第28卷增刊1工程熱物理學(xué)報(bào)Vol 28, Suppl.12007年6月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS超聲法測量高濃度水煤漿若干問題研究薛明華蘇明旭蔡小舒董黎麗尚志濤(上海理工大學(xué),上海200093)摘要利用超聲法在線測量高濃度水煤漿具有無需稀釋、快速、在線、非接觸等優(yōu)勢。本文探討了水煤漿中的濃度測量問題。在理論分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得出了水煤漿中聲速與濃度的關(guān)系,指出水煤漿溫度、穩(wěn)定性、粒徑與聲速的關(guān)系和對濃度測量的影響,并從理論上提出了水煤漿中粒徑測量的方法。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置適合在線測量中的應(yīng)用關(guān)鍵詞超聲法;水煤漿;聲速;濃度;顆粒粒徑中圖分類號(hào):TK31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-231x(2007 SuppL.1-021304THE RESEARCH OF CHARACTERIZING CONCENTRATED WATER-COAL SLURRY USING ULTRASONIC METHODXUE Ming-Hua SU Ming-Xu CAI Xiao-Shu DONG Li-Li SHANG Zhi-Tao(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract There are many advantages of ultrasonic method for on-line characterizing dense coal-waterslurry, such as no-dilution, high concentration, real-time and no-invasion. In this paper, the concentration of water-coal slurry is discussed. The relation between ultrasonic velocity and concentration ofwater-coal slurry is evaluated on the basis of model analysis and experiments. The results show thatthe temperature, stabilization, particle size influence the ultrasonic velocity in concentrated water-coalslurry. The ultrasonic instrument has been developed to apply in the on-line measurementKey words ultrasonic method; water-coal slurry; ultrasonic velocity; concentration; particle size1前言水煤漿是一種新型潔凈燃料,它可以大量利用波具有良好的穿透性,并具有較寬的頻帶,可以確粉煤、消除粉塵污染,實(shí)現(xiàn)無需化學(xué)轉(zhuǎn)化,只經(jīng)物理保測量納米級(jí)到毫米級(jí)的顆粒粒徑范圍,所以利用加工即可達(dá)到以煤節(jié)油的目的。我國的煤炭資源相超聲法測量高濃度水煤漿具有無需稀釋,快速,可對較為豐富,因此用水煤漿替代燃油是能源發(fā)展的等優(yōu)點(diǎn),本文就超聲法在線測量高濃度水煤漿基本國策田.水煤漿的燃燒特性和它的濃度和粒度的濃度問題進(jìn)行了研究有著很大的關(guān)系,文獻(xiàn)2指出合適的水煤漿濃度和2顆粒兩相流介質(zhì)中聲速理論預(yù)測粒度分布能提高水煤漿的穩(wěn)定性和燃燒效率針對高濃度水煤漿顆粒兩相流介質(zhì)的在線測超聲波在顆粒兩相流介質(zhì)中傳播,介質(zhì)的聲速、量,常規(guī)的顆粒測量方法如:篩分法、電感應(yīng)法、衰減等超聲量都與介質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān),相對聲沉降法已經(jīng)不適用,而目前得到廣泛應(yīng)用的光散射衰減而言,聲速更易測量,精度也能保證法,由于穿透能力有限,需要對樣品進(jìn)行采樣、稀對于顆粒兩相流介質(zhì)中的聲速的預(yù)測,由于涉釋后測量,所以并不太適合高濃度下的在線測量。及到顆粒相和連續(xù)相的不同物性參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)的超聲法測粒是超聲波在含有顆粒連續(xù)相傳播時(shí),利影響,理論分析上更顯困難。最早提出顆粒兩相流用體系中聲衰減、顆粒對聲的散射、以及聲速度的介質(zhì)記給出了獨(dú)立的超聲改變等效應(yīng)來測量顆粒系的濃度和粒度。由于超聲聲的超聲聲速方程為CNMHG收稿日期:2007-03-09;修訂日期:2007-06-05基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃(No.2006AAO3Z349);上海市教委科技青年基金(No04EC30);發(fā)展基金(NoF50103)項(xiàng)目資助作者簡介:薛明華(1983-),男,上海崇明人,碩士,主要從事超聲顆粒測試技術(shù)研究214工程熱物理學(xué)報(bào)28卷)聲換能器,集成的發(fā)射與接受電路,適合管道在線測量的樣品池,以及自主開發(fā)的集采集、分析一體的測量程序式中,Pef=Ppo+pl(1-pBef=Bpp+B1 (1-p)超聲換能器「超聲樣品溫度控制下標(biāo)“e∫”表示等效概念,“p”表示顆粒,“”表示液體,φ表示體積濃度。式(1)重要的特征是采用等效的概念建立了聲速c和體積濃度φ之間的關(guān)系超聲波脈沖高速采集卡反射接收器計(jì)算機(jī)但是 Urick聲速模型實(shí)際上是一個(gè)簡化模型,它并沒有考慮聲速與聲頻率,顆粒尺寸和形狀,熱損失,以及散射因素的影響圖1超聲測量系統(tǒng)示意圖奠定超聲測?；A(chǔ)的是ECAH6散射模型,由Epstein等學(xué)者提出并發(fā)展,通過微體積元中質(zhì)量水煤漿中的聲速利用超聲波換能器接受的一次回波信號(hào)和二次回波信號(hào)的時(shí)間差△t和聲程L之動(dòng)量、能量守恒定律出發(fā),精確地描述了球形顆粒兩相流中聲波動(dòng)行為,聲衰減和聲速的方程最終歸間的關(guān)系獲得,聲速具體按照下式計(jì)算結(jié)為一6階線性方程組的求解問題。最后得出的復(fù)c=L/△t波速方程為∑(2n+1)An(34實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析n=0對于高濃度下的顆粒兩相流介質(zhì)可以采用耦合其中,k=u/c(u)+io、),ω表示角頻率,i表相模型進(jìn)行聲速上的預(yù)測,但是預(yù)測的結(jié)果是有條件示虛數(shù)單位,R表示顆粒半徑,a,和c分別為兩限制的,比如要求介質(zhì)中的顆粒內(nèi)部無衰減作用,相介質(zhì)的等效衰減系數(shù)和聲速,但ECAH模型適用液體介質(zhì)是無限連續(xù)相,以及介質(zhì)中沒有產(chǎn)生絮結(jié)范圍是有限的,在高濃度下,由于復(fù)散射效應(yīng)和顆現(xiàn)象,并且需要輸入顆粒介質(zhì)的眾多物性參數(shù)粒間相互作用的影響,ECAH模型將無法正確預(yù)測由于對于水煤漿的物理特性和物性參數(shù)不甚了解,顆粒兩相流介質(zhì)中的聲波動(dòng)行為目前理論上給出精確的數(shù)值模擬十分困難。現(xiàn)主要為了更好地預(yù)測高濃度狀況下顆粒兩相流介質(zhì)通過實(shí)驗(yàn)的手段給出水煤漿中聲速值與質(zhì)量濃度之中聲波動(dòng), Harker和 Temple7以有別于ECAH散間的關(guān)系,并分析溫度,粒徑變化以及水煤漿穩(wěn)定射模型的觀點(diǎn),從水動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā),提出了耦性對于聲速的影響合相模型的概念,給出的復(fù)波數(shù)的方程為41聲速與濃度的變化關(guān)系聲速與濃度變化關(guān)系從圖2中可以看到,對水k=wBefPef(w)(4)煤漿而言,如果溫度保持不變,聲速隨著濃度的增加式中而增加。在55%~65%濃度區(qū)域內(nèi),濃度變化1%將p2(1-9+pS)+ps(1-)(5)引起約7.3m/s的聲速變化,顯然對于水煤漿濃度1-p)2+plS+(1-4S1/1+29「6624 RR: R26=√2n/Pp稱為粘性集膚深度。復(fù)波數(shù)k1650w/c(u)+ia(u),實(shí)部給出了聲速c(ω)數(shù)值,虛部則給出了聲衰減a(u)數(shù)值。參數(shù)S則是連續(xù)相密1550度,粘度,顆粒相尺寸,濃度的函數(shù)3實(shí)驗(yàn)裝置和聲速測量中國煤化工506070CNMHG針對水煤漿在線測量的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了圖1的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量水煤漿中的聲速,主要包括一對超圖21MHl下水煤漿聲速隨濃度變化曲線增刊1薛明華等:超聲法測量高濃度水煤漿若干問題研究分析的靈敏度是很高的。并且在較高濃度的區(qū)域內(nèi),但同時(shí)有不同頻率下,對于聲速變化的顆粒粒徑敏聲速隨濃度變化的梯度增大,這對于測量高濃度下感范圍是不同的,這給采用聲速測量水煤漿粒徑提水煤漿的濃度也是比較有利的供了理論上的可能。文獻(xiàn)[10給出了雙頻率法測量42聲速與溫度變化關(guān)系平均粒徑的方法,文獻(xiàn)(1給出了多頻率法測量粒聲速不但和顆粒兩相流介質(zhì)的性質(zhì),而且和介徑分布的理論基礎(chǔ)質(zhì)的狀態(tài)(溫度,壓力)有關(guān),相對于液體而言,壓強(qiáng)每變化一個(gè)大氣壓只會(huì)引起萬分之一左右的聲速變化,而溫度每變化1°C時(shí)將引起千分之幾的聲速變化,并且一般水煤漿生產(chǎn)中溫度的相對變化往往比壓強(qiáng)的相對變化大,所以在溫度和壓強(qiáng)的影響中,…個(gè)冖溫度的影響是主要的圖3是質(zhì)量濃度65%的水煤漿中聲速隨溫度變化圖?？梢钥吹皆跐舛炔蛔兊那闆r下,聲速隨著溫度的升高而增大,在20°C到30°C之間,溫度每變ll:00:0012:00:0013:00:0化1°C,聲速將變化約1m/s,在30°C到40°C之時(shí)間間,溫度每變化1°C,聲速將變化約25m/s,所以對于利用聲速測量水煤漿濃度的方法,必須考慮溫圖4水煤漿濃度隨時(shí)間變化圖度的修正14701 MHZIS MHz17600010.11101001000R1520253035溫度/C圖5聲速與顆粒粒徑關(guān)系圖圖3水煤漿中聲速隨溫度變化圖5結(jié)論43聲速與水煤漿穩(wěn)定性變化關(guān)系利用超聲法測量高濃度水煤漿具有無需稀釋、水煤漿的穩(wěn)定性對于水煤漿的流動(dòng)和燃燒特性快速、可靠、在線等優(yōu)勢.本文針對高濃度水煤漿的會(huì)有比較大的影響,鑒于聲速對于水煤漿濃度的敏特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套能進(jìn)行在線測量的裝置.得出的結(jié)感性,可以利用聲速的變化長時(shí)間的監(jiān)測水煤漿的論如下穩(wěn)定性問題。水煤漿穩(wěn)定性一旦下降,顆粒產(chǎn)生沉1)通過顆粒兩相流介質(zhì)中超聲模型的數(shù)值模擬淀現(xiàn)象,聲速即發(fā)生變化.圖4反映了在某天3小指出高濃度顆粒兩相流介質(zhì)中聲速隨著濃度的變化時(shí)之內(nèi)利用本文研制的測量裝置得到的水煤漿濃度關(guān)系,并且受眾多物性參數(shù)的影響隨時(shí)間變化曲線?？梢钥吹?實(shí)驗(yàn)所采用的水煤漿(2)通過對水煤漿中聲速測量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在溫度在靜止?fàn)顟B(tài)下,所測到的最高濃度與最低濃度之間保持不變的情況下,聲速隨著濃度的增加而增加相差0.59%并且在較高濃度的區(qū)域內(nèi)(55%~65%),聲速隨濃度44聲速隨粒徑的變化關(guān)系變化的梯度是增大的根據(jù)超聲波在顆粒兩相流介質(zhì)中的理論模型,中國煤化工水煤漿穩(wěn)定度對于聲速與顆粒粒徑是有關(guān)的,圖5采用耦合相模型得聲速CNMHG測量高濃度狀態(tài)下到的不同粒徑下玻璃微珠的聲速與顆粒粒徑的關(guān)系的水水濃度,必狽進(jìn)仃溫度和粒徑方面的修正圖。圖中可以看到粒徑變化對于聲速是有影響的。(4)給出了測量水煤漿粒度的理論方法?？刹捎?6兩個(gè)頻率下的雙頻率法測量水煤漿中的顆粒平均粒Acoust.Soc.Am,1953,25t3):553-565徑,或是采用多頻率法測量粒徑分布。[6] Allegra J R, Hawley S A. Attenuation of Sound in Sus-pensions and Emulsions: Theory and Experiments. J參考文獻(xiàn)Acoust.Soc.Am,1972,51(5):1545-1564[7 Harker A H, Temple J A G. Velocity and Attenuation of曹欣玉,翁衛(wèi)國,黃鎮(zhèn)宇,等.白楊河電廠230t/h鍋爐燃Ultrasound in Suspensions of Particles in Fluids. J Phys用水煤漿工業(yè)測試中國電力,2001,34(7):16-18D:Appl.Phys,1988,21:1576-1588閃2]李珊珊,程軍,李艷昌,等.水煤漿黏度的幾種影響因素[8]E N. Dyatlova, I S Koltsova Muyst分析.煤炭轉(zhuǎn)化,2006,29(1):23-26Study of Ultrasonic Velocity in Dispersive Media.Acous-]蘇明旭,蔡小舒.超細(xì)顆粒懸濁液中聲衰減和聲速的應(yīng)用tical Physics, 2002, 48(1):46-49的進(jìn)展與現(xiàn)狀.東北大學(xué)學(xué)報(bào),2000,021(s1):96-999蘇明旭.顆粒兩相介質(zhì)中顆粒粒徑及濃度的超聲測量理論(4RJ Urick. A Sound Velocity Method for Determining the研究:博士論文,上海:上海理工大學(xué),2002Compressibility of Finely Divided Substance.J.Appl.10張常浩,蘇明序,蔡小舒.超聲法測量河流泥沙粒度大小泥沙研究,2006,1(1):58-615] Epstein P s, Carhart RR. The Absorption of Sound[1蘇明旭,蔡小舒,徐峰,等.三頻率聲衰減法測量玻璃微in Suspensions and Emulsions: I. Water Fog in Air. J珠粒度和濃度.聲學(xué)學(xué)報(bào),2004,5(9):440-44中國煤化工CNMHG