气固两相流固体质量流量测量技术

　　0　引言

　　气固两相流在能源、冶金、化工、环境、国防等有关部门中的应用越来越广泛。固体质量流量作为气固两相流中重要的参数之一,可影响到气固两相流流动规律和传热、传质规律,固体质量流量的准确测量对生产过程的计量、节能和控制有重大意义。然而由于气固两相流流体性质,流动状态,流动条件以及感测机理的复杂性,其固体质量流量的测量难度极大[1,9,20]。对于固体质量流量的准确测量,不仅依赖于仪器性能的好坏,更重要的是选取合理的测量方法。本文依据气固两相流固体质量流量的测量原理,对当前国内外常用的或研究较为热门的几种测量方法和它们所涉及到的相关技术进行了介绍。

　　1　速度-浓度法测量技术

　　近些年来,随着在气固两相流研究中流体速度和浓度检测技术的飞速发展,气固两相流固体质量流量的测量技术也趋向于对流体速度和浓度分开检测,然后再求固相质量流量的思路。

　　在气固两相流中,固体颗粒的质量流量是气固流体速度和浓度的函数。若W(t)为固体颗粒的平均质量流量,G(t)为固体颗粒的瞬时质量流率,则:

　　式中:A为气固流体所流经管道的横截面积;T为观测时间;ρsb(t)为气固两相流截面瞬时浓度;U(t)为固体物料的平均速度;ρsb(t)为气固两相流截面平均浓度。

　　当今,在气固两相流的研究中流体速度和浓度的测量方法有很多,技术上也比较成熟,但是应用在气固两相流固体质量流量测量中流体速度和浓度的测量方法却不是很多。

　　在速度-浓度法测量气固两相流固体质量流量中,对流体速度的测量,目前研究和应用较多的是基于相关法测速原理的测速技术[2]。相关法测速原理是流体的运动速度等于两点之间的距离与流体渡越此距离所用的时间之比。在流体流动方向上并排放置两个传感器(电容传感器),这两个传感器之间相距为L,它们分别测量到两个随机流动的“噪声”信号X(t), Y(t),只要这两个传感器间距设计合理,且两个传感器和变送器的静、动态性能完全一致,就可以认为这两个随机流动的“噪声”信号X(t)、Y(t)是相关信号,其相关函数Rxy(τ)可由下式得到:

　　式中:T为观测时间,则Rxy(τ)的峰值位置对应的时间τ0就是流动“噪声”信号的渡越时间,由τ0就可以计算出相关流体的流速v

　　但是在实际情况中相关函数往往不是一个很尖的峰,从而使τ0的不确定性增加。研究表明,两探头间的距离L越大则相关函数峰形越宽,τ0的不确定性越大。

　　气固两相流研究中常用的其他测速技术[3-4],如激光多普勒测速技术、示踪技术等,在气固两相流固体颗粒速度及运动状态的研究中起了很大的作用,但在速度-浓度法测量气固两相流固体质量流量的研究中却很少使用。这主要是因为:多普勒测速技术主要应用于颗粒浓度较低的情况下速度的测量;所测量的速度为局部颗粒速度———LDV测量时要求在同一时刻测量控制体内的颗粒数不能多于一个。因此该测量技术不能反映整个流体的流速,从而限制了该技术在气固两相流固体质量流量测量中的应用。而传统的颗粒示踪技术由于颗粒的加入会对流体产生影响,早已不再实用,当今的示踪技术多采用荧光颗粒的光照示踪,主要用于颗粒运动的研究。