超声法测量高浓度水煤浆若干问题研究

第28卷增刊1工程热物理学报Vol 28, Suppl.12007年6月JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICSJun.2007超声法测量高浓度水煤浆若干问题研究薛明华苏明旭蔡小舒董黎丽尚志涛(上海理工大学,上海200093)摘要利用超声法在线测量高浓度水煤浆具有无需稀释、快速、在线、非接触等优势.本文探讨了水煤浆中的浓度测量问题。在理论分析和实验基础上得出了水煤浆中声速与浓度的关系,指出水煤浆温度、稳定性、粒径与声速的关系和对浓度测量的影响,并从理论上提出了水煤浆中粒径测量的方法。本文设计的实验装置适合在线测量中的应用关键词超声法;水煤浆;声速;浓度;颗粒粒径中图分类号:TK31文献标识码:A文章编号: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前言水煤浆是一种新型洁净燃料,它可以大量利用波具有良好的穿透性,并具有较宽的频带,可以确粉煤、消除粉尘污染,实现无需化学转化,只经物理保测量纳米级到毫米级的颗粒粒径范围,所以利用加工即可达到以煤节油的目的.我国的煤炭资源相超声法测量高浓度水煤浆具有无需稀释,快速,可对较为丰富,因此用水煤浆替代燃油是能源发展的靠等优点.本文就超声法在线测量高浓度水煤浆基本国策叫,水煤浆的燃烧特性和它的浓度和粒度的浓度问题进行了研究有着很大的关系,文献2指出合适的水煤浆浓度和2颗粒两相流介质中声速理论预测粒度分布能提高水煤浆的稳定性和燃烧效率针对高浓度水煤浆颗粒两相流介质的在线测超声波在颗粒两相流介质中传播,介质的声速、量,常规的颗粒测量方法如:筛分法、电感应法、衰减等超声量都与介质的特性及状态有关,相对声沉降法已经不适用,而目前得到广泛应用的光散射衰减而言,声速更易测量,精度也能保证法,由于穿透能力有限,需要对样品进行采样、稀对于颗粒两相流介质中的声速的预测,由于涉释后测量,所以并不太适合高浓度下的在线测量。及到颗粒相和连续相的不同物性参数和状态参数的超声法测粒是超声波在含有颗粒连续相传播时,利影响,理论分析上更显困难。最早提出颗粒两相流用体系中声衰减、颗粒对声的散射、以及声速度的介质中超声传播模型的Urck给出了独立的超声改变等效应来测量颗粒系的浓度和粒度。由于超声声速方程和超声衰减方程,其中的超声声速方程为收稿日期:2007-0309;修订日期:2007-06-05基金项目:国家863计划(No.2006AA03z349);上海市教委科技青年基金(No04EC0);发展基金(No.F50103)项目资助作者简介薛明华(1983-),男,上海崇明人,硕士,主要从事超声颗粒测试技术研究214工程热物理学报28卷(1)声换能器,集成的发射与接受电路,适合管道在线测量的样品池,以及自主开发的集采集、分析一体的测量程序式中,Pef=Ppp+pl(1-4Bef=Bpp+B (1-p)超声换能器超声样品入温度控制测量区下标“ef”表示等效概念,“p”表示颗粒,“”表示液体,表示体积浓度。式(1)重要的特征是采用等效的概念建立了声速c和体积浓度φ之间的关系。超声波脉冲高速采集卡但是Urik声速模型实际上是一个简化模型,它并反射接收器计算机没有考虑声速与声频率,颗粒尺寸和形状,热损失,以及散射因素的影响图1超声测量系统示意图奠定超声测粒基础的是ECAH⑤,6散射模型,由水煤浆中的声速利用超声波换能器接受的一次Epstein等学者提出并发展,通过微体积元中质量回波信号和二次回波信号的时间差Δt和声程L之动量、能量守恒定律出发,精确地描述了球形颗粒两相流中声波动行为,声衰减和声速的方程最终归间的关系获得,声速具体按照下式计算:结为一6阶线性方程组的求解问题。最后得出的复波速方程为:4实验结果及分析k ciks R3(2n+1)An对于高浓度下的颗粒两相流介质可以采用耦合其中,k=u/c()+ian(),ω表示角频率,i表相模型进行声速上的预测,但是预测的结果是有条件示虚数单位,R表示颗粒半径,和c分别为两限制的,比如要求介质中的颗粒内部无衰减作用,相介质的等效衰减系数和声速,但ECAH模型适用液体介质是无限连续相,以及介质中没有产生絮结范围是有限的,在高浓度下,由于复散射效应和颗现象,并且需要输入颗粒介质的众多物性参数粒间相互作用的影响,ECAH模型将无法正确预测由于对于水煤浆的物理特性和物性参数不甚了解颗粒两相流介质中的声波动行为目前理论上给出精确的数值模拟十分困难。现主要为了更好地预测高浓度状况下颗粒两相流介质通过实验的手段给出水煤浆中声速值与质量浓度之中声波动, Harker和 Temple7以有别于ECAH散间的关系,并分析温度,粒径变化以及水煤浆稳定射模型的观点,从水动力学的角度出发,提出了耦性对于声速的影响合相模型的概念,给出的复波数的方程为41声速与浓度的变化关系声速与浓度变化关系从图2中可以看到,对水k-=wBefPef(w)(4)煤浆而言,如果温度保持不变,声速随着浓度的增加式中,而增加。在55%~65%浓度区域内,浓度变化1%将P(1-y+S)+pS(1引起约7.3m/s的声速变化,显然对于水煤浆浓度Pet(w)(1-)2+plS+y(1l800S1/1+29),969「6,622(1-)+4R+4[R+R50/2n/ωp称为粘性集肤深度。复波数kw/c(u)+ia(u),实部给出了声速c()数值,虚部则给出了声衰减a(u)数值。参数S则是连续相密L550度,粘度,颗粒相尺寸,浓度的函数3实验装置和声速测量浓度/%针对水煤浆在线测量的特点,本文设计了图1的实验系统测量水煤浆中的声速,主要包括一对超图21MHz下水煤浆声速随浓度变化曲线增刊薛明华等:超声法测量高浓度水煤浆若干问题研究215分析的灵敏度是很高的并且在较高浓度的区域内,但同时有不同频率下,对于声速变化的颗粒粒径敏声速随浓度变化的梯度增大,这对于测量高浓度下感范围是不同的,这给采用声速测量水煤浆粒径提水煤浆的浓度也是比较有利的供了理论上的可能.文献[10给出了双频率法测量声速与温度变化关系平均粒径的方法,文献[1给出了多频率法测量粒声速不但和颗粒两相流介质的性质,而且和介径分布的理论基础质的状态(温度,压力有关,相对于液体而言,压强每变化一个大气压只会引起万分之一左右的声速变化,而温度每变化1°C时将引起千分之几的声速变化,并且一般水煤浆生产中温度的相对变化往往比压强的相对变化大,所以在温度和压强的影响中,温度的影响是主要的图3是质量浓度65%的水煤浆中声速随温度变化图。可以看到在浓度不变的情况下,声速随着温度的升高而增大,在20°C到30°C之间,温度每变l1:00:0012:00:0013:00:0化1°C,声速将变化约1m/s,在30°C到40°C之间,温度每变化1°C,声速将变化约25m/s,所以对于利用声速测量水煤浆浓度的方法,必须考虑温图4水煤浆浓度随时间变化图度的修正1770I5 MHZ17600010.1101001000R/um15202温度/C图5声速与颗粒粒径关系图图3水煤浆中声速随温度变化图5结论43声速与水煤浆稳定性变化关系利用超声法测量高浓度水煤浆具有无需稀释、水煤浆的稳定性对于水煤浆的流动和燃烧特性快速、可靠、在线等优势.本文针对高浓度水煤浆的会有比较大的影响,鉴于声速对于水煤浆浓度的敏特点设计了一套能进行在线测量的装置得出的结感性,可以利用声速的变化长时间的监测水煤浆的论如下稳定性问题。水煤浆稳定性一旦下降,颗粒产生沉(1)通过颗粒两相流介质中超声模型的数值模拟淀现象,声速即发生变化。图4反映了在某天3小指出高浓度颗粒两相流介质中声速随着浓度的变化时之内利用本文研制的测量装置得到的水煤浆浓度关系,并且受众多物性参数的影响随时间变化曲线。可以看到,实验所采用的水煤浆(2)通过对水煤浆中声速测量实验,发现在温度在静止状态下,所测到的最高浓度与最低浓度之间保持不变的情况下,声速随着浓度的增加而增加相差0.59%。并且在较高浓度的区域内(5%~65%),声速随浓度4.4声速随粒径的变化关系变化的梯度是增大的根据超声波在颗粒两相流介质中的理论模型(3)探讨了温度、颗粒粒径、水煤浆稳定度对于声速与颗粒粒径是有关的,图5采用耦合相模型得声速的影响,指出若是利用声速测量高浓度状态下到的不同粒径下玻璃微珠的声速与颗粒粒径的关系的水煤浆浓度,必须进行温度和粒径方面的修正图。图中可以看到粒径变化对于声速是有影响的。(4)给出了测量水煤浆粒度的理论方法。可采用16工程热钧理学报两个频率下的双频率法测量水煤浆中的颗粒平均粒coust.Soc.Am1953,253):553-565径,或是采用多频率法测量粒径分布(6) Allegra J R, Hawley S A. Attenuation of Sound in Sus-pensions and Emulsions: Theory and Experiments. J参考文献Acoust.Soc.Am,1972,51(5):1545-1564[7] Harker A H, Temple J A G. velocity and Attenuation ofl曹欣玉,翁卫国,黄镇宇,等.白杨河电厂230t/h锅炉燃Ultrasound in Suspensions of Particles in Fluids. J. Phys用水煤浆工业测试中国电力,2001,34(7):16-18D:Appl.Phys,1988,21:1576-15882]李珊珊,程军,李艳昌,等.水煤浆黏度的几种影响因素[8 E N. Dyatlova, I S Kol,tsova Muysum. Experimental分析.煤炭转化,2006,29(1):23-26Study of Ultrasonic Velocity in Dispersive Media. Acous-]苏明旭,蔡小舒.超细颗粒悬浊液中声衰减和声速的应用tical Physics,2002,48(1):46-49的进展与现状.东北大学学报,200021(51):96999苏明旭.颗粒两相介质中颗粒粒径及浓度的超声测量理论4 R J Urick. A Sound Velocity Method for Determining the研究:博士论刘上海:上海理工大学,2002Compressibility of Finely Divided Substance.J.Appl.10张常浩,苏明序,蔡小舒.超声法测量河流泥沙粒度大小泥沙研究,2006,1(1):58615] Epstein P S, Carhart RR. The Absorption of Sou[1]苏明旭,蔡小舒,徐峰,等.三频率声衰减法测量玻璃微in Suspensions and Emulsions: I. Water Fog in Air. J珠粒度和浓度,声学学报,2004,5(9):440444