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带纵向涡发生器喷动床内颗粒流动特性PIV实验

更新时间:2009-03-28

引 言

喷动床是在 20世纪 50年代初期由加拿大Mathur等[1]为干燥小麦等一些颗粒状的谷类而设计,作为高效气固接触器喷动床已广泛应用到许多领域,如干燥[2-3]、涂层[4-6] 、化学反应[7-8]、气化[9-11]、燃烧[12]、热解[13-14]等。随着喷动技术应用范围的不断推广及其研究的深入,国内外研究者提出了各种结构改进措施,例如导向管喷动床[15-16]、多喷头喷动床[17-18]、喷动流化床[19-20]、旋转喷口喷动床[21]、射流喷动床[22]等。传统喷动床内的介质颗粒具有明显的内外分层流动特点,床层内颗粒缺少径向混合,使得部分颗粒的表面未能获得充分利用,对床内传热传质产生不利的影响[23]。纵向涡流作为一种强化传热技术,通过诱导涡旋来减薄或破坏壁面边界层进而实现其强化换热[24]。本文设计将纵向涡流技术引入喷动床气固两相流动过程,通过纵向涡流强化喷动床内颗粒、气体的径向混合与动量传递,以期为纵向涡流技术在多相流动领域特别是喷动床内气固两相流动领域的应用提供参考[25]

粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)作为一种新型的光学测量技术克服了传统测量方法的劣势和局限,可以在不接触、不干扰流场的情况下,测量得到整个流场的瞬态信息,同时又可以对流场进行定性显示[26-27]。粒子图像测速技术发明于20世纪80年代初期,经过近几十年的发展已经逐渐趋于成熟,此技术不但在单相流测量和两相流测量方面得到了较为广泛的作用,而且也逐渐扩展到多相流的测量,在流态化工程领域发挥着越来越重要的作用[28]。本文利用PIV技术研究分析纵向涡流强化喷动床内颗粒径向运动能力及颗粒密度、颗粒直径对带纵向涡发生器喷动床内颗粒相运动规律的影响。

1 实验部分

1.1 实验设备

本实验所用玻璃制柱锥形喷动床内径为 152 mm,床体高度为700 mm,底部倒锥角为60 °,气体入口喷嘴内径为19 mm。PIV数据采集系统主要由光源系统、成像系统、图像采集、处理系统组成,如图1所示。PIV系统的激光片光源采用Newwave公司的Mini-YAG双脉冲激光器,最大能量为200 MJ,最大脉冲频率为21 Hz,发射波长为532 nm的绿光。CCD相机采用Dantec公司的FlowSense 4M MkⅡ型相机,全帧像素分辨率为2048×2048,最大帧速21 帧/秒。计算机通过同步器控制相机拍摄与激光片光触发。将单独加工好的纵向涡流扰流件插入喷动床内,以实现喷动床内气、固两相的复杂涡流运动。以单排球状纵向涡流发生器扰流元件为例,纵向涡流发生器的安装及结构尺寸设计如图2、图3所示,纵向涡流发生器由导流板及扰流元件对组成,扰流元件外形为球体。通过实验对比分析有、无纵向涡流发生器情况下喷动床内颗粒相的运动规律及有纵向涡发生器时颗粒直径及颗粒密度对喷动床内喷射区及环隙区颗粒运动的影响。

  

图1 实验系统Fig.1 Schematic diagram of experimental system

  

图2 实验用喷动床结构Fig.2 Spouted bed for experimental measurement(unit: mm)

  

图3 带有一对球形扰流元件纵向涡发生器结构及尺寸Fig.3 Structure and size of longitudinal vortex generator in spouted bed

1.2 实验方法

实验利用空气压缩机产生气体,质量流量控制器测量气量,气体从入口喷嘴涌入,通过调节使入口流量为400 L·min1,使其静床层高度为180 mm,具体实验步骤如下。

(1)喷动颗粒选用密度为2200 kg·m3、平均直径为0.72 mm的玻璃珠,当床内喷动达到稳定状态时,利用PIV捕捉和记录喷射区、环隙区颗粒运动情况并用Dynamic Studio软件对测量结果进行处理分析,获得运动颗粒的径向速度分布。

虽然吸纳创新具有较高的应用度,已经在国际上受到了许多国家的肯定和推广使用。但这种方式需要在短时间内接受较多的信息,通过收集各个国家的贸易创新方式来进行进一步筛选。由于各个国家的贸易创新方式存在较大的差异,其包含的内容也较为广泛。所以在进行资料的收集和整理时,工作人员的工作量往往较大,而工作人员在开展相应的银行融资工作时,所以难以提高相应的融资工作效率,影响了吸纳创新工作的开展,而在实际的国际贸易融资市场应用时,还缺乏相应的有效性和可行性。

(2)在喷动床内加入纵向涡发生器重复上述实验,继续利用PIV进行测量,当床内达到稳定喷动时,记录喷射区、环隙区颗粒运动情况并用相应的软件进行速度场的分析。

1.5 统计学处理 采用SPSS20.0软件进行统计分析,计量资料以表示,组间比较采用独立样本t检验,组内比较采用配对t检验,计数资料以例数或百分率表示,组间比较采用χ2检验;以P<0.05为差异有统计学意义。

  

图4 实验测量喷动床横截面Fig.4 Schematic diagram of cross section selected in spouted bed

  

图5 喷动床横截面内颗粒径向速度矢量图对比Fig.5 Particles vector diagram in cross section of spouted bed

(4)喷动颗粒选用平均直径为 0.72 mm,颗粒密度为 1897 kg·m3的玻璃砂、2200 kg·m3的石英砂、2603 kg·m3的水处理砂(颗粒密度采用比重法多次测量取平均值),加入纵向涡发生器,当床内喷动达到稳定状态时,重复上述步骤。

2 结果与讨论

2.1 纵向涡流对喷动床颗粒运动的影响

图10为颗粒密度对带纵向涡发生器喷动床内的颗粒运动的影响。在相同的平均直径下选取密度不同的玻璃砂、石英砂、水处理砂进行实验对比分析。由图可知,密度为1897 kg·m3时颗粒径向运动强化效果最好,且颗粒密度越小,颗粒随纵向涡流运动的效果越显著。这是因为颗粒质量与颗粒密度呈正比,因而密度越小的颗粒所获的加速度越大,颗粒被气相涡旋运动的带动的效果越显著,颗粒径向速度越大。

图5为有、无纵向涡流发生器时喷动床横截面内颗粒径向速度矢量分布。由图可知,无纵向涡发生器时,颗粒相的径向速度在床内横截面呈现轴对称的分布规律。纵向涡流发生器的加入,使经过其影响区域的高速气体产生涡流运动,并带动颗粒在床内尤其是环隙区产生大量二次介尺度细小旋涡流,增加气体、颗粒的径向运动能力,进而强化了喷射区和环隙区间颗粒与颗粒、气体与颗粒之间的横向混合,有效降低了喷动床环隙区内颗粒分层流动的问题。

(3)开封器、加封器接口软件的开发:该软件至少包含从电子铅封内读数据、向电子铅封内写数据、向计算机发数据、接受计算机数据等功能。

进一步分析颗粒直径对带纵向涡发生器喷动床内的颗粒运动的影响,在相同的密度下选取平均直径不同的玻璃珠进行实验对比分析,图8、图9给出了颗粒径向速度矢量分布及径向速度值大小对比。由图可知,平均直径为0.72 mm时颗粒径向运动强化效果最好,且在喷动床稳定喷动范围内颗粒直径越小,产生纵向涡流的效果越显著,纵向涡流带动颗粒运动的效果越佳。这是因为随着粒径的减小,一方面颗粒比表面积增大,在相同气体速度下,气体对单位质量颗粒的作用力增大。另一方面,颗粒质量及其运动惯性力随着颗粒直径的减小而降低,综合而言,导致气体带动颗粒运动的涡流效应增强。

(3)喷动颗粒选用密度为2200 kg·m3,平均直径分别为0.72、1.13、1.42 mm的玻璃珠(利用标准工程筛筛取),加入纵向涡发生器,当床内喷动达到稳定状态时,重复上述步骤。

  

图6 喷动床横截面颗粒径向速度选取位置Fig.6 Location of particles velocity selected in cross section of spouted bed

  

图7 喷动床横截面内颗粒径向速度沿径向距离变化对比(d为径向距离,D为喷动床柱体直径)Fig.7 Effect of d/D on particle radial velocity

  

图8 不同颗粒直径对横截面内颗粒径向速度矢量的影响Fig.8 Particles vector diagram in cross section under different particle diameter

2.2 颗粒直径的影响

进一步对床内横截面处颗粒相径向运动速度进行定量分析,纵向涡发生器的加入,出现了气体、颗粒的径向运动情况,进而破坏了床环隙内的轴向颗粒分布规律性,故在横截面内导流板附近及靠近环隙区位置取3条平行的线(图6),分别提取这3条线上的颗粒径向速度值进行对比分析。图7为在3条平行线处颗粒径向速度测量值的对比情况。由图可知,颗粒径向速度在轴心左右两侧的运动方向相反。加入纵向涡发生器后,颗粒的径向速度较无纵向涡发生器的颗粒径向速度显著提升,环隙区颗粒径向速度的增加明显优于喷射区,这说明纵向涡流有效强化了颗粒的运动,其强化规律与图5所得到颗粒径向速度矢量分布规律相吻合。

2.3 颗粒密度的影响

  

图9 颗粒直径对颗粒径向速度分布影响Fig.9 Effect of particle diameter on particle radial velocity

利用PIV实验装置分别对喷动床内有(扰流件为单对球体)、无纵向涡发生器时颗粒的径向速度进行测量分析(图4),选取高度H(即所测横截面距入口喷嘴高度)为230 mm横截面处的颗粒运动进行测量。通过激光数据采集重点研究喷动床内纵向涡流发生器下游横截面内颗粒相运动情况。

  

图10 颗粒密度对颗粒径向速度分布影响Fig.10 Effect of particle density on particle radial velocity

3 结 论

(1)纵向涡发生器的加入,使颗粒相在喷动床喷射区及环隙区的横截面内产生了大量旋涡流,颗粒相的径向速度得到有效提升,表明纵向涡发生器能够有效强化喷动床内颗粒相的径向运动,从而强化喷射区及环隙区内气体、颗粒的横向混合。

中国是阿朗新科业务发展的重要战略市场之一。在公司旗下最尖端、最先进的生产基地之一的常州三元乙丙橡胶(EPDM)工厂,阿朗新科不断升级改进这一全球最大的EPDM生产线,以满足日益提升的客户需求。工厂专注绿色生产,采用Keltan ACETM催化技术,具有低能耗、无催化剂废弃物、低成本、高质量和多样化开发潜力等多方位的优点。阿朗新科位于常州的尖端橡胶技术中心(RTC)是其全球最先进的橡胶测试中心之一,具有强大的研发实力。

(2)喷动床稳定喷动范围内,颗粒直径及颗粒密度越小,纵向涡流对颗粒相径向运动的强化效果越佳。

第二类工程包括封禁标牌、拦护设施、梯田、树盘、经济林、水土保持林、水土保持种草、谷坊等工程,这几类是传统水土保持工程,虽然尚未颁布专用的质量评定标准,但施工工艺成熟,控制项目和指标较清晰,因此应根据工程的具体施工工艺,制定合理的控制项目和指标,确定评定标准。并且在制定过程中,针对部分项目,可直接参考水利工程标准,尤其是在砌石工艺上采用较多,可直接参考规范中关于砌石的质量评定标准。对于林木和种草措施,可参考园林绿化的标准,并对其进行简化,符合生态清洁小流域治理工程的情况。

(3)可进一步通过实验研究颗粒直径、密度等参数的有效设计范围,从而为工程应用提供相关依据。

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尚灵祎,吴峰,马晓迅
《化工学报》 2018年第05期
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