导向管喷动流化床内单相气体流场及声波对流场影响的实验研究

化学工程与装备2016年第3期12ChemicalEngineering&Equipment2016年3月导向管喷动流化床内单相气体流场及声波对流场影响的实验研究2杨兴灿，皮立强，张青，高凯歌，周勇（四川大学化学工程学院，四川成都610065）摘要：在内径120mm的圆柱形导向管喷动流化床内，实验测定了单相气体流场的时均速度分布和湍流强度分布以及声波对它们的影响。结果表明：采用高速射流作为喷动气时，在卷吸区射流中心速度衰减快，卷吸作用强；进入导向管后中心速度开始下降仍然很快，但在经过较短距离后即趋于稳定，径向速度分布亦趋于稳定但不均匀；环隙速度分布在分布板影响下则较均匀；在喷泉区，刚离开导向管时射流中心速度仍较大，但随高度增加而较快下降，径向速度分布也趋于平缓。导向管区的湍流强度远高于环隙区和喷泉区。声波在导向管喷动流化床内单相气流中传播时衰减很小，并对时均速度几乎没有影响，但可以显著提高气流的湍流强度，且湍流强度的增加幅度随声强增加而加大，随频率增加而减小。湍流强度的增加，可以增强气流对颗粒的分散作用，有利于抑制导向管内粉体偏析，防止被射流破碎后的小聚团在环隙区发生再团聚，减少喷泉区粉体夹带，提高超细粉的流化质量。关键词：导向管喷动流化床；声波；速度分布；湍流强度基金项目：国家自然科学基金（21376151）超细粉颗粒由于粘附性较强，采用传统的方法流化时容易形成沟流和死区，难以实现平稳的流态化，所以过去在流化时一般不采用此类颗粒。但近年来，随着超细粉在众多领域获得越来越广泛的应用，而流化床在颗粒加工方面又具有独特优越性，所以超细粉的流态化越来越受到人们关注。Chaouki等人[1]首先发现，原生粒子粒径只有几个纳米的Cu/Al2O3气溶胶，在高气速下能以聚团的形式实现平稳流化，随后很多学者也都发现了类似的现象[2-4]。但对粘附性很强、密度较大的粉体如TiO2、CaCO3，则容易在床层底部形成大块的聚团，即使很高的气速、引入外力场也难使其实现平稳流态化。马兰等[5,6]采用以高速射流为喷动气的导向管喷动床来流化超细粉，发现高速射流可以将CaCO3超细粉分散成小聚团，使超细粉在一定操作条件下能够在导向管喷动床内实现稳定流态化。张国杰等[7]进一步在环隙引入流化气，发现流化气的引入有助于减小环隙的死区，但底部仍有大聚团堆积，且当循环量较大时射流易旁路进入环隙，在环隙区形成沟流，导向管内粉体塌落造成堵塞。本课题组提出在床层中引入声波，利用声波在抑制沟流和节涌方面的优势进一步改善超细粉在导向管喷动床中的流化质量，并在实验中取得了较好的效果。本文拟对导向管喷动流化床中的单相气体流场以及声波加入对流场的影响进行实验研究，为阐明超细粉在声助导向管喷动流化床的流化行为和进一步研究气固两相的运动规律打下基础。1实验装置及实验方法图1实验装置图1-Rootsblower;2-fliterand杨兴灿：导向管喷动流化床内单相气体流场及声波对流场影响的实验研究13dryer;3-valve;4-rotameter;5-servers;6-glassbead;7-jetoutlet;8-hotwireprobe;9-drafttube;10-soundmeter;11-A/Dboard;12-loudspeaker;13-soundgeneratorandamplifier;14-airoutlet;1.1实验装置实验装置如图1所示，导向管喷动流化床主体为Φ130×5mm的有机玻璃管，高1000mm；底部预分布器装有直径2mm的玻璃珠，高度100mm；分布板的开孔率为3.6%，中心开有直径6mm园孔，用于布置射流喷嘴，喷嘴内径4mm；导向管内径30mm、长300mm，导喷距（喷嘴出口距导向管底部的距离）为50mm；床体上部有一个90°弯管，弯管另一端安装一台扬声器，由一台自带功率放大器放的DF121F型数字信号发生器产生的正弦声波信号，送至该扬声器产生声波，再经此弯管引入床内；弯管顶部开120×30mm的方孔，热线风速仪探针由此插入床内。来自罗茨鼓风机的空气进过滤和干燥器后分成两路：一路通过射流喷嘴直接进入流化床内，为喷动气；另一路经预分布器、分布板分布均匀后进入流化床内，为流化气。两股气体在流化床中汇合，然后由上部排气口排出。1.2实验方法实验用的气体为经过滤和干燥后的常温常压下空气。实验的操作条件列于表1。气体流量由玻璃转子流量计测量；床内气体流速由热线探头型号为55P11的热线风速仪DantecCTA测量，测量频率为5kHz，每个数据点的测量时间为10s；声压级用杭州爱华AWA6290M+型多通道信号分析仪测定。表1实验操作条件ParameterValueFluidizinggasvelocity,uf/m·s-10.789Jetsgasvelocity,uj0/m·s-150.87,79.62Soundfrequency,f/Hz50～200Soundpressurelevel,SPL/dB100～1252实验结果与讨论2.1导向管喷动流化床内气流的时均速度分布图2是在流化气速为0.789m•s-1，射流出口平均速度分别为50.87m•s-1和79.62m•s-1时，射流中心速度沿床层高度的分布。如图所示，在喷嘴出口到导向管进口的卷吸区域内（H=0mm~50mm），由于射流与流化气速度差大，动量交换剧烈，速度衰减很快，经过50mm的距离，即由出口处的50.87m•s-1和79.62m•s-1分别降低到19.84m•s-1和30.00m•s-1，减小了61.00%和62.32%，被射流卷吸的气体流量达到射流本身流量的1.62倍和1.98倍（见表2）。高速射流产生的这种较强的卷吸作用对推动环隙粉体进入射流，促进其在环隙与导向管之间稳定循环是非常有利的。01002003004005006007008009000.5125102030405060u/ms-1H/mmuj0=50.87ms-1uj0=79.62ms-1图2射流中心速度沿轴向的分布射流进入导向管后（H=50mm~350mm），刚开始由于射流与被卷吸的气体间仍有较大的速度差，动量传递较快，中心速度下降较快。但经过约100mm后，中心速度沿高度变化则很小，速度分布趋于稳定。在喷泉区（H350mm），由于从导向管出来的气流速度仍比环隙流化气速高，会进一步进行动量传递，使中心速度下降；随高度增加，速度梯度减小，动量传递速率减慢，中心速度下降也减慢。010203040506001234567uj0=50.87ms-1uj0=79.62ms-1u/ms-1R/mm图3H=250mm截面的径向速度分布图3是H=250mm处的径向速度分布，由断面速度分布计算得到的导向管区和环隙区的气体流量和平均流速如表2所示。如图所示，导向管管壁将速度分布分成了两个明显不同的区域。在导向管区（R=0~15mm），径向存在较大的速度分布，射流速度越大中心与壁面的速度差越大。由表2可知，在两种射流出口速度下，射流中心速度与平均速度之比约为1.63和1.49，表明速度分布很不均匀，这会引起流化超细14杨兴灿：导向管喷动流化床内单相气体流场及声波对流场影响的实验研究粉时导向管内气流中粉体分布不均，出现偏析。而环隙区流速较低，在分布板影响下速度分布较均匀。这种均匀的气流分布有利于粉体的均匀流态化。表2H=250mm截面导向管区及环隙区的气体流量与平均流速射流出口流速（m•s-1）射流出口流量(m3•h-1)环隙区平均流速（m•s-1）环隙区流流量(m3•h-1)导向管区平均流速（m•s-1）导向管区流量(m3•h-1)150.872.300.6926.112.376.03279.653.600.6123.004.2210.730102030400.00.51.01.52.02.53.03.5u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1H=450mmH=550mmH=650mmH=750mm图4喷泉区不同高度处的径向速度分布在喷泉区即导向管出口以上区域（H350mm），流化气速为0.789m•s-1、射流出口速度为50.87m•s-1时，不同高度处速度的径向分布如图4所示。如图所示，由于射流速度比环隙气速高，在导向管出口附近（H=450mm）中心速度仍较大。但随着高度的增加，由于射流与环隙气之间的动量交换，中心速度开始较快下降；经过约200mm后下降速度减缓，径向速度分布逐渐趋于平缓，有利于夹带颗粒的分离。2.2导向管喷动流化床内气流的湍流强度010203040500.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.75u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1H=750mmH=250mm图5不同高度处湍流强度的径向分布图5给出H=250mm、H=750mm两个断面的湍流强度的径向分布。在H=250mm截面，在导向管（R=0-15mm）内，由于射流产生的剪切作用强，湍流强度较大；在环隙区（R=15-50mm）和离导向环出口较远的喷泉区（H=750mm），由于气速分布较均匀，气流剪切作用较弱，所以湍流强度较小。2.3声波对导向管喷动流化床流场的影响010020030040050060070080090060708090100110120130spl/dBH/mm50Hzuj0=0200Hzuj0=050Hzuj0=50.87ms-1图6声压级沿轴向的分布图6是声波频率分别为50Hz和200Hz，射流速度分别为0和50.87m•s-1时，声压级沿轴向位置的变化情况。如图所示，无论加入射流与否，声压级沿床高的变化都很小（小于1.67%），说明在没有固体物料时声波在床内的衰减是很小的。01002003004005006007008009000.10.5125102030405060u/ms-1H/mmuj0=50.87ms-1Nosound50Hz100dB50Hz110dB50Hz120dB50Hz125dB120Hz120dB200Hz120dB图7声波对射流中心时均速度分布的影响图7所示为不同的声压级和频率条件下，射流中心时均杨兴灿：导向管喷动流化床内单相气体流场及声波对流场影响的实验研究15速度沿床高的变化。由图可知，声波对时均速度基本没有影响。声波虽然对流场内时均速度的影响很小，但对瞬时速度影响很大。图8和图9所示是在H=250mm和H=750mm两截面处，声波的声压级和频率对湍流强度的影响。如图所示，声波可以显著增加湍流强度，且增加幅度随声压级的增加而增加，随频率增加而减小。湍流强度的增加，可以增强气流对粉体的分散作用，使颗粒在气流中分散更均匀，流化更均匀，从而有利于抑制导向管内粉体偏析，防止被射流破碎后的小聚团在环隙区发生再团聚，减少喷泉区粉体夹带，提高超细粉的流化质量。0102030400.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1Nosound50Hz100dB50Hz110dB50Hz120dB0102030400.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.60u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1Nosound50HZ120dB120HZ120dB200HZ120dB（a）声压级对湍流强度分布的影响（b）频率对湍流强度的影响图8声波对H=750mm截面气流湍动强度的影响0102030400.00.20.40.60.8u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1Nosound50Hz100dB50Hz110dB50Hz120dB0102030400.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.75u/ms-1R/mmuj0=50.87ms-1No