專利名稱：一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法，屬于氣固流化床技術和多相流測量技術領域。
背景技術：
噴動床是一種特殊條件下的流化床，可以處理粗大窄篩分顆粒。氣流通過一個小孔或噴嘴垂直向上射入，形成一個逐漸向上延伸的射流區(qū)，當噴射速度足夠高時，射流穿透床層而形成一個迅速穿過床層中心向上運動的稀相氣固流栓。當這些粒子升至一定高度時，顆粒會像噴泉一樣因重力而回落到環(huán)隙區(qū)表面。這些回落的顆粒緩慢向下移動，直至重新被射流卷吸，參與新的循環(huán)。因此，噴動床的流型呈現(xiàn)明顯的三區(qū)噴動區(qū)、噴泉區(qū)和環(huán)隙區(qū)。顆?；旌暇褪菍崿F(xiàn)不同組分之間盡可能相互混合的一個復雜操作過程，顆?；旌闲袨榉磻舜矁阮w粒的運動及傳遞特性，是認識噴動床氣固傳熱和傳質機理的關鍵，對于噴動床反應器的設計和結構參數(shù)的優(yōu)化具有重要的意義。顆粒濃度是表征顆?；旌铣潭鹊囊粋€重要參數(shù)，獲取床內顆粒濃度是研究顆?；旌系年P鍵。目前，國內外研究者發(fā)展了諸如鹽顆粒、熱顆粒、磷光顆粒、染色顆粒、磁性顆粒以及放射性顆粒等眾多的測量方法，用于直接或間接獲取顆粒濃度。在這些方法中，鹽示蹤顆粒方法是較早也是較為廣泛地在流化床中使用的，它通過測定一定量取出顆粒溶解于水后的溶液的電導率來分析示蹤顆粒的濃度，因此該方法的優(yōu)點是測量直接、迅速、成本低，但存在不蹤顆粒在床內的積累及顆粒注入時對床內流場有一定的干擾等缺點。熱顆粒不蹤方法也是較常用的一種測量混合行為的方法，該方法不會對床內顆粒產生污染而且檢測比較容易，但最大缺點是熱示蹤顆粒在冷氣流的作用下溫度衰減很快，在分析和計算時需要額外考慮這部分熱損失，同時準確測量顆粒溫度也是實驗技術中十分困難的問題。磷光顆粒示蹤方法克服了示蹤顆粒注入時對流場的擾動，實現(xiàn)了靈敏度非常高的在線檢測，一種非常理想的研究床內軸徑向混合行為的測量方法，但該方法也存在磷光顆粒余輝強度會隨時間逐漸衰減而無法被檢測器檢測的問題，且對于較密集的流化床示蹤顆粒往往容易被其它的床料遮擋而影響實驗精度。上述幾種方法都存在一個共同的缺點，只能實現(xiàn)定點檢測，不能實現(xiàn)全場檢測，而且在獲取稠密區(qū)顆粒濃度存在局限性。同時，這些方法都適用于流化床，但在噴動床上還沒有實施案例。隨著噴動床在工程應用領域的日益擴展，一些復雜的氣固兩相流動，尤其是球形顆粒/非球形顆粒多組分的混合過程也不斷出現(xiàn)，已有的針對球形顆粒的認識應用于這些復雜過程尚有一定的局限性，迫切需要對噴動床非球形顆粒的測量方法進行深入的研究。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明針對目前以非球形顆粒作為主要燃料的噴動床得到日益重用， 對非球形顆粒噴動床氣固流動特性和顆粒混合特性的研究越來越重要，而通過測量顆粒濃度研究顆粒混合的方法受到測量方法的制約，難以實現(xiàn)全場測量，尤其是稠密區(qū)域，提供了一種氣固流化床非球形顆粒濃度的測量方法，該方法操作簡單、使用方便，可以實現(xiàn)全場無死角檢測。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種獲取噴動床非球形顆粒濃度的方法。本發(fā)明的思路是通過動態(tài)圖像分析和靜態(tài)床層取樣的聯(lián)合運用，分別獲取噴動床稀疏高速區(qū)(噴動區(qū)和噴泉區(qū))和稠密低速區(qū)(環(huán)隙區(qū))的顆粒濃度，其中，動態(tài)圖像分析通過高速數(shù)碼CCD攝取高清數(shù)碼圖像，然后對圖像進行逐幀分析定位非球形顆粒，進而獲得目標區(qū)域的顆粒濃度，靜態(tài)床層取樣采用插板盒從頂部快速插入噴動床床體提取整體床層并徑向分區(qū)，梳形板軸向彈性分區(qū)獲得含非球形顆粒的混合物樣本，通過對樣本進行篩分分析而獲得目標區(qū)域顆粒濃度。所述插板盒呈現(xiàn)抽屜狀，由底板、多孔板、側板、分區(qū)板和手把組成；底板形狀與噴動床床體相似，寬度W1 =Wb，長度L1 = U，其中，Wb為噴動床寬度，Ltl為靜止床層高度；多孔板與底板垂直相連，在多孔板上均勻開設小孔，孔徑D1=Ilmm,開孔率Jl1 = 5 10%;側板分別與底板和多孔板垂直相連，寬度W2 = Db，長度L2 = L1 — (W1 — Ws)/2 X tana，其中，Db 是噴動床深度，胃3是噴動口寬度，a是噴動床錐角；每塊分區(qū)板都分別與底板和多孔板垂直相連，間距S1 = 2 8Dmaxp，寬度W3 = W2,與側板相近的分區(qū)板長度L3 = L2 + S1X cot a，之后以S1Xcota遞增，其中，Dmaxp為床內最大顆粒的尺寸；多孔板在中心處與手把相連。所述的梳形板呈現(xiàn)梳形狀，葉片寬度S2 = S1+ I ,高度H1=W2,葉片數(shù)量Ii1彡n2，其中，n2為徑向分區(qū)數(shù)，I為分區(qū)板厚度。有益效果與常規(guī)的測量噴動床顆粒濃度的方法相比較，本發(fā)明具有如下的特色及優(yōu)點
I、本發(fā)明在傳統(tǒng)床層塌落法的基礎上，改進了插板/隔板取樣法，針對噴動床的床型特點，將動態(tài)圖像處理和靜態(tài)床層取樣有機結合，實現(xiàn)了對噴動床高速稀疏區(qū)和低速稠密區(qū)顆粒濃度的分區(qū)測量。2、采用插板盒從床體頂部瞬時插入床內對床層進行徑向分區(qū)，解決了傳統(tǒng)床層塌落法取樣時由于重力作用而使顆粒出現(xiàn)再分布現(xiàn)象，避免了測量過程中產生的二次誤差， 提高了測量的準確性。3、在床層已被徑向分區(qū)的基礎上，采用梳形板進行軸向彈性分區(qū)，這樣既可以對整床進行取樣分析，也可以對特殊區(qū)域進行針對性取樣。4、通過快速數(shù)碼C⑶攝取動態(tài)床層圖像，并對圖像進行逐幀分析獲取顆粒濃度， 這樣可以實現(xiàn)對噴動床高速稀疏區(qū)的在線連續(xù)取樣。


圖I是本發(fā)明的一種噴動床顆粒濃度的測量方法示意圖，
圖2是本發(fā)明的一種噴動床顆粒濃度的測量方法中的插板盒示意圖，
圖3是本發(fā)明的一種噴動床顆粒濃度的測量方法中的梳形板示意圖，
其中有噴動床I、高速數(shù)碼CCD2、插板盒3、梳形板4、底板5、多孔板6、側板7、分區(qū)板
8、手把9、葉片10。
具體實施例方式以下參照圖廣3詳細說明本發(fā)明實施。本實施例在以本技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。本實施例采用矩形平度噴動床，床體尺寸為寬度100mm，深度30mm，高度250mm。 噴口尺寸為寬度IOmm,深度30mm。床料采用聚苯乙烯顆粒,粒徑為2. 8mm,非球形顆粒為圓柱形稻桿，直徑2mm,高度8mm。起始時,床料與非球形顆粒以完全分離方式布置,床料放置在下層，非球形顆粒放置在上層，床料層高80mm，非球形顆粒層高20mm，兩者體積比為4 I，總的靜止床高為100mm。首先，啟動床層，逐漸增大風速，待風速增大到I. 2vmln時，保持床層運行20分鐘， 使床料與非球形顆粒達到最大混合程度，其中，Kfflin為床料與非球形顆?；旌衔锏淖钚妱铀俣?。其次，對高速稀疏的噴動區(qū)和噴泉區(qū)進行攝片分析，以定位非球形顆粒，進而獲得顆粒濃度。第一步先進行攝片環(huán)節(jié)。打開快速數(shù)碼(XD，該CXD擁有高分辨率1280X1024， 全分辨率下攝片頻率可達到1000幀/秒?？紤]到噴動速度為I. 2vmln時噴動區(qū)和噴泉區(qū)顆粒的流動速度范圍，設定攝取頻率為500幀/秒。以攝取一次圖像為一個周期，一個周期獲得500張像片，每張像片之間相隔時間為0. 002s，隔30秒后再進入下一個周期，這樣連續(xù)進行5個周期，攝取5次圖像，共攝取含有顆粒分布信息的2500張像片。第二步進行圖像分析處理，具體過程為根據(jù)顆粒尺寸和床體尺寸劃定取樣區(qū)域大小為IOmmX IOmmX IOmm ;在每一張像片上，統(tǒng)計取樣區(qū)域內的非球形顆粒數(shù)量，顆粒的具體位置以顆粒中心是否在取樣區(qū)域內；對于有顆粒重疊的像片，根據(jù)前后連續(xù)像片的顆粒軌跡，確定重疊的顆粒數(shù)量， 并計算進總數(shù)內；考慮到位于邊界處的顆粒在連續(xù)像片中有可能游離于取樣區(qū)域外，需要對一個周期內的所有像片進行規(guī)格化統(tǒng)計處理，獲取每個區(qū)域內非球形顆粒的數(shù)量；為了減小誤差，對5個周期內的像片均進行以上處理，并進行平均化處理；對于每一個區(qū)域，顆粒數(shù)比總顆粒數(shù)即為該區(qū)域的顆粒濃度。然后，對低速稠密的環(huán)隙區(qū)進行取樣分析，以獲得顆粒濃度?？焖偾袛鄧妱语L，同時，迅速將插板盒從床層頂部插入，此時，床內的殘余氣體從孔板中的小孔流出，顆粒在下落的過程中床層即被徑向分區(qū)。插板盒共分9個區(qū)，中間區(qū)域間隔20mm，左右兩邊各4個區(qū)，每區(qū)間隔10mm。待顆粒靜止后，將床體傾斜，把插板盒從床內抽出，此時，床內顆粒已被完全取出，并被徑向分成9個樣本。接著，將采用梳形板對樣本進行軸向分區(qū)。葉片寬度為
9.5mm,分區(qū)板0. 5mm,葉片共4個。以IOmm高度為基準,將兩側的4個樣本同時進行軸向分區(qū)，收集分區(qū)后的每個樣本。采用篩分法，將每個樣本分成床料和非球形顆粒，并統(tǒng)計非球形顆粒的數(shù)量，對于每一個樣本，顆粒數(shù)比總顆粒數(shù)即為該樣本的顆粒濃度。最后，將通過動態(tài)圖像分析和準動態(tài)床層取樣獲得的顆粒濃度進行匯總，部分結果如下
噴動區(qū)
X/5000000. I0. I0. I00. IY/10000. 050. 150. 250. 350. 450. 550. 650. 75C000. 0010. 00100. 00120. 00130. 0010. 0014
嗔泉區(qū)
權利要求
1.一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法，其特征在于通過動態(tài)圖像分析和靜態(tài)床層取樣的聯(lián)合運用，分別獲取噴動床(I)稀疏高速區(qū)和稠密低速區(qū)的顆粒濃度，其中，動態(tài)圖像分析通過高速數(shù)碼CXD (2)攝取高清數(shù)碼圖像，然后對圖像進行逐幀分析定位非球形顆粒，進而獲得目標區(qū)域的顆粒濃度，靜態(tài)床層取樣采用插板盒(3)從頂部快速插入噴動床床體提取整體床層并徑向分區(qū)，梳形板(4)軸向彈性分區(qū)獲得含非球形顆粒的混合物樣本， 通過對樣本進行篩分分析而獲得目標區(qū)域顆粒濃度。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法，其特征在于所述插板盒(3)呈現(xiàn)抽屜狀，由底板(5)、多孔板(6)、側板(7)、分區(qū)板(8)和手把(9)組成；底板形狀與噴動床床體相似，寬度W1 = Wb，長度L1 = Lci,其中，Wb為噴動床寬度，L0為靜止床層高度；多孔板與底板垂直相連，在多孔板上均勻開設小孔，孔徑D1=Ilmm,開孔率Il1 = 5 10%;側板分別與底板和多孔板垂直相連，寬度W2 = Db，長度L2 = L1 -(W1-Ws)^Xtana , 其中，Db是噴動床深度，Ws是噴動口寬度，a是噴動床錐角；每塊分區(qū)板都分別與底板和多孔板垂直相連，間距S1 = 2 8Dmaxp，寬度W3 = W2,與側板相近的分區(qū)板長度L3 = L2 + S1Xcota，之后以S1Xcota遞增，其中，Dmaxp為床內最大顆粒的尺寸；多孔板在中心處與手把相連。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法，其特征在于所述的梳形板(4)呈現(xiàn)梳形狀，葉片(10)寬度S2 = S1+^，高度H1=W2，葉片數(shù)量Ii1 Sn2，其中，n2 為徑向分區(qū)數(shù)，€為分區(qū)板厚度。
全文摘要
一種噴動床非球形顆粒濃度的測量方法，通過動態(tài)圖像分析和靜態(tài)床層取樣的聯(lián)合運用，分別獲取噴動床稀疏高速區(qū)和稠密低速區(qū)的顆粒濃度，其中，動態(tài)圖像分析通過高速數(shù)碼CCD攝取高清數(shù)碼圖像，然后對圖像進行逐幀分析定位非球形顆粒，進而獲得目標區(qū)域顆粒濃度，靜態(tài)床層取樣采用插板盒從頂部快速插入噴動床床體提取整體床層并徑向分區(qū)，梳形板軸向彈性分區(qū)獲得含非球形顆粒的混合物樣本，通過對樣本進行篩分分析而獲得目標區(qū)域顆粒濃度。本發(fā)明在傳統(tǒng)床層塌落法的基礎上，改進了插板/隔板取樣法，同時針對噴動床同床多區(qū)異性的床型特點，將動態(tài)圖像處理和靜態(tài)床層取樣有機結合，實現(xiàn)了對噴動床高速稀疏區(qū)和低速稠密區(qū)顆粒濃度的分區(qū)測量。
文檔編號G01N15/06GK102608007SQ20121005254
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2012年3月2日
發(fā)明者張勇, 金保昇, 鐘文琪 申請人:東南大學