專利名稱：B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及流體動力學CFD模型模擬計算技術領域，是一種B類 顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺。
背景技術：
目前CFD模擬技術的發(fā)展迅速，其成本低、周期短，廣泛應用于能源、 化工、環(huán)境等領域。與驗證數(shù)值模型正確性的實驗是必不可少的，有些實 驗在技術實現(xiàn)上具有一定難度，特別是流體動力學領域流化床中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驗系 統(tǒng)為數(shù)值模擬工作提供經(jīng)驗公式和驗證平臺，從而對模型進行修正以得到 能夠表征B類顆粒流動本質的準確物理模型?；趪?863計劃"能源
領域重大項目一以煤氣化為基礎的多聯(lián)產(chǎn)示范工程子課題"粉煤加壓密相 輸運床氣化技術"其氣化爐使用B類顆粒，希望床內實現(xiàn)濃度分布均勻， 返混量小的密相輸運狀態(tài)，與此前該領域的研究有較大差異，因此就需要 建造基礎研究的實驗系統(tǒng)，通過測量得到的實驗數(shù)據(jù)對模擬的數(shù)值模型進 行驗證和改進，從而指導工程實際氣化爐的優(yōu)化設計。
通過文獻調研，國內外一些學者對循環(huán)流化床系統(tǒng)的實驗研究做了許 多工作，也獲得了具有借鑒意義的結論，但以前的研究大多是針對化工領 域石油催化裂化使用的微小A類固體顆粒設計的，對使用B類顆粒循環(huán)流 化床的研究還很有限。此外，現(xiàn)有的實驗臺還未査到設計成無約束出口結 構的，目前已有的出口結構將嚴重影響提升管內的兩相流動情況，不能得 到無約束出口條件下管內的真實流動特征。

實用新型內容
本實用新型的目的是公開一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺，克服現(xiàn)有技術的缺陷，采用提升管無約束出口結構，真實反 映B類固體顆粒在管內的運動規(guī)律，對B類顆粒的兩相流動情況的模擬提 供實驗數(shù)據(jù)的支撐和改進標準。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術解決方案是
一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺，包括空壓 機、電動閥、壓力傳感器、質量流量計、溫度傳感器、排渣閥、布風板、 提升管、光纖測量儀、加料口、儲料罐、下降管、絞龍給料機；其還包括
傘式收塵裝置、電容層析成像技術；其中，
主床系統(tǒng)由布風板與提升管構成，提升管豎直設置，上部側壁設有光 纖測量儀，布風板位于提升管下部，提升管上端開口，下端設有排渣閥，
在布風板和排渣閥之間的側壁上有進氣口 ；
提升管側壁縱向設有多個壓力傳感器；空壓機出風口經(jīng)電動閥、進氣 管道、進氣口與提升管內腔相聯(lián)通；
進氣管道中設有壓力傳感器、質量流量計和溫度傳感器；
傘式收塵裝置為腔式結構，位于提升管上方，其底面為一傾角45°的 鋼板，底面下緣與側面相交處設有物料出口；同時，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腔相通連；
儲料罐為腔式結構，位于傘式收塵裝置下方，儲料罐頂板設有加料口，
傘式收塵裝置的物料出口伸入儲料罐頂板內，并與頂板固接，傘式收塵裝
置與儲料罐內腔相通連；下降管豎直設置，儲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上側壁固接，下降管與絞龍給料
機內腔相通連；
下降管側壁外周緣設有電容層析成像技術；
絞龍給料機水平設置，其出口端與提升管側壁固接，出口位于布風板 上方，絞龍給料機與提升管內腔相通連；
空壓機、絞龍給料機、光纖測量儀、電容層析成像技術、壓力傳感器、 質量流量計和溫度傳感器通過各自的變送模塊與工控機電連接。
所述的無約束出口實驗臺，其所述進氣管道、傘式收塵裝置、儲料罐、 下降管為鋼材制作；傘式收塵裝置和儲料罐為封閉的腔式結構。
所述的無約束出口實驗臺，其所述布風板為鋼板，在鋼板上設有規(guī)則的風孔；提升管為透明有機玻璃。
所述的無約束出口實驗臺，其所述電動閥、排渣閥為自動控制，分別 與工控機電連接。
所述的無約束出口實驗臺，其所述提升管側壁縱向設置的光纖測量儀 至少為兩個；壓力傳感器至少為三個。
本實用新型的一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗
臺，考察B類顆粒在系統(tǒng)中的流動情況，分析床內氣固兩相流的流動機理，
進而實現(xiàn)冷態(tài)密相輸運狀態(tài)，并通過先進的測量手段如光纖測速儀、
(ECT)獲得系統(tǒng)內流動的物理量值。實驗數(shù)據(jù)和分析結果也將對氣固流 動數(shù)值模型進行驗證，校驗不同CFD模型模擬的適用性，并開發(fā)適用于密 相輸運床系統(tǒng)的數(shù)學物理模型，為設計優(yōu)化和工程放大提供指導意義。
本實用新型很好的解決了目前已有出口結構嚴重影響提升管內的兩 相流動情況和不能得到無約束出口條件下管內的真實流動特征的兩個問 題。


圖1:本實用新型的一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口 實驗臺。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進一步說明。
本實用新型是一種研究B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實 驗臺。該實驗臺可以研究B類顆粒氣固兩相流在提升管區(qū)域里隨操作氣速 變化的流動特性，可用于B類顆粒氣固兩相流的流域特性分析和機理研究， 同時也將指導B類顆粒氣固兩相流流動行為的數(shù)值模擬建模，并通過該實 驗臺的測量數(shù)據(jù)驗證模型的可行性。
如圖l所示，為本實用新型的一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無 約束出口實驗臺，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)、補料和放料系統(tǒng)以及測試系統(tǒng)組成。包括
空壓機l;電動閥2;壓力傳感器3;質量流量計4;溫度傳感器5;排渣閥6;布風板7;提升管8;光纖測量儀9;傘式收塵器10;加料口ll; 儲料罐12;下降管13;電容層析成像技術(ECT) 14;絞龍給料機15。
供氣系統(tǒng)主要螺桿空壓機1構成，提供系統(tǒng)運行所需要的氣源。主床
系統(tǒng)由布風板7與提升管8構成，提升管8上部側壁設有光纖測量儀9， 布風板7位于提升管8下部，提升管8上端開口，下端設有排渣閥6，在 布風板7和排渣閥6之間的側壁上有進氣口。布風板7由鋼板構成，在鋼 板上規(guī)則的開一些風孔。布風板7 —方面使進入提升管8的壓縮空氣分布 均勻，另外由于布風板7的開孔較小，氣體通過風孔進入提升管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由有機玻璃構 成，方便觀察物料在管內的流動情況。提升管8側壁縱向設有多個壓力傳 感器3。提升管8主要作用是作為兩相流動的通道，同時密相輸運也是在 提升管8內實現(xiàn)的?？諌簷Cl出風口經(jīng)電動閥2、進氣管道、進氣口與提 升管8內腔相聯(lián)通。
進氣管道中設有壓力傳感器3、質量流量計4和溫度傳感器5。 收塵系統(tǒng)由傘式收塵裝置10構成。傘式收塵裝置10為鋼制腔式結構， 其底面為一傾角45°的鋼板，底面下緣與側面相交處設有物料出口，能保 證出口物料完全返回到儲料罐12里，避免了人工清掃。同時，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內腔 相通連，可以近似獲得完全無約束的出口結構效果，這種出口結構可以最 大限度減少出口結構對管內流動狀態(tài)的約束和限制，真實準確的考察兩相 流的運動本質，確保實驗得到無出口條件影響下提升管8內的氣固兩相流 動。
返料系統(tǒng)由儲料罐12、下降管13和絞龍給料機15構成。儲料罐12 為鋼制腔式結構，儲料罐12頂板設有加料口 11，傘式收塵裝置10的物料 出口伸入儲料罐12頂板，并與頂板固接，傘式收塵裝置10所收集的固體 物料落入儲料罐12中。下降管13豎直設置，儲料罐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15上側壁固接，下降 管13與絞龍給料機15內腔相通連。儲料罐12可以確保固體物料在提升 管8內循環(huán)時下降管13內始終保持基本穩(wěn)定的料位，從而保證每次實驗 時下降管13內的壓降基本不變，避免了由于下降管13內壓降波動引起的實驗不穩(wěn)定。下降管13為鋼制結構，主要是作為固體物料下降的通道， 同時也可以存儲少量物料，下降管13側壁外周緣設有電容層析成像技術
(ECT) 14。絞龍給料機15水平設置，其出口端與提升管8側壁固接，出 口位于布風板7上方，絞龍給料機15與提升管8內腔相通連。絞龍給料 機15是通過絞龍給料的方式，向提升管8內加入一定量的物料。
補料和放料系統(tǒng)由儲料罐12和排渣閥6構成。少量從布風板7漏下 的物料會使床內存料量減少，所以當實驗進行一段時間要對系統(tǒng)內進行補 料。補料時可以將物料通過加料口 11加入儲料罐12中，經(jīng)下降管13、絞 龍給料機15送入提升管8。放料是通過布風板7下方的排渣閥6來實現(xiàn)。 當需要放料時則將實驗系統(tǒng)停機，打開排渣閥6放出漏料即可。測試系統(tǒng) 主要對壓力、溫度、氣體流量、顆粒速度以及固體物料循環(huán)流率的測量。 其中壓力、溫度和氣體流量的測量分別是通過壓力傳感器3、轉子質量流 量計4和溫度傳感器5實現(xiàn)的，并且通過各自的變送模塊與工控機(圖中 沒示出)相連，實現(xiàn)實時顯示。質量流量計4是測量入口氣量，溫度傳感 器5是測量進入提升管8的氣體溫度，壓力則有多點壓力傳感器3進行測 量，從而來分析提升管8內的流動情況。顆粒速度通過在提升管8上不同 高度布置光纖測量儀9獲得。固體循環(huán)流率的測量是通過引進電容層析成 像技術(ECT) 14實現(xiàn)，通過電容層析成像技術(ECT) 14測量下降管13 特定位置處的固體顆粒濃度推算出提升管8內平均空隙率和固體循環(huán)流 率。
空壓機l、絞龍給料機15、光纖測量儀9、電容層析成像技術14、壓 力傳感器3、質量流量計4和溫度傳感器5通過各自的變送模塊與工控機 電連接，由工控機的軟件控制。
進氣管道為鋼材制作。
電動閥2、排渣閥6為自動閥，分別與工控機電連接，由控制系統(tǒng)依 據(jù)需要開啟或關閉。
本實用新型的工作過程
首先關閉絞龍給料機15，將一定量的固體床料加入儲料罐12內，關 閉排渣閥6。打開空壓機l，打開電動閥2，壓縮空氣通過進氣管道和布風板7進入提升管8內。開啟絞龍給料機15，向提升管8內加入一定量的固
體物料量，通過所測量的入口氣量(4)、溫度值(5)、各個測量點的壓力 (3)、速度(9)以及電容層析成像技術(ECT) 14所測量下降管13的顆 粒濃度，得到提升管8內的固體床料分布情況，然后通過計算分析調整空 壓機1氣量以及絞龍給料機15給料量來實現(xiàn)所需工況，并通過觀察提升 管8內的流動情況，以此來對兩相流流動特點和機理進行分析總結，實驗 數(shù)據(jù)為B類顆粒氣固兩相流動模擬提供所需的經(jīng)驗公式，并驗證數(shù)值模型。
權利要求1、一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺，包括空壓機、電動閥、壓力傳感器、質量流量計、溫度傳感器、排渣閥、布風板、提升管、光纖測量儀、加料口、儲料罐、下降管、絞龍給料機；其特征在于，還包括傘式收塵裝置、電容層析成像技術；其中，主床系統(tǒng)由布風板與提升管構成，提升管豎直設置，上部側壁縱向設有多個光纖測量儀，布風板位于提升管下部，提升管上端開口，下端設有排渣閥，在布風板和排渣閥之間的側壁上有進氣口；提升管側壁縱向設有多個壓力傳感器；空壓機出風口經(jīng)電動閥、進氣管道、進氣口與提升管內腔相聯(lián)通；進氣管道中設有壓力傳感器、質量流量計和溫度傳感器；傘式收塵裝置為腔式結構，位于提升管上方，其底面為一傾角45°的鋼板，底面下緣與側面相交處設有物料出口；同時，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腔相通連；儲料罐為腔式結構，位于傘式收塵裝置下方，儲料罐頂板設有加料口，傘式收塵裝置的物料出口伸入儲料罐頂板內，并與頂板固接，傘式收塵裝置與儲料罐內腔相通連；下降管豎直設置，儲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上側壁固接，下降管與絞龍給料機內腔相通連；下降管側壁外周緣設有電容層析成像技術；絞龍給料機水平設置，其出口端與提升管側壁固接，出口位于布風板上方，絞龍給料機與提升管內腔相通連；空壓機、絞龍給料機、光纖測量儀、電容層析成像技術、壓力傳感器、質量流量計和溫度傳感器通過各自的變送模塊與工控機電連接。
2、 如權利要求l所述的無約束出口實驗臺，其特征在于，所述進氣管 道、傘式收塵裝置、儲料罐、下降管為鋼材制作；傘式收塵裝置和儲料罐 為封閉的腔式結構。
3、 如權利要求l所述的無約束出口實驗臺，其特征在于，所述布風板 為鋼板，在鋼板上設有規(guī)則的風孔；提升管為透明有機玻璃。
4、 如權利要求1所述的無約束出口實驗臺，其特征在于，所述電動閥、 排渣閥為自動控制，分別與工控機電連接。
5、 如權利要求l所述的無約束出口實驗臺，其特征在于，所述提升管側壁縱向設置的光纖測量儀至少為兩個；壓力傳感器至少為三個。
專利摘要本實用新型公開了一種B類顆粒氣固兩相流流動特性的無約束出口實驗臺，涉及流體動力技術，包括空壓機、電動閥、壓力傳感器、質量流量計、溫度傳感器、排渣閥、布風板、提升管、光纖測量儀、加料口、儲料罐、下降管、絞龍給料機、傘式收塵裝置、電容層析成像技術(ECT)。本實用新型實驗臺，通過入口氣量、溫度值、各個測量點的壓力、速度以及電容層析成像技術所測量的數(shù)據(jù)，并通過觀察提升管內的流動情況，對兩相流流動特點和機理進行分析總結，為B類顆粒氣固兩相流動模擬提供所需的經(jīng)驗公式，并驗證數(shù)值模型。
文檔編號G01M10/00GK201364234SQ20092010608
公開日2009年12月16日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權日2009年3月11日
發(fā)明者吳學智, 凡 姜, 廖良良, 祥 徐, 樊保國, 王嘉昌, 王圣典, 王雪瑤, 肖云漢 申請人:中國科學院工程熱物理研究所