一種測(cè)量含顆粒氣流著火溫度的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)量氣流著火特性的系統(tǒng)和方法，具體說是一種測(cè)量含顆粒氣流 著火溫度的系統(tǒng)及方法，利用對(duì)沖射流的純一維特性及拉伸率可控的優(yōu)點(diǎn)，可視化測(cè)量含 顆粒氣流在有拉伸流場(chǎng)中的著火特性。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前研究含顆粒氣流（Particle-ladenFlow)特別是煤粉氣流著火特性的常用方 法，包括滴管爐法（DTF)、熱重分析法（TGA)、線網(wǎng)反應(yīng)器法、激光加熱反應(yīng)器法、平焰燃燒 器法等。這些方法均將含顆粒氣流粒置于均相無拉伸或拉伸率不可控、并且難以測(cè)量的流 場(chǎng)條件中。然而在實(shí)際燃煤系統(tǒng)中，比如煤粉，其受熱升溫的過程通常經(jīng)歷著復(fù)雜的、有拉 伸的流場(chǎng)條件，使得燃料顆粒與氣相間的非均相反應(yīng)和流動(dòng)擴(kuò)散存在競爭作用；另一方面 當(dāng)顆粒在流場(chǎng)中的Stokes數(shù)大于1時(shí)，發(fā)生明顯的相對(duì)滑移，致使顆粒與環(huán)境的傳質(zhì)傳熱 過程更為復(fù)雜。由于這兩方面原因，使其著火特性相對(duì)于無拉伸流場(chǎng)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出 現(xiàn)偏離。
[0003] 有別于傳統(tǒng)含顆粒流著火研究，要想獲得特定拉伸流場(chǎng)中的含顆粒流著火特性， 不僅需要建立可定量測(cè)量和控制調(diào)節(jié)拉伸率的高溫加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)要克服精確控制均 勻單分散顆粒流并實(shí)現(xiàn)可視化著火測(cè)量的難題。當(dāng)前測(cè)量拉伸率對(duì)著火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂?響的主要實(shí)驗(yàn)手段，為基于對(duì)沖射流的滯止流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。宏觀湍流的眾多細(xì)微結(jié)構(gòu)中包 含著強(qiáng)曲率和強(qiáng)拉伸率的渦管，其拉伸的影響很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，而對(duì)沖射流形成的滯止 面是具有純一維特性的拉伸流場(chǎng)，從而提供了可定量的精確實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)前滯止流場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 方法主要用于氣相均相著火和燃燒試驗(yàn)，而未見用于非均相含顆粒氣流著火的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種測(cè)量含顆粒氣流著火溫度的系 統(tǒng)及方法；具體來說，利用對(duì)沖射流的純一維特性及拉伸率可控的優(yōu)點(diǎn)，可視化測(cè)量含顆粒 流在有拉伸流場(chǎng)中的著火特性。該裝置及方法可以滿足能源、環(huán)保、化工、冶金、制藥、生物 等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用。
[0005] 本發(fā)明的目的之一在于提供一種測(cè)量含顆粒氣流著火溫度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有顆 粒發(fā)生裝置、氣體預(yù)熱噴嘴組件、含顆粒氣流噴嘴組件、承壓艙、熱電偶、成像裝置和測(cè)速裝 置；氣體預(yù)熱噴嘴組件和含顆粒氣流噴嘴組件安裝在承壓艙上，顆粒發(fā)生裝置通過管線與 含顆粒氣流噴嘴組件連通，成像裝置和測(cè)速裝置設(shè)置于承壓艙側(cè)面。
[0006] 優(yōu)選的，所述氣體預(yù)熱噴嘴組件與含顆粒氣流噴嘴組件分別安裝在承壓艙的上下 端面，并在同一軸線上相對(duì)布置，從而使預(yù)熱氣體與含顆粒氣流對(duì)沖射流形成滯止面，對(duì)沖 射流具有純一維特性及拉伸率可控的特點(diǎn)，形成的滯止面對(duì)稱中心沿軸線方向是具有純一 維特性的拉伸流場(chǎng)，并且可通過調(diào)節(jié)兩股對(duì)沖氣流的質(zhì)量流量比，改變含顆粒氣流發(fā)生著 火時(shí)的流場(chǎng)拉伸率條件，為可定量測(cè)量提供了精確的實(shí)驗(yàn)條件。
[0007] 優(yōu)選的，所述氣體預(yù)熱噴嘴組件包括上噴嘴，上噴嘴內(nèi)設(shè)置有第一級(jí)加熱裝置，上 噴嘴外設(shè)置有第二級(jí)加熱裝置，還包括水冷外殼，上噴嘴氣體入口和上噴嘴保護(hù)氣入口設(shè) 置于水冷外殼上，并通過管道穿過水冷外殼與上噴嘴連通；所述含顆粒氣流噴嘴組件包括 下噴嘴、下噴嘴保護(hù)氣入口、下噴嘴氣體入口、電機(jī)、旋葉、均流板以及下噴嘴外殼，所述旋 葉安裝在下噴嘴底部，所述電機(jī)與旋葉相連接，安裝在下噴嘴外殼底部，所述均流板安裝在 下噴嘴出口處，下噴嘴保護(hù)氣入口和下噴嘴氣體入口設(shè)置于下噴嘴外殼上，并通過管道穿 過下噴嘴外殼與下噴嘴連通。氣體預(yù)熱噴嘴組件的預(yù)熱溫度在298~1873K。
[0008] 優(yōu)選的，所述上噴嘴為雙層同心結(jié)構(gòu)噴嘴，包括內(nèi)壁和外壁，內(nèi)壁內(nèi)部為中心通 道，內(nèi)壁與外壁之間形成外層通道；第一級(jí)加熱裝置安裝在上噴嘴的內(nèi)壁內(nèi)部，第二級(jí)加熱 裝置環(huán)繞上噴嘴的外壁外部安裝；上噴嘴氣體入口連通至上噴嘴雙層同心結(jié)構(gòu)的中心通 道，上噴嘴保護(hù)氣入口連接至上噴嘴雙層同心結(jié)構(gòu)的外層通道；所述下噴嘴為雙層同心結(jié) 構(gòu)噴嘴，包括內(nèi)壁和外壁，內(nèi)壁內(nèi)部為中心通道，內(nèi)壁與外壁之間形成外層通道；下噴嘴氣 體入口連通至下噴嘴雙層同心結(jié)構(gòu)的中心通道，下噴嘴保護(hù)氣入口連接至下噴嘴雙層同心 結(jié)構(gòu)的外層通道。通過該噴嘴結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)精確控制的均勻分散含顆粒氣流。
[0009] 優(yōu)選的，所述均流板采用金屬材質(zhì)薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，均流板壁厚與下噴嘴內(nèi)徑的比 值在1:500~1:50 ;所述旋葉的葉片數(shù)在2~10片，葉片水平傾角在5~90°，轉(zhuǎn)速在0~ lOOOOrpm?；谛~物理碰撞方式使上游含顆粒氣流中出現(xiàn)團(tuán)聚的顆粒發(fā)生解聚，此過程 不改變顆粒的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，可獲得均勻彌散的顆?？臻g分布特性，再通過薄壁金屬蜂 窩導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，重整含顆粒氣流流場(chǎng)，使出口獲得穩(wěn)定的層流特性。
[0010] 優(yōu)選的，所述上噴嘴（7)與下噴嘴（15)的內(nèi)徑為4~100_，噴嘴外徑依據(jù)噴嘴的 外層通道和中心通道截面積相近的原則選取，噴嘴的尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模和待測(cè)含顆粒氣流 的特性來選擇，材質(zhì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度范圍可分別選擇金屬、石英玻璃或剛玉管；上下噴嘴工作 氣體質(zhì)量流量均為〇. 01~100SLM，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中需要達(dá)到的拉伸率條件來選擇；上下噴 嘴的保護(hù)氣體的質(zhì)量流量均為〇. 05~100SLM，根據(jù)由工作氣體對(duì)沖形成的滯止流場(chǎng)穩(wěn)定 新來選擇保護(hù)氣的質(zhì)量流量；保護(hù)氣體為氮?dú)狻鍤饣蚺c工作氣體相同。
[0011] 優(yōu)選的，顆粒發(fā)生裝置采用刮板式給粉器、流化床式給粉器或碰撞解聚式給粉器， 給粉量在0. 01~l〇〇g/min，顆粒發(fā)生裝置的氣體出口通過管線與含顆粒氣流噴嘴組件的 下噴嘴氣體入口連接。
[0012] 優(yōu)選的，所述熱電偶采用K、S、B或W型熱電偶，通過支撐構(gòu)件安裝于承壓艙內(nèi)，熱 電偶線徑為〇. 05~0. 5mm，熱電偶頭部為圓形或橢圓形。
[0013] 優(yōu)選的，所述成像裝置和測(cè)速裝置的光軸布置在與上噴嘴和下噴嘴的軸線垂直的 方向上。所述成像裝置采用單鏡頭反光相機(jī)、高速相機(jī)、增強(qiáng)電荷耦合CCD，其成像分辨率 高于480x480像素。所述測(cè)速裝置采用多普勒激光測(cè)速儀（LDA/PDA)或粒子圖像測(cè)速裝置 (PIV) 〇
[0014] 優(yōu)選的，所述承壓艙上安裝有氣體出口，承壓艙側(cè)面安裝有觀察窗。所述承壓艙的 工作氣壓范圍為0~2MPa;氣體出口的數(shù)量為2~8個(gè)，均布在承壓艙的端面上；氣體出口 可連接調(diào)節(jié)閥門，用以控制排氣流量和承壓艙內(nèi)的氣壓；觀察窗采用石英光學(xué)玻璃，數(shù)量為 2~4個(gè)，對(duì)稱安裝在承壓艙側(cè)面。通過觀察窗實(shí)現(xiàn)可視化測(cè)量，可直接獲得顆粒的數(shù)濃度、 著火點(diǎn)和著火延遲時(shí)間。承壓艙結(jié)構(gòu)密封，適用于低壓或高壓環(huán)境。
[0015] 本發(fā)明的另一目的在于還提供一種采用如上述測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量含顆粒氣流著火 溫度的方法，該方法包含如下步驟：
[0016] 1)預(yù)熱對(duì)沖：將氮?dú)夂脱鯕獍幢壤旌喜⒎殖蓛陕?，一路通入上噴嘴，?jīng)由第一 級(jí)加熱裝置和第二級(jí)加熱裝置預(yù)熱后噴出，另一路通入顆粒發(fā)生裝置，攜帶顆粒后形成含 顆粒氣流并順次進(jìn)入下噴嘴，通過旋葉的高速碰撞作用進(jìn)行二次彌散，旋葉的轉(zhuǎn)速選取應(yīng) 同時(shí)滿足以下關(guān)系式：
[0017]
[0018]
[0019] 式中，隊(duì)為顆粒與葉片的估算撞擊次數(shù)；Sb為旋葉單個(gè)壓片的寬度，單位m;0為 旋葉單個(gè)葉片與水平面的夾角，單位° ;Vg為下噴嘴內(nèi)氣流平均速度，單位m/s;r^為旋葉轉(zhuǎn) 速，單位rpm;b為旋葉的葉片數(shù)，單位個(gè)；V。為估算平均撞擊速度，單位m/s;rb為旋葉半徑， 單位m;
[0020] 經(jīng)過旋葉的二次彌散作用后，下噴嘴的含顆粒氣流中顆粒的空間分布更為均勻； 通過均流板整流后，最終在下噴嘴出口處形成均勻分散的含顆粒層流氣流，并與來自上噴 嘴的熱氣流相向?qū)_形成滯止流場(chǎng)；上噴嘴和下噴嘴的保護(hù)氣入口均通入氮?dú)猓靡栽趪?嘴出口處形成保護(hù)氣層，隔離噴嘴氣流和環(huán)境氣流，并起到穩(wěn)定流場(chǎng)的作用；通過設(shè)