循環(huán)湍動流化床顆粒的局部平均速度在線測量系統(tǒng)

王勝南, 李敏艷, 彭 詞

(1. 揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127;2. 中國科學(xué)院上海高等研究院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程中心, 上海 201210)

流化床反應(yīng)器由于具有傳熱傳質(zhì)效率高、氣固接觸效果好等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域[1-2]．在多種氣固流化床反應(yīng)器中, 較為典型的湍動流化床(turbulent fluidized bed, TFB)[3]具有反應(yīng)強(qiáng)度大、氣固接觸效率高等優(yōu)點(diǎn), 但存在嚴(yán)重的氣固返混; 而循環(huán)流化床(circulating fluidized bed, CFB)[4]可實(shí)現(xiàn)顆粒循環(huán), 軸向返混較少,但其傳熱傳質(zhì)效率比TFB差．為克服TFB和CFB的缺點(diǎn)并充分發(fā)揮其優(yōu)勢, 循環(huán)湍動流化床(circulating turbulent fluidized bed, C-TFB)[5]應(yīng)運(yùn)而生, 相關(guān)研究也成為流化床研究中最活躍的領(lǐng)域之一．對于C-TFB的研究, 首要解決的問題是床內(nèi)氣固流動的測量[6]．然而, C-TFB反應(yīng)時(shí)床內(nèi)氣固流動過程非常復(fù)雜, 難以準(zhǔn)確在線測量床內(nèi)顆粒流動參數(shù)．目前, 主要的非接觸式測量方法有射線法[7]、光學(xué)法[8]和電學(xué)法[9]等．射線法測量分辨率高、測量范圍廣, 但成本較高,系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜且有輻射泄漏的安全隱患;光學(xué)法結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格低廉,但其測量管段部分需要透明材料, 且測量范圍受顆粒濃度限制;電學(xué)法又分為靜電法和電容法,其中,靜電法是基于氣固兩相流顆粒靜電現(xiàn)象發(fā)展起來的．在流動過程中氣固兩相流的顆粒、管壁與氣體之間相互運(yùn)動、碰撞與分離,導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生荷電[10]．靜電傳感器通過捕捉和提取顆粒荷電上攜帶的顆粒流動信息,結(jié)合相應(yīng)的信號處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流動顆粒速度測量[11]．靜電法屬于被動檢測方法,相比于光學(xué)法和射線法,具有成本低、無輻射、結(jié)構(gòu)簡單、測量魯棒性高等優(yōu)點(diǎn),但該方法在測量精度上有待提高．為此,本文在靜電檢測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,擬設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于陣列式靜電傳感器的顆粒局部平均速度測量系統(tǒng), 并在C-TFB冷模裝置上進(jìn)行測量試驗(yàn)研究．結(jié)果可為進(jìn)一步提高循環(huán)湍動流化床靜電檢測技術(shù)的測量精度提供理論基礎(chǔ)．

1 陣列式靜電傳感器

圖1為陣列式靜電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,該傳感器主要由8個弧狀檢測電極、2個環(huán)形防護(hù)電極、絕緣管道和屏蔽罩組成．防護(hù)電極、屏蔽罩以及檢測電極引線的屏蔽層接地連接,防止外部的電磁干擾．8個弧狀電極上下游之間互相對應(yīng)形成4組對, 分別記為S1-1、S2-2、S3-3、S4-4, 均勻布置在管道上形成電極陣列．圖1中的L為上下游電極間距,W為電極軸向長度,α為電極覆蓋角．

圖1 陣列式靜電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrostatic sensor arrays

在C-TFB反應(yīng)過程中, 床內(nèi)顆粒、管壁與氣體之間的相互運(yùn)動、碰撞與分離,使顆粒產(chǎn)生荷電．當(dāng)攜帶荷電的顆粒流經(jīng)傳感器時(shí), 傳感器電極與移動荷電之間產(chǎn)生電荷感應(yīng)現(xiàn)象, 這一過程可由靜電場泊松方程及其邊界條件描述為[12]:

2 靜電互相關(guān)法速度測量原理

圖2 靜電檢測電極等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the electrostatic prob

3 速度測量試驗(yàn)

3.1 測量系統(tǒng)

圖3 顆粒局部速度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the local particle mean velocity measurement system

基于陣列式靜電傳感器的顆粒局部平均速度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示, 系統(tǒng)主要由陣列式靜電傳感器、靜電信號調(diào)理單元、信號采集和處理模塊以及上位機(jī)構(gòu)成．圖4為靜電信號調(diào)理電路及其原理示意圖．靜電信號調(diào)理電路可將傳感器感應(yīng)到的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,設(shè)計(jì)主要分為兩級:第一級為電壓跟隨器,實(shí)現(xiàn)高內(nèi)阻的電荷信號向低內(nèi)阻的電壓信號的轉(zhuǎn)換;第二級為電壓放大器,以放大電壓信號．兩級之間設(shè)計(jì)了RC濾波電路,用于濾除信號中的干擾噪音．本設(shè)計(jì)采用美國國家儀器公司生產(chǎn)的NI9205數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)多路通道靜電信號采集,并通過USB接口將采集到的信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示．

圖4 多路靜電信號調(diào)理電路(a)及其原理圖(b)Fig.4 Multi-channel electrostatic signal conditioning circuits (a) and the schematic diagram (b)

3.2 傳動帶測量試驗(yàn)

為驗(yàn)證顆粒局部平均速度互相關(guān)算法的準(zhǔn)確性,在如圖5所示的傳動帶裝置上進(jìn)行速度測量試驗(yàn)．傳動帶裝置主要由皮帶輪、連接皮帶以及調(diào)速電機(jī)等組成,連接皮帶的材質(zhì)為聚氨酯,調(diào)速電機(jī)的調(diào)速范圍為400～1 200 r·min-1．在傳動過程中,皮帶經(jīng)過傳感器時(shí)的流動狀態(tài)為典型的氣固兩相“繩流”流動,通過與皮帶輪的摩擦, 皮帶表面會產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷,故由調(diào)速電機(jī)控制的皮帶可用于模擬不同速度下帶電氣固兩相的流動．本文試驗(yàn)采用的陣列式靜電傳感器的電極材料為紫銅, 電極軸向長度為10 mm,電極覆蓋角為30°,靜電極片陣列上下游間距L=40 mm．考慮到測量速度大致范圍在4～20 m·s-1范圍內(nèi), 靜電信號采樣頻率f和采樣時(shí)間分別設(shè)置為25 kHz和0.2 s[15]．

圖5 傳動帶裝置(a)及其結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.5 Belt conveyor rig (a) and the structure diagram (b)

圖6為電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下傳感器上下游電極對S1-1輸出的靜電信號．由圖6可知, 不同傳送速度下,上下游靜電信號均相似, 且下游信號均滯后于上游;隨著皮帶傳送速度的增加,靜電信號逐漸增強(qiáng),上下游的延遲時(shí)間也減少．對圖6中不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下陣列式靜電傳感器電極對S1-1輸出上下游靜電信號作互相關(guān)運(yùn)算,得到如圖7所示的互相關(guān)函數(shù)．由圖7可知,在電機(jī)轉(zhuǎn)速為400, 800, 1 200 r·min-1時(shí)最大互相關(guān)運(yùn)算結(jié)果對應(yīng)的延遲點(diǎn)數(shù)n分別為189、105、72．根據(jù)公式τ0=n/f可計(jì)算出不同電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)上下游靜電信號間的滯后時(shí)間分別為7.56, 4.20, 2.88 ms, 即可得到顆粒局部平均速度v1分別為5.29, 9.52, 13.89 m·s-1．

圖6 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下陣列式靜電傳感器S1-1輸出靜電信號Fig.6 Output signals of S1-1 at different rotation speeds of pulley

圖7 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下電極對S1-1靜電信號的互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.7 Cross-correlation function of output signals of S1-1 at different rotation speeds of pulley

圖8 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下的速度測量值Fig.8 Velocity measurement results at different rotation speeds of pulley

圖9 C-TFB裝置實(shí)物圖(a)及局部結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.9 Physical drawing (a) and local structure drawing (b) of C-TFB device

對不同傳送速度下的皮帶進(jìn)行連續(xù)局部平均速度測量,結(jié)果如圖8所示．由圖8可見, 在相同傳送速度下,檢測電極S1-1,S2-2,S3-3,S4-4的速度接近; 傳送速度增加,各局部速度隨之增大．顆粒局部平均速度測量值與皮帶轉(zhuǎn)速具有較好的一致性．

3.3 C-TFB測量試驗(yàn)

圖10是在床高H0=195 mm時(shí)陣列式靜電傳感器各電極對輸出的靜電信號．由圖10可見,同一電極對的上下游電極輸出靜電信號均相似,且有明顯的時(shí)間延遲,說明陣列式靜電傳感器及其信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)合理且工作正常．對圖10(a)中的S1-1輸出上下游靜電信號作互相關(guān)運(yùn)算,得到互相關(guān)函數(shù)如圖11所示．通過相關(guān)函數(shù)可以得到延遲點(diǎn)數(shù)n=579, 可計(jì)算出顆粒速度為1.38 m·s-1．

圖10 陣列式靜電傳感器輸出的靜電信號Fig.10 Output signals of electrostatic sensor arrays

C-TFB流化過程中,不同床高下的顆粒局部速度連續(xù)測量結(jié)果如圖12所示．由圖12可知, 當(dāng)H0為195 mm和135 mm時(shí), 各顆粒局部速度測量值處于1.0～1.5 m·s-1范圍內(nèi), 表明在該工況下,顆粒經(jīng)過測量位置處的流動速度相對穩(wěn)定, 顆粒速度分布較為均勻; 當(dāng)H0下降到95 mm時(shí), 顆粒流動穩(wěn)定性明顯下降, 顆粒流速波動劇烈, 局部速度約為0.8～4.2 m·s-1; 隨著H0的進(jìn)一步降低, 床內(nèi)顆粒流速波動更為劇烈, 當(dāng)H0=45 mm時(shí), 顆粒速度波動范圍擴(kuò)大到0.0～5.4 m·s-1, 表明在該工況下, 床內(nèi)顆粒出現(xiàn)不穩(wěn)定流動,流動穩(wěn)定性隨著床高的下降而下降．

圖11 電極對S1-1上靜電信號的互相關(guān)函數(shù)Fig.11 Cross-correlation function of output signals of S1-1

圖12 不同床高下的局部速度連續(xù)測量值Fig.12 Continuous measured local velocities for different bed heights

4 結(jié)論

本文研究了基于陣列式靜電傳感器的顆粒局部平均速度測量方法,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套顆粒局部平均速度測量系統(tǒng),并在中國科學(xué)院上海高等研究院低碳轉(zhuǎn)化科學(xué)與工程中心搭建的C-TFB冷模裝置上進(jìn)行床內(nèi)顆粒局部平均速度在線測量試驗(yàn)．結(jié)果表明該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)C-TFB顆粒局部平均速度在線準(zhǔn)確測量．