气固流化床中运动颗粒动力学数据测量装置、系统及方法

摘要

本发明公开了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置、系统及方法，属于颗粒沉降的测量技术领域，解决了现有技术中无法测量颗粒上下波动以及上浮过程中的动力学数据的问题。其包括压缩空气单元、加重质、气固流化床、密度球、刚性联接杆以及用于测量刚性联接杆位移的位移传感器；压缩空气单元的气流出口与气固流化床的进气口连通；加重质位于气固流化床内；密度球固定设置于刚性联接杆的底端。上述气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置、系统及方法可用于浓相气固流场中运动颗粒动力学数据的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种颗粒沉降的测量技术，尤其涉及一种浓相流场的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置、测量系统以及测量方法。

背景技术

浓相高密度气固流化床主要通过气固两相的充分接触和稳态流动形成床层内各点密度均匀稳定的准散式鼓泡流化床，为入选物料按密度分层分离提供良好的环境。入选物料在气固流化床中的沉降行为差异是实现其分选/分离的先决条件。

现有技术中，针对浓相气固多相流中运动颗粒动力学数据测量的研究很少，仅有少量文献报道了使用高速动态摄影或者借助于外力场对颗粒沉降行为进行估测的方法，如借助于外加磁场或电场对颗粒运动进行间接测量等，但测量精度与可靠性都较低。

中国发明专利申请CN102778322A公开了一种浓相气固流化床中煤炭颗粒的受力测量装置，煤炭颗粒通过柔性绳索与高精度触点拉力器连接，当煤炭颗粒在气固流化床中呈不规则运动，高精度触点拉力器可以实时测量煤炭颗粒的受力信息。但是，由于上述受力测量装置使用柔性绳索和高精度触点拉力器，因此，其只能测量煤炭颗粒受到的拉力，而无法测量受到的推力，导致上述受力装置无法测量入选物料上下波动以及上浮过程中的动力学数据。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置、测量系统以及测量方法，解决了现有技术中无法测量颗粒上下波动以及上浮过程中的动力学数据的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置，包括压缩空气单元、加重质、气固流化床、密度球、刚性联接杆以及用于测量刚性联接杆位移的位移传感器；压缩空气单元的气流出口与气固流化床的进气口连通；加重质位于气固流化床中；密度球固定设置于刚性联接杆的底端。

进一步地，上述气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置还包括导向组件，导向组件包括导向环和支撑架；导向环通过支撑架设置于气固流化床的顶部；导向环套设置于刚性联接杆13的外侧。

进一步地，导向环内壁与刚性联接杆外壁之间的间隙为0.2mm～0.3mm。

进一步地，支撑架包括多个同轴设置的支撑环以及连接多个支撑环的多条连接筋；多条连接筋相交于支撑环的中心点处，多个支撑环与多条连接筋构成网状结构；导向环设置于支撑环与连接筋的连接处以及多条连接筋的相交处。

进一步地，导向组件的数量为多个，多个导向组件同轴设置。

进一步地，刚性联接杆为空心塑料杆。

进一步地，还可以包括至少两个压力传感器，压力传感器设置于气固流化床的内侧壁，且沿气固流化床的轴向布置。

另一方面，本发明还提供了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量系统，包括上述气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置。

进一步地，上述气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量系统还包括数据处理器和数据显示器；数据处理器获取位移传感器采集的位移数据，将位移数据对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降速度，瞬时沉降速度的最大值为密度球的沉降末速，将瞬时沉降速度对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降加速度；数据处理器将瞬时沉降速度、沉降末速和瞬时沉降加速度传送至数据显示器进行显示。

再一方面，本发明还提供了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量方法，包括如下步骤：

将加重质加入到气固流化床中至设定的静止床层高度；压缩空气给入气固流化床中，将密度球设置于气固流化床的床层顶部；待流化稳定后，将密度球自气固流化床的床层顶部释放，密度球进入气固流化床内中并在流化后的床层中运动；实时采集密度球的位移数据；获取采集的位移数据，将位移数据对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降速度，瞬时沉降速度的最大值为密度球的沉降末速，将瞬时沉降速度对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降加速度。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置，密度球与刚性联接杆刚性连接，两者联动。因此，位移传感器不仅可以测量密度球在下落沉降过程中的位移数据，同时还可以测量密度球在上下浮动过程中的位移数据。

b)本发明提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置结构简单、操作方便、易于控制、测量精度高，可靠性及重复性好，能实现浓相流场中运动颗粒动力学数据的准确测量，应用范围广。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置中导向组件的结构示意图；

图3为本发明实施例一的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置中密度球与刚性联接杆的连接关系示意图；

图4为本发明实施例一的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置中密度球在浓相流场中的受力示意图；

图5为本发明实施例二的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量系统的结构示意图。

图中：1-风机；2-蝶阀；3-风包；4-风压控制装置；5-转子流量计；6-布风室；7-布风板；8-气固流化床；9-密度球；10-卡槽；11-导向环；12-支撑架；13-刚性联接杆；14-位移传感器；15-信号转换器；16-数据采集输出装置；17-数据信号显示器；18-压力传感器；G_重-密度球自身重力；F_浮-流化床层浮力；F_曳-流体曳力。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种气固流化床浓相流场中运动颗粒动力学数据的测量装置，如图1至图4所示，包括压缩空气单元、加重质、气固流化床8、密度球9(直径约为13～50mm)、刚性联接杆13和位移传感器14。其中，压缩空气单元用于提供压缩空气，压缩空气单元的气流出口与气固流化床8的进气口连通；加重质位于气固流化床8中；密度球9固定设置于刚性联接杆13的底端；位移传感器14用于测量刚性联接杆13的位移。

需要说明的是，由于密度球9受到自身重力、床层浮力以及流体曳力的作用，在气固流化床8中下落沉降，流体曳力与密度球9的速度正相关，在起始位置，密度球9的重力大于床层浮力与流体曳力之和，密度球9加速下降，当密度球9的重力等于床层浮力与流体曳力之和时，密度球9的沉降速度最大，达到沉降末速。同样需要说明的是，对于不同密度的密度球9，其在气固流化床中的运动可以分为三种，具体来说，不同密度的密度球9进入气固流化床8中，密度较大的密度球9达到沉降末速的沉降距离较大，最终到达气固流化床8的床层下部区域，而密度较小的密度球9达到沉降末速的沉降距离较小，运动至床层中部和上部区域，密度更小的密度球9则会沉降后上浮至床层表面。

气固流化床中运动颗粒动力学数据测量时，压缩空气给入气固流化床8中，密度球9置于气固流化床8的床层顶部。待流化稳定后，将密度球9自气固流化床8的床层顶部释放，密度球9进入流化后的加重质中并在流化床层中下落沉降，刚性联接杆13与密度球9联动，位移传感器14实时采集刚性联接杆13的位移数据，即密度球9的位移数据，将密度球9的位移数据对时间做一阶微分，即可得到密度球9的瞬时沉降速度，速度的最大值即为密度球9的沉降末速；将瞬时沉降速度对时间做一阶微分，即可得到密度球9在气固流化床8上的加速度信息，上述瞬时沉降速度、沉降末速以及加速度即为密度球9的动力学数据，根据牛顿第二定律，可以计算得到密度球9在气固流化床8中的受力信息。

与现有技术相比，本实施例提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置，密度球9与刚性联接杆13刚性连接，两者联动，因此，位移传感器14不仅可以测量密度球9在下落沉降过程中的位移数据，同时还可以测量密度球9在上下浮动过程中的位移数据。

此外，上述气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置结构简单、操作方便、易于控制、测量精度高，可靠性及重复性好，能实现浓相流场中多种运动颗粒动力学数据的准确测量，应用范围广。

为了避免密度球9在加重质中运动时刚性联接杆13发生径向位移差，影响位移传感器14测得的轴向位移数据的准确性。上述测量装置还包括导向组件，该导向组件包括导向环11和支撑架12，导向环11通过支撑架12设置于气固流化床8的顶部；导向环11套设置于刚性联接杆13的外侧，用于对刚性联接杆13的轴向运动进行导向。通过导向组件对刚性联接杆13的轴向运动进行导向，能够限制其径向位移，从而提高上述测量装置的测量结果的准确性。

为了避免导向环11对刚性联接杆13的轴向运动产生干扰，导向环11的内壁与刚性联接杆13的外壁之间的间隙可以控制在0.2mm～0.3mm之间，例如，0.25mm。两者之间的间隙过小，导向环11会阻碍刚性联接杆13的轴向运动，两者之间的间隙过大，导向环11对刚性联接杆13的导向作用较小，刚性联接杆13会出现较大径向位移，无法保证密度球9沿轴向运动。

对于支撑架12的结构，具体来说，其可以包括多个同轴设置的支撑环以及连接多个支撑环的多条连接筋，多条连接筋相交于支撑环的中心点处，多个支撑环与多条连接筋构成网状结构，导向环11设置于支撑环与连接筋的连接处以及多条连接筋的相交处。支撑架12采用上述结构，整体稳定性较好；此外，由于支撑环与连接筋的连接处可以为多个，相应的，导向环11的数量也可以为多个，通过改变刚性联接杆13的位置，能够对气固流化床8中径向的不同位置进行动力学数据的测量。示例性地，支撑环的数量为2个，包括第一支撑环和第二支撑环，第一支撑环的直径为第二支撑环的直径的2倍；连接筋的数量为4条，如图2所示，可以看出，导向环11的数量为9个，其中一个位于4条连接筋的相交处，另外8个位于支撑环与连接筋相交处。

为了进一步避免刚性联接杆13的径向位移差，上述导向组件的数量可以为多个，多个导向组件同轴设置，通过连接丝(例如，铁丝)构成一个整体。相应地，导向环11的支撑架12的数量也为多个，刚性联接杆13依次穿过多个导向环11后，与密度球9固定连接。通过多个同轴设置的导向组件共同对刚性连接杆13的轴向运动进行导向，基本上能够避免其径向位移差，从而进一步提高上述测量装置的测量结果的准确性。示例性地，上述导向组件的数量可以为2个，也就是说，按位置的上下，导向组件可以分为上层导向组件和下层导向组件，上层导向组件与下层导向组件之间的距离为80～120mm(例如，100mm)。

为了提高整体结构的稳定性，上述导向组件可以通过卡槽10(例如，4个)与气固流化床8固定连接。对于导向组件、卡槽10和气固流化床8之间的连接方式可以有以下两种：卡槽10的槽口可以朝向气固流化床8，卡槽10与气固流化床8卡接，导向组件与卡槽10的一侧固定连接；或者，卡槽10的槽口可以朝向导向组件，卡槽10与导向组件卡接，气固流化床8与卡槽10的一侧固定连接。可以理解的是，为了方便安装，可以选择第一种连接方式。

为了减小刚性联接杆13的自重对密度球9的影响，其可以为空心塑料杆，这样能够尽量减小刚性联接杆13的自重，从而减小刚性联接杆13对密度球9的影响，提高上述测量装置的测量结果的准确性。为了进一步减小刚性联接杆13的自重，其直径可以小于或等于5mm；但是，刚性联接杆13的直径不可以过小，如果直径过小，空心刚性联接杆13容易弯折，因此，刚性联接杆13的直径应该大于或等于1mm，例如，3mm。

同样地，为了避免密度球9与刚性联接杆13的连接件的自重过大，两者可以通过塑料螺栓可拆卸地固定连接。

为了能够实时监测气固流化床8的轴向压降波动，上述测量装置还可以包括至少两个压力传感器18，压力传感器18设置于气固流化床8的内侧壁，且沿气固流化床8的轴向布置。示例性地，压力传感器18的数量可以为4个，4个压力传感器18分别设置在距离气固流化床8的底部10mm、60mm、110mm、160mm处，实时监测气固流化床8的轴向压降波动，根据压降波动结果，判别气固流化床8中的床层稳定性，并通过转子流量计5调整给入气固流化床8的气速以实现床层均匀稳定流化，保证密度球9动力学数据测定结果的稳定可靠。

对于压缩气体单元的结构，具体地，其可以包括依次连接的风机1、风包3、风压控制装置4和流量计5(例如，转子流量计)，流量计5的气体出口通过布风单元与气固流化床8的底部连通。空气经风机1鼓入风包3，再由风包3给入风压控制装置4，调整流量计5的气流通量，压缩空气给入布风单元。为了简单地控制压缩气体单元的开闭，风机1与风包3的连接管路上设有蝶阀2。

为了能够为气固流化床8均匀布风，上述测量装置还可以包括布风单元，具体地，其可以包括布风室6和布风板7，压缩气体单元的气体出口与布风室6的气体入口连通，布风室6的气体出口通过布风板7与气固流化床8的底部连通，布风板7设置于布风室6的上方，布风板7通过螺栓与气固流化床8固定连接，从而实现气固流化床8的均匀布风。

为了实现稳定的气固流化，床层内需加入一定量的加重质颗粒，例如高密度铁粉，真密度为7.8g/cm³，粒度为-0.3+0.074mm；或石英砂，真密度为2.6g/cm³，粒度为-0.5+0.3mm

为了保证颗粒沉降效果以及气固流化床8的稳定性，上述加重质的静床高应该控制在50～200mm，若静床高过低(<50mm)，密度球9在气固流化床8沉降的区域过小，影响沉降效果；若静床高过高(>200mm)，则导致深床层流化质量不佳，影响流化床稳定性。

为了提高上述测量装置的测量精度及准确性，上述位移传感器14可以选择为非接触式激光位移传感器，激光位移传感器设置于刚性联接杆13的正上方，激光位移传感器在竖直方向的射线刚好落在刚性联接杆13的顶端。具体来说，激光位移传感器的测量范围为160～450mm，量程为290mm，测量精度为0.5mm；为了与上述激光传感器的测量范围和量程相匹配，激光位移传感器的激光发射端与气固流化床8顶部的距离设置为460～550mm，与上层导向组件的距离为360mm～450mm。这是因为，考虑到传感器测量范围的限制：160～450mm，传感器与刚性联接杆13顶端距离至少设置为160mm，刚性联接杆13超过上层导向组件的长度应大于气固流化床8静床层高度的最大值(200mm)，因此，激光位移传感器距离上层导向组件的距离应在360mm～450mm之间。

实施例二

本实施例提供了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量系统，如图5所示，其包括数据处理器、数据显示器17以及实施例一提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置，数据处理器包括数据转换器15和数据输出器16，其获取位移传感器14采集的位移数据，将位移数据对时间做一阶微分，得到密度球9的瞬时沉降速度，瞬时沉降速度的最大值为密度球9的沉降末速，将瞬时沉降速度对时间做一阶微分，得到密度球9的瞬时沉降加速度；数据处理器将瞬时沉降速度、沉降末速和瞬时沉降加速度传送至数据显示器17进行显示。

与现有技术相比，本实施例提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量系统的有益效果与实施例一提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

可以理解的是，当实施例一中的测量装置包括压力传感器18时，该压力传感器18数据输出端的信号传输到数据显示器17上，以实时监测床层压差变化。

实施例三

本实施例提供了一种气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将加重质加入到气固流化床中至设定的静止床层高度，压缩空气给入气固流化床中，将密度球设置于气固流化床的床层顶部；

步骤2：待流化稳定后，将密度球自气固流化床的床层顶部释放，密度球进入气固流化床中并在流化后的床层中沿轴向运动，刚性联接杆与密度球联动；

步骤3：实时采集密度球的位移数据；

步骤4：数据处理器获取位移传感器采集的位移数据，将位移数据对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降速度，瞬时沉降速度的最大值为密度球的沉降末速，将瞬时沉降速度对时间做一阶微分，得到密度球的瞬时沉降加速度；数据处理器将瞬时沉降速度、沉降末速和瞬时沉降加速度传送至数据显示器进行显示。

与现有技术相比，本实施例提供的气固流化床浓相流场中颗粒运动动力学数据的测量方法的有益效果与实施例一提供的气固流化床中运动颗粒动力学数据的测量装置的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。