jī)15是通過絞龍給料的方式，向提 升管8內(nèi)加入一定量的物料。補(bǔ)料和放料系統(tǒng)由儲(chǔ)料罐12和排渣閥6構(gòu)成。少量從布風(fēng)板7漏下的物料會(huì)使 床內(nèi)存料量減少，所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)料。補(bǔ)料時(shí)可以將物料通過 加料口 11加入儲(chǔ)料罐12中，經(jīng)下降管13、絞龍給料機(jī)15送入提升管8。放料是通過布風(fēng) 板7下方的排渣閥6來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要放料時(shí)則將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)停機(jī)，打開排渣閥6放出漏料即 可。測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)壓力、溫度、氣體流量、顆粒速度以及固體物料循環(huán)流率的測(cè)量。其中 壓力、溫度和氣體流量的測(cè)量分別是通過壓力傳感器3、轉(zhuǎn)子質(zhì)量流量計(jì)4和溫度傳感器5 實(shí)現(xiàn)的，并且通過各自的變送模塊與工控機(jī)(圖中沒示出)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。質(zhì)量流量 計(jì)4是測(cè)量入口氣量，溫度傳感器5是測(cè)量進(jìn)入提升管8的氣體溫度，壓力則有多點(diǎn)壓力傳 感器3進(jìn)行測(cè)量，從而來分析提升管8內(nèi)的流動(dòng)情況。顆粒速度通過在提升管8上不同高 度布置光纖測(cè)量?jī)x9獲得。固體循環(huán)流率的測(cè)量是通過引進(jìn)電容層析成像技術(shù)(ECT) 14實(shí) 現(xiàn)，通過電容層析成像技術(shù)(ECT) 14測(cè)量下降管13特定位置處的固體顆粒濃度推算出提升管8內(nèi)平均空隙率和固體循環(huán)流率?？諌簷C(jī)1、絞龍給料機(jī)15、光纖測(cè)量?jī)x9、電容層析成像技術(shù)14、壓力傳感器3、質(zhì)量 流量計(jì)4和溫度傳感器5通過各自的變送模塊與工控機(jī)電連接，由工控機(jī)的軟件控制。進(jìn)氣管道為鋼材制作。電動(dòng)閥2、排渣閥6為自動(dòng)閥，分別與工控機(jī)電連接，由控制系統(tǒng)依據(jù)需要開啟或 關(guān)閉。本發(fā)明的工作過程首先關(guān)閉絞龍給料機(jī)15，將一定量的固體床料加入儲(chǔ)料罐12內(nèi)，關(guān)閉排渣閥6。 打開空壓機(jī)1，打開電動(dòng)閥2，壓縮空氣通過進(jìn)氣管道和布風(fēng)板7進(jìn)入提升管8內(nèi)。開啟絞 龍給料機(jī)15，向提升管8內(nèi)加入一定量的固體物料量，通過所測(cè)量的入口氣量(4)、溫度值 (5)、各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力(3)、速度(9)以及電容層析成像技術(shù)(ECT) 14所測(cè)量下降管13的 顆粒濃度，得到提升管8內(nèi)的固體床料分布情況，然后通過計(jì)算分析調(diào)整空壓機(jī)1氣量以及 絞龍給料機(jī)15給料量來實(shí)現(xiàn)所需工況，并通過觀察提升管8內(nèi)的流動(dòng)情況，以此來對(duì)兩相 流流動(dòng)特點(diǎn)和機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為B類顆粒氣固兩相流動(dòng)模擬提供所需的經(jīng)驗(yàn) 公式，并驗(yàn)證數(shù)值模型。
權(quán)利要求
一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括空壓機(jī)、電動(dòng)閥、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器、排渣閥、布風(fēng)板、提升管、光纖測(cè)量?jī)x、加料口、儲(chǔ)料罐、下降管、絞龍給料機(jī)；其特征在于，還包括傘式收塵裝置、電容層析成像技術(shù)；其中，主床系統(tǒng)由布風(fēng)板與提升管構(gòu)成，提升管豎直設(shè)置，上部側(cè)壁縱向設(shè)有多個(gè)光纖測(cè)量?jī)x，布風(fēng)板位于提升管下部，提升管上端開口，下端設(shè)有排渣閥，在布風(fēng)板和排渣閥之間的側(cè)壁上有進(jìn)氣口；提升管側(cè)壁縱向設(shè)有多個(gè)壓力傳感器；空壓機(jī)出風(fēng)口經(jīng)電動(dòng)閥、進(jìn)氣管道、進(jìn)氣口與提升管內(nèi)腔相聯(lián)通；進(jìn)氣管道中設(shè)有壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和溫度傳感器；傘式收塵裝置為腔式結(jié)構(gòu)，位于提升管上方，其底面為一傾角45°的鋼板，底面下緣與側(cè)面相交處設(shè)有物料出口；同時(shí)，傘式收塵裝置底面與提升管上端固接，提升管出口與傘式收塵裝置內(nèi)腔相通連；儲(chǔ)料罐為腔式結(jié)構(gòu)，位于傘式收塵裝置下方，儲(chǔ)料罐頂板設(shè)有加料口，傘式收塵裝置的物料出口伸入儲(chǔ)料罐頂板內(nèi)，并與頂板固接，傘式收塵裝置與儲(chǔ)料罐內(nèi)腔相通連；下降管豎直設(shè)置，儲(chǔ)料罐下端開口與下降管上端開口固接，下降管下端開口與絞龍給料機(jī)上側(cè)壁固接，下降管與絞龍給料機(jī)內(nèi)腔相通連；下降管側(cè)壁外周緣設(shè)有電容層析成像技術(shù)；絞龍給料機(jī)水平設(shè)置，其出口端與提升管側(cè)壁固接，出口位于布風(fēng)板上方，絞龍給料機(jī)與提升管內(nèi)腔相通連；空壓機(jī)、絞龍給料機(jī)、光纖測(cè)量?jī)x、電容層析成像技術(shù)、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和溫度傳感器通過各自的變送模塊與工控機(jī)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，所述進(jìn)氣管道、傘式收塵裝 置、儲(chǔ)料罐、下降管為鋼材制作；傘式收塵裝置和儲(chǔ)料罐為封閉的腔式結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，所述布風(fēng)板為鋼板，在鋼板上 設(shè)有規(guī)則的風(fēng)孔；提升管為透明有機(jī)玻璃。
4.如權(quán)利要求1所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，所述電動(dòng)閥、排■閥為自動(dòng)控 制，分別與工控機(jī)電連接。
5.如權(quán)利要求1所述的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其特征在于，所述提升管側(cè)壁縱向設(shè)置的 光纖測(cè)量?jī)x至少為兩個(gè)；壓力傳感器至少為三個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種B類顆粒氣固兩相流流動(dòng)特性的無約束出口實(shí)驗(yàn)臺(tái)，涉及流體動(dòng)力技術(shù)，包括空壓機(jī)、電動(dòng)閥、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)、溫度傳感器、排渣閥、布風(fēng)板、提升管、光纖測(cè)量?jī)x、加料口、儲(chǔ)料罐、下降管、絞龍給料機(jī)、傘式收塵裝置、電容層析成像技術(shù)(ECT)。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過入口氣量、溫度值、各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力、速度以及電容層析成像技術(shù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)，并通過觀察提升管內(nèi)的流動(dòng)情況，對(duì)兩相流流動(dòng)特點(diǎn)和機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)，為B類顆粒氣固兩相流動(dòng)模擬提供所需的經(jīng)驗(yàn)公式，并驗(yàn)證數(shù)值模型。
文檔編號(hào)G01M10/00GK101832854SQ200910079798
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者吳學(xué)智, 姜凡, 廖良良, 徐祥, 樊保國(guó), 王嘉昌, 王圣典, 王雪瑤, 肖云漢 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所