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 THERMOPHYSICSJun.2007超聲法測(cè)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(cè)量高濃度水煤漿具有無需稀釋、快速、在線、非接觸等優(yōu)勢(shì).本文探討了水煤漿中的濃度測(cè)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(duì)濃度測(cè)量的影響,并從理論上提出了水煤漿中粒徑測(cè)量的方法。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置適合在線測(cè)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)Supl.1-0213-04THE RESEARCH OF CHARACTERIZING CONCENTRATED WATER-COAL SLURRY USING ULTRASONIC METHODXUE Ming-Hua SU Ming-Xu CAI Xiao-Shu DONG Li-Li SHANG Zhi-TaoUniversity 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(cè)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(cè)量高濃度水煤漿具有無需稀釋,快速,可對(duì)較為豐富,因此用水煤漿替代燃油是能源發(fā)展的靠等優(yōu)點(diǎn).本文就超聲法在線測(cè)量高濃度水煤漿基本國策叫,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(cè)粒度分布能提高水煤漿的穩(wěn)定性和燃燒效率針對(duì)高濃度水煤漿顆粒兩相流介質(zhì)的在線測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量,精度也能保證法,由于穿透能力有限,需要對(duì)樣品進(jìn)行采樣、稀對(duì)于顆粒兩相流介質(zhì)中的聲速的預(yù)測(cè),由于涉釋后測(cè)量,所以并不太適合高濃度下的在線測(cè)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(cè)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(duì)聲的散射、以及聲速度的介質(zhì)中超聲傳播模型的Urck給出了獨(dú)立的超聲改變等效應(yīng)來測(cè)量顆粒系的濃度和粒度。由于超聲聲速方程和超聲衰減方程,其中的超聲聲速方程為收稿日期:2007-0309;修訂日期:2007-06-05基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃(No.2006AA03z349);上海市教委科技青年基金(No04EC0);發(fā)展基金(No.F50103)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(cè)試技術(shù)研究214工程熱物理學(xué)報(bào)28卷(1)聲換能器,集成的發(fā)射與接受電路,適合管道在線測(cè)量的樣品池,以及自主開發(fā)的集采集、分析一體的測(cè)量程序式中,Pef=Ppp+pl(1-4Bef=Bpp+B (1-p)超聲換能器超聲樣品入溫度控制測(cè)量區(qū)下標(biāo)“ef”表示等效概念,“p”表示顆粒,“”表示液體,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但是Urik聲速模型實(shí)際上是一個(gè)簡化模型,它并反射接收器計(jì)算機(jī)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(cè)量系統(tǒng)示意圖奠定超聲測(cè)?；A(chǔ)的是ECAH⑤,6散射模型,由水煤漿中的聲速利用超聲波換能器接受的一次Epstein等學(xué)者提出并發(fā)展,通過微體積元中質(zhì)量回波信號(hào)和二次回波信號(hào)的時(shí)間差Δt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)波速方程為:4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析k ciks R3(2n+1)An對(duì)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()+ian(),ω表示角頻率,i表相模型進(jìn)行聲速上的預(yù)測(cè),但是預(yù)測(cè)的結(jié)果是有條件示虛數(shù)單位,R表示顆粒半徑,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(cè)由于對(duì)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?，F(xiàn)主要為了更好地預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)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P(1-y+S)+pS(1引起約7.3m/s的聲速變化,顯然對(duì)于水煤漿濃度Pet(w)(1-)2+plS+y(1l800S1/1+29),969「6,622(1-)+4R+4[R+R50/2n/ωp稱為粘性集膚深度。復(fù)波數(shù)kw/c(u)+ia(u),實(shí)部給出了聲速c()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L550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(cè)量濃度/%針對(duì)水煤漿在線測(cè)量的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了圖1的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量水煤漿中的聲速,主要包括一對(duì)超圖21MHz下水煤漿聲速隨濃度變化曲線增刊薛明華等:超聲法測(cè)量高濃度水煤漿若干問題研究215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(duì)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(duì)于測(cè)量高濃度下感范圍是不同的,這給采用聲速測(cè)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(cè)量聲速與溫度變化關(guān)系平均粒徑的方法,文獻(xiàn)[1給出了多頻率法測(cè)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(duì)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(duì)變化往往比壓強(qiáng)的相對(duì)變化大,所以在溫度和壓強(qiáng)的影響中,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。可以看到在濃度不變的情況下,聲速隨著溫度的升高而增大,在20°C到30°C之間,溫度每變l1:00:0012:00:0013:00:0化1°C,聲速將變化約1m/s,在30°C到40°C之間,溫度每變化1°C,聲速將變化約25m/s,所以對(duì)于利用聲速測(cè)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1770I5 MHZ17600010.1101001000R/um15202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(cè)量高濃度水煤漿具有無需稀釋、水煤漿的穩(wěn)定性對(duì)于水煤漿的流動(dòng)和燃燒特性快速、可靠、在線等優(yōu)勢(shì).本文針對(duì)高濃度水煤漿的會(huì)有比較大的影響,鑒于聲速對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)水煤漿中聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在溫度在靜止?fàn)顟B(tài)下,所測(cè)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)(5%~65%),聲速隨濃度4.4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(3)探討了溫度、顆粒粒徑、水煤漿穩(wěn)定度對(duì)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的影響,指出若是利用聲速測(cè)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)系的水煤漿濃度,必須進(jìn)行溫度和粒徑方面的修正圖。圖中可以看到粒徑變化對(duì)于聲速是有影響的。(4)給出了測(cè)量水煤漿粒度的理論方法。可采用16工程熱鈞理學(xué)報(bào)兩個(gè)頻率下的雙頻率法測(cè)量水煤漿中的顆粒平均粒coust.Soc.Am1953,253):553-565徑,或是采用多頻率法測(cè)量粒徑分布(6) Allegra J R, Hawley S A. 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