一種測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)明涉及一種測量氣流著火特性的系統(tǒng)和方法，具體說是一種測量含顆粒氣流 著火溫度的系統(tǒng)及方法，利用對沖射流的純一維特性及拉伸率可控的優(yōu)點，可視化測量含 顆粒氣流在有拉伸流場中的著火特性。
【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、并且難以測量的流 場條件中。然而在實際燃煤系統(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 伸的流場條件，使得燃料顆粒與氣相間的非均相反應(yīng)和流動擴散存在競爭作用；另一方面 當(dāng)顆粒在流場中的Stokes數(shù)大于1時，發(fā)生明顯的相對滑移，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，使其著火特性相對于無拉伸流場條件下的實驗數(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中的含顆粒流著火特性， 不僅需要建立可定量測量和控制調(diào)節(jié)拉伸率的高溫加熱實驗系統(tǒng)，同時要克服精確控制均 勻單分散顆粒流并實現(xiàn)可視化著火測量的難題。當(dāng)前測量拉伸率對著火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂?響的主要實驗手段，為基于對沖射流的滯止流場實驗系統(tǒng)。宏觀湍流的眾多細(xì)微結(jié)構(gòu)中包 含著強曲率和強拉伸率的渦管，其拉伸的影響很難進行實驗研究，而對沖射流形成的滯止 面是具有純一維特性的拉伸流場，從而提供了可定量的精確實驗方法。當(dāng)前滯止流場實驗 方法主要用于氣相均相著火和燃燒試驗，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] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種測量含顆粒氣流著火溫度的系 統(tǒng)及方法；具體來說，利用對沖射流的純一維特性及拉伸率可控的優(yōu)點，可視化測量含顆粒 流在有拉伸流場中的著火特性。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布置，從而使預(yù)熱氣體與含顆粒氣流對沖射流形成滯止面，對沖 射流具有純一維特性及拉伸率可控的特點，形成的滯止面對稱中心沿軸線方向是具有純一 維特性的拉伸流場，并且可通過調(diào)節(jié)兩股對沖氣流的質(zhì)量流量比，改變含顆粒氣流發(fā)生著 火時的流場拉伸率條件，為可定量測量提供了精確的實驗條件。
[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)置有第一級加熱裝置，上 噴嘴外設(shè)置有第二級加熱裝置，還包括水冷外殼，上噴嘴氣體入口和上噴嘴保護氣入口設(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、下噴嘴保護氣入口、下噴嘴氣體入口、電機、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；第一級加熱裝置安裝在上噴嘴的內(nèi)壁內(nèi)部，第二級加熱 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粒空間分布特性，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，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)實驗規(guī)模和待測含顆粒氣流 的特性來選擇，材質(zhì)根據(jù)實驗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)實驗測量中需要達(dá)到的拉伸率條件來選擇；上下噴 嘴的保護氣體的質(zhì)量流量均為〇. 05~100SLM，根據(jù)由工作氣體對沖形成的滯止流場穩(wěn)定 新來選擇保護氣的質(zhì)量流量；保護氣體為氮氣、氬氣或與工作氣體相同。
[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、高速相機、增強電荷耦合CCD，其成像分辨率 高于480x480像素。所述測速裝置采用多普勒激光測速儀（LDA/PDA)或粒子圖像測速裝置 (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，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，對稱安裝在承壓艙側(cè)面。通過觀察窗實現(xiàn)可視化測量，可直接獲得顆粒的數(shù)濃度、 著火點和著火延遲時間。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量系統(tǒng)的測量含顆粒氣流著火 溫度的方法，該方法包含如下步驟：
[0016] 1)預(yù)熱對沖：將氮氣和氧氣按比例混合并分成兩路，一路通入上噴嘴，經(jīng)由第一 級加熱裝置和第二級加熱裝置預(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 顆粒氣流并順次進入下噴嘴，通過旋葉的高速碰撞作用進行二次彌散，旋葉的轉(zhuǎn)速選取應(yīng) 同時滿足以下關(guān)系式：
[0017]
[0018]
[0019] 式中，隊為顆粒與葉片的估算撞擊次數(shù)；Sb為旋葉單個壓片的寬度，單位m;0為 旋葉單個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；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；上噴嘴和下噴嘴的保護氣入口均通入氮氣，用以在噴 嘴出口處形成保護氣層，隔離噴嘴氣流和環(huán)境氣流，并起到穩(wěn)定流場的作用；通過設(shè)