专利名称：一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法，属于气固流化床技术和多相流测量技术领域。
背景技术：
喷动床是一种特殊条件下的流化床，可以处理粗大窄筛分颗粒。气流通过一个小孔或喷嘴垂直向上射入，形成一个逐渐向上延伸的射流区，当喷射速度足够高时，射流穿透床层而形成一个迅速穿过床层中心向上运动的稀相气固流栓。当这些粒子升至一定高度时，颗粒会像喷泉一样因重力而回落到环隙区表面。这些回落的颗粒缓慢向下移动，直至重新被射流卷吸，参与新的循环。因此，喷动床的流型呈现明显的三区喷动区、喷泉区和环隙区。颗粒混合就是实现不同组分之间尽可能相互混合的一个复杂操作过程，颗粒混合行为反应了床内颗粒的运动及传递特性，是认识喷动床气固传热和传质机理的关键，对于喷动床反应器的设计和结构参数的优化具有重要的意义。颗粒浓度是表征颗粒混合程度的一个重要参数，获取床内颗粒浓度是研究颗粒混合的关键。目前，国内外研究者发展了诸如盐颗粒、热颗粒、磷光颗粒、染色颗粒、磁性颗粒以及放射性颗粒等众多的测量方法，用于直接或间接获取颗粒浓度。在这些方法中，盐示踪颗粒方法是较早也是较为广泛地在流化床中使用的，它通过测定一定量取出颗粒溶解于水后的溶液的电导率来分析示踪颗粒的浓度，因此该方法的优点是测量直接、迅速、成本低，但存在不踪颗粒在床内的积累及颗粒注入时对床内流场有一定的干扰等缺点。热颗粒不踪方法也是较常用的一种测量混合行为的方法，该方法不会对床内颗粒产生污染而且检测比较容易，但最大缺点是热示踪颗粒在冷气流的作用下温度衰减很快，在分析和计算时需要额外考虑这部分热损失，同时准确测量颗粒温度也是实验技术中十分困难的问题。磷光颗粒示踪方法克服了示踪颗粒注入时对流场的扰动，实现了灵敏度非常高的在线检测，一种非常理想的研究床内轴径向混合行为的测量方法，但该方法也存在磷光颗粒余辉强度会随时间逐渐衰减而无法被检测器检测的问题，且对于较密集的流化床示踪颗粒往往容易被其它的床料遮挡而影响实验精度。上述几种方法都存在一个共同的缺点，只能实现定点检测，不能实现全场检测，而且在获取稠密区颗粒浓度存在局限性。同时，这些方法都适用于流化床，但在喷动床上还没有实施案例。随着喷动床在工程应用领域的日益扩展，一些复杂的气固两相流动，尤其是球形颗粒/非球形颗粒多组分的混合过程也不断出现，已有的针对球形颗粒的认识应用于这些复杂过程尚有一定的局限性，迫切需要对喷动床非球形颗粒的测量方法进行深入的研究。

发明内容
技术问题本发明针对目前以非球形颗粒作为主要燃料的喷动床得到日益重用， 对非球形颗粒喷动床气固流动特性和颗粒混合特性的研究越来越重要，而通过测量颗粒浓度研究颗粒混合的方法受到测量方法的制约，难以实现全场测量，尤其是稠密区域，提供了一种气固流化床非球形颗粒浓度的测量方法，该方法操作简单、使用方便，可以实现全场无死角检测。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供一种获取喷动床非球形颗粒浓度的方法。本发明的思路是通过动态图像分析和静态床层取样的联合运用，分别获取喷动床稀疏高速区(喷动区和喷泉区)和稠密低速区(环隙区)的颗粒浓度，其中，动态图像分析通过高速数码CCD摄取高清数码图像，然后对图像进行逐帧分析定位非球形颗粒，进而获得目标区域的颗粒浓度，静态床层取样采用插板盒从顶部快速插入喷动床床体提取整体床层并径向分区，梳形板轴向弹性分区获得含非球形颗粒的混合物样本，通过对样本进行筛分分析而获得目标区域颗粒浓度。所述插板盒呈现抽屉状，由底板、多孔板、侧板、分区板和手把组成；底板形状与喷动床床体相似，宽度W1 =Wb，长度L1 = U，其中，Wb为喷动床宽度，Ltl为静止床层高度；多孔板与底板垂直相连，在多孔板上均匀开设小孔，孔径D1=Ilmm,开孔率Jl1 = 5 10%;侧板分别与底板和多孔板垂直相连，宽度W2 = Db，长度L2 = L1 — (W1 — Ws)/2 X tana，其中，Db 是喷动床深度，胃3是喷动口宽度，a是喷动床锥角；每块分区板都分别与底板和多孔板垂直相连，间距S1 = 2 8Dmaxp，宽度W3 = W2,与侧板相近的分区板长度L3 = L2 + S1X cot a，之后以S1Xcota递增，其中，Dmaxp为床内最大颗粒的尺寸；多孔板在中心处与手把相连。所述的梳形板呈现梳形状，叶片宽度S2 = S1+ I ,高度H1=W2,叶片数量Ii1彡n2，其中，n2为径向分区数，I为分区板厚度。有益效果与常规的测量喷动床颗粒浓度的方法相比较，本发明具有如下的特色及优点
I、本发明在传统床层塌落法的基础上，改进了插板/隔板取样法，针对喷动床的床型特点，将动态图像处理和静态床层取样有机结合，实现了对喷动床高速稀疏区和低速稠密区颗粒浓度的分区测量。2、采用插板盒从床体顶部瞬时插入床内对床层进行径向分区，解决了传统床层塌落法取样时由于重力作用而使颗粒出现再分布现象，避免了测量过程中产生的二次误差， 提高了测量的准确性。3、在床层已被径向分区的基础上，采用梳形板进行轴向弹性分区，这样既可以对整床进行取样分析，也可以对特殊区域进行针对性取样。4、通过快速数码C⑶摄取动态床层图像，并对图像进行逐帧分析获取颗粒浓度， 这样可以实现对喷动床高速稀疏区的在线连续取样。


图I是本发明的一种喷动床颗粒浓度的测量方法示意图，
图2是本发明的一种喷动床颗粒浓度的测量方法中的插板盒示意图，
图3是本发明的一种喷动床颗粒浓度的测量方法中的梳形板示意图，
其中有喷动床I、高速数码CCD2、插板盒3、梳形板4、底板5、多孔板6、侧板7、分区板
8、手把9、叶片10。
具体实施例方式以下参照图广3详细说明本发明实施。本实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本实施例采用矩形平度喷动床，床体尺寸为宽度100mm，深度30mm，高度250mm。 喷口尺寸为宽度IOmm,深度30mm。床料采用聚苯乙烯颗粒,粒径为2. 8mm,非球形颗粒为圆柱形稻杆，直径2mm,高度8mm。起始时,床料与非球形颗粒以完全分离方式布置,床料放置在下层，非球形颗粒放置在上层，床料层高80mm，非球形颗粒层高20mm，两者体积比为4 I，总的静止床高为100mm。首先，启动床层，逐渐增大风速，待风速增大到I. 2vmln时，保持床层运行20分钟， 使床料与非球形颗粒达到最大混合程度，其中，Kfflin为床料与非球形颗粒混合物的最小喷动速度。其次，对高速稀疏的喷动区和喷泉区进行摄片分析，以定位非球形颗粒，进而获得颗粒浓度。第一步先进行摄片环节。打开快速数码(XD，该CXD拥有高分辨率1280X1024， 全分辨率下摄片频率可达到1000帧/秒。考虑到喷动速度为I. 2vmln时喷动区和喷泉区颗粒的流动速度范围，设定摄取频率为500帧/秒。以摄取一次图像为一个周期，一个周期获得500张像片，每张像片之间相隔时间为0. 002s，隔30秒后再进入下一个周期，这样连续进行5个周期，摄取5次图像，共摄取含有颗粒分布信息的2500张像片。第二步进行图像分析处理，具体过程为根据颗粒尺寸和床体尺寸划定取样区域大小为IOmmX IOmmX IOmm ;在每一张像片上，统计取样区域内的非球形颗粒数量，颗粒的具体位置以颗粒中心是否在取样区域内；对于有颗粒重叠的像片，根据前后连续像片的颗粒轨迹，确定重叠的颗粒数量， 并计算进总数内；考虑到位于边界处的颗粒在连续像片中有可能游离于取样区域外，需要对一个周期内的所有像片进行规格化统计处理，获取每个区域内非球形颗粒的数量；为了减小误差，对5个周期内的像片均进行以上处理，并进行平均化处理；对于每一个区域，颗粒数比总颗粒数即为该区域的颗粒浓度。然后，对低速稠密的环隙区进行取样分析，以获得颗粒浓度。快速切断喷动风，同时，迅速将插板盒从床层顶部插入，此时，床内的残余气体从孔板中的小孔流出，颗粒在下落的过程中床层即被径向分区。插板盒共分9个区，中间区域间隔20mm，左右两边各4个区，每区间隔10mm。待颗粒静止后，将床体倾斜，把插板盒从床内抽出，此时，床内颗粒已被完全取出，并被径向分成9个样本。接着，将采用梳形板对样本进行轴向分区。叶片宽度为
9.5mm,分区板0. 5mm,叶片共4个。以IOmm高度为基准,将两侧的4个样本同时进行轴向分区，收集分区后的每个样本。采用筛分法，将每个样本分成床料和非球形颗粒，并统计非球形颗粒的数量，对于每一个样本，颗粒数比总颗粒数即为该样本的颗粒浓度。最后，将通过动态图像分析和准动态床层取样获得的颗粒浓度进行汇总，部分结果如下
喷动区
X/5000000. I0. I0. I00. IY/10000. 050. 150. 250. 350. 450. 550. 650. 75C000. 0010. 00100. 00120. 00130. 0010. 0014
嗔泉区
权利要求
1.一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法，其特征在于通过动态图像分析和静态床层取样的联合运用，分别获取喷动床(I)稀疏高速区和稠密低速区的颗粒浓度，其中，动态图像分析通过高速数码CXD (2)摄取高清数码图像，然后对图像进行逐帧分析定位非球形颗粒，进而获得目标区域的颗粒浓度，静态床层取样采用插板盒(3)从顶部快速插入喷动床床体提取整体床层并径向分区，梳形板(4)轴向弹性分区获得含非球形颗粒的混合物样本， 通过对样本进行筛分分析而获得目标区域颗粒浓度。
2.根据权利要求I所述的一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法，其特征在于所述插板盒(3)呈现抽屉状，由底板(5)、多孔板(6)、侧板(7)、分区板(8)和手把(9)组成；底板形状与喷动床床体相似，宽度W1 = Wb，长度L1 = Lci,其中，Wb为喷动床宽度，L0为静止床层高度；多孔板与底板垂直相连，在多孔板上均匀开设小孔，孔径D1=Ilmm,开孔率Il1 = 5 10%;侧板分别与底板和多孔板垂直相连，宽度W2 = Db，长度L2 = L1 -(W1-Ws)^Xtana , 其中，Db是喷动床深度，Ws是喷动口宽度，a是喷动床锥角；每块分区板都分别与底板和多孔板垂直相连，间距S1 = 2 8Dmaxp，宽度W3 = W2,与侧板相近的分区板长度L3 = L2 + S1Xcota，之后以S1Xcota递增，其中，Dmaxp为床内最大颗粒的尺寸；多孔板在中心处与手把相连。
3.根据权利要求I所述的一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法，其特征在于所述的梳形板(4)呈现梳形状，叶片(10)宽度S2 = S1+^，高度H1=W2，叶片数量Ii1 Sn2，其中，n2 为径向分区数，€为分区板厚度。
全文摘要
一种喷动床非球形颗粒浓度的测量方法，通过动态图像分析和静态床层取样的联合运用，分别获取喷动床稀疏高速区和稠密低速区的颗粒浓度，其中，动态图像分析通过高速数码CCD摄取高清数码图像，然后对图像进行逐帧分析定位非球形颗粒，进而获得目标区域颗粒浓度，静态床层取样采用插板盒从顶部快速插入喷动床床体提取整体床层并径向分区，梳形板轴向弹性分区获得含非球形颗粒的混合物样本，通过对样本进行筛分分析而获得目标区域颗粒浓度。本发明在传统床层塌落法的基础上，改进了插板/隔板取样法，同时针对喷动床同床多区异性的床型特点，将动态图像处理和静态床层取样有机结合，实现了对喷动床高速稀疏区和低速稠密区颗粒浓度的分区测量。
文档编号G01N15/06GK102608007SQ20121005254
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者张勇, 金保昇, 钟文琪 申请人:东南大学