一种固体颗粒系高温热辐射特性测量装置的制作方法

本发明涉及一种测量装置，尤其是涉及一种固体颗粒系高温热辐射特性测量装置。

背景技术：

固体颗粒的热辐射特性在诸多领域有着重要的意义。在许多工程应用及自然现象中，固体颗粒系的辐射特性(吸收、透射、反射、散射、发射等)在能量传递过程中起重要作用。例如，燃煤锅炉内除了高温烟气参与辐射换热外，弥散在炉膛内的悬浮粒子(包括煤粉燃烧初期产生的焦炭或炭黑粒子以及燃尽后产生的飞灰)，对辐射换热有重要作用。其中焦炭颗粒的辐射占火焰总辐射的25％-30％，灰分占火焰总辐射的40％-50％。另外，在直吸式太阳能热化学反应器中，悬浮在反应腔中的颗粒既可以提高对太阳辐射能量的吸收，也作为反应物直接参与化学反应；颗粒的热辐射特性对于热化学反应器的设计、模拟、优化具有重要影响。此外，在固体火箭发动机的尾喷焰中存在大量固体颗粒，颗粒的光谱辐射特性对发动机的尾焰隐身等至关重要。

为了精确模拟颗粒系的散射特性以及燃烧器和反应器内的辐射换热，必须知晓高温下颗粒的光谱复折射率。如果已知固体颗粒的复折射率，根据Mie理论和稀疏介质假设可以确定单个颗粒及粒子系的散射行为。但是，高温条件下材料的光学数据非常缺乏，一些材料即使在常温下的光学数据也很难找到。通过理论方法确定固体颗粒系的热辐射特性存在很大局限性，工程应用中通常需要采用实验测量方法获得固体颗粒系的热辐射特性。

将固体颗粒和透射率高的颗粒混合制成压片或将固体颗粒均匀分散到液体中形成悬浊液，然后对压片或者悬浊液进行测量得到颗粒系的测量方法不适用于高温固体颗粒系热辐射特性的测量，而将固体颗粒分散到气体中形成悬浮颗粒系，然后对加热后的颗粒系进行测量，是一种可行的、精确的测量颗粒系高温热辐射特性的方法，但目前缺乏一种有效的、方便操作的固体颗粒系高温热辐射特性测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种有效的、方便使用的固体颗粒系高温热辐射特性测量装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种固体颗粒系高温热辐射特性测量装置，由依次连接的颗粒分散单元、加热单元、测量单元和颗粒收集单元组成，所述的加热单元包括加热炉，加热炉内设有加热腔，所述的测量单元包括中间的竖直管测量腔和连通在竖直管测量腔上的十字型四通管，所述的十字型四通管的各端口设有光学测量元件，竖直管测量腔下端与加热腔出口连接，所述的加热单元和测量单元设有测温元件，

测量时，所述颗粒分散单元形成含粉气流，含粉气流通过加热单元内的加热腔加热后进入检测单元的竖直管测量腔进行检测，最后通过颗粒收集单元处理后排出。

所述的光学测量元件包括可观察气流流动状况的内窥镜以及用于引入或导出入射光、透射光和散射光的玻璃片。

所述的十字型四通管的支管上设有保护气歧管，该保护气歧管通入压缩气体。

所述的加热腔为圆柱形，加热腔的进口和出口为圆锥形，加热腔与上部竖直管测量腔的横截面积比为5-10：1。

所述的加热炉与加热腔之间设有加热元件，加热元件和加热炉之间设有绝热材料，所述的加热炉为立式对开式电炉。

所述的测温元件为热电偶，所述的加热腔及竖直管测量腔上设置多个热电偶。

所述的竖直管测量腔为中空方管，方管内部设有调节含粉气流厚度的金属薄板。

测量单元的外表面用绝热材料包覆，为了维持通过气流的温度。

所述的金属薄板左右对称布置，金属薄板之间的间隙通过设在方管内壁上的折叠板和方管外壁上的调节螺母进行调节。

所述的颗粒分散单元包括依次连接的阀门、流量计、料仓和混合器，所述的料仓上设有电机，所述的电机带动料仓内的叶轮旋转，将进入料仓的压缩气体形成含粉气流，含粉气流经过混合器，与进入混合器的另一股压缩气体混合后送入加热腔。

所述的颗粒收集单元包括并联设置的旋风分离器和过滤器，所述的旋风分离器和过滤器的入口端设有阀门。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、测量单元与加热腔分离，对测试腔与加热腔采用不同截面积以实现对含粉气流速度及压强的控制。加热腔横截面积较大，气流速度较慢，含粉气流可有效加热至高温；测试腔截面积较小，流速较快，局部压强较低，可削弱含粉气流对玻璃观察窗口的污染，方便观察含粉气流内部的流动情况；

2、测量单元提供多个可与各种光学检测设备结合的端口，可实现固体颗粒系热辐射特性的测量。端口上配多个玻璃窗口，分别用于引入或导出入射光、透射光和散射光；其中一个端口用于引入高清、耐高温的内窥镜；

3、测量单元的十字型四通管上带有保护气歧管，可通入保护气体，保护气体与携带粉体的气体种类一致，保护气体从4个歧管通入，将含粉气流和玻璃窗口以及内窥镜隔离，确保了固体颗粒不沾污玻璃窗口和内窥镜镜头，对清晰测量提供了又一保障；

4、使用内窥镜可观测含粉流体在测试腔中的流动状态，有利于获得理想的含粉气流的截面形状，通过调节保护气的压强和流量，并同步观察内窥镜摄取的图像，使得含粉气流在垂直入射光线方向上的边界近似为平行平面。

5、含粉气流的几何厚度可调，方便测量不同情况的流动情况。通过调节固定在方管内部对称布置的两片金属薄板的间距，可以控制含粉气流在垂直于入射光线方向的尺寸。

6、颗粒收集单元设置旋风分离器和过滤器，保证了排出的气体不含粉尘，达到环保要求，利用过滤器还可计算含粉气流的颗粒浓度。

本发明通过将固体颗粒分散到气体中形成悬浮颗粒系，然后对其加热后进行测量，可方便测量颗粒系高温热辐射特性，本发明为这种测量方法提供一种有效的、方便使用的固体颗粒系高温热辐射特性测量装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为测量单元的结构示意图；

图3为保护气调节效果示意图；

图4为含粉气流厚度调节示意图；

图5为实施例1采用色散型光谱仪测量结构示意图；

图6为实施例2采用干涉型光谱仪测量结构示意图；

图中：1-颗粒分散单元；2-加热单元；3-测量单元；4-颗粒收集单元；5-阀门；11-流量计；12-料仓；13-电机；14-混合器；21-加热炉；22-加热腔；23-加热元件；24-测温元件；31-竖直管测量腔；32-十字型四通管；33-保护气歧管；41-旋风分离器；42-过滤器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种固体颗粒系高温热辐射特性测量装置，如图1-4所示，由依次连接的颗粒分散单元1、加热单元2、测量单元3和颗粒收集单元4组成。

颗粒分散单元1包括依次连接的阀门5、流量计11、料仓12和混合器14，料仓14上设有电机13，电机13带动料仓12内的叶轮旋转，将进入料仓12的压缩气体形成含粉气流，含粉气流经过混合器14，与进入混合器14的另一股压缩气体混合后送入加热单元2；

加热单元2包括加热炉21，加热炉21内设有加热腔22，加热腔22为圆柱形，加热腔22的进口和出口为圆锥形，加热炉21与加热腔22之间设有加热元件23，加热元件23和加热炉21之间设有绝热材料，加热炉21为立式对开式电炉，加热腔22上中下分别设置三个测温元件24，测温元件24采用K型铠装热电偶；

测量单元3包括中间的竖直管测量腔31和连通在竖直管测量腔31上的十字型四通管32，十字型四通管32的四个端口设有光学测量元件，竖直管测量腔31下端与加热腔22出口连接，竖直管测量腔31出口设有测温元件24；光学测量元件包括一个可观察气流流动状况的内窥镜和三个用于引入或导出入射光、透射光和散射光的玻璃片，使用内窥镜可以实时观测含粉流体在测试腔中的流动状态，有利于获得理想的含粉气流截面形状，通过调节保护气的压强和流量，并同步观察内窥镜摄取的图像，使得含粉气流在垂直入射光线方向上的边界近似为平行平面。十字型四通管32的支管上设有保护气歧管33，该保护气歧管33通入压缩气体，将含粉气流与玻璃窗口及内窥镜隔离，确保固体颗粒不沾污玻璃窗口及内窥镜镜头，从而保证颗粒系热辐射特性测量结果的准确性。竖直管测量腔31为中空方管，方管内部有两组对称布置的金属薄板组成的结构，用于调节含粉气流的厚度(垂直于入射光光线的尺寸)。薄板中心开孔，孔的大小与十字型四通管支管的内径相同。金属薄板上下两端分别与有一定弹性的折叠板相连，折叠板固定在方管内壁上。通过调节方管外壁上的四组螺母，可以调节金属薄板的间距，改变通过两片薄板间隙的含粉气流的厚度。加热腔与上部的竖直管测量腔的横截面积比在5-10：1，本实施例采用5:1，加热腔横截面积较大，气流速度较慢，含粉气流可有效加热至高温；测试腔截面积较小，流速较快，局部压强较低，可削弱含粉气流对玻璃观察窗口的污染，方便观察含粉气流内部的流动情况。

颗粒收集单元4包括并联设置的旋风分离器41和过滤器42，旋风分离器41和过滤器42的入口端设有阀门5。从竖直管测量腔31流出的含粉颗粒经过旋风分离器41，固体颗粒被分离器捕获，不含粉的干净气体按环保规定排出。当需测量含粉气流的颗粒浓度时，关闭与旋风分离器41连接的阀门5，开启与过滤器42连接的阀门5，含粉气流通过固体颗粒过滤器42，开始计时，几分钟后，结束计时，取出滤芯，称重得出固体颗粒的质量流量；再将气体质量流量计11的流量相加，可计算出含粉气体中的颗粒浓度，含粉气流的温度由设置在竖直管测量腔31出口上的测温元件24给出。

本实施例采用色散型光谱仪进行透射率测量，结构示意图如图5所示，色散型光谱仪的出射光通过斩光器后进入十字型四通管32的端口1，端口3的探测器将光信号转换成电信号后输入锁相放大器，锁相放大器给出电压值Ut，该电压反映了透过含粉气流的光线强弱。

关闭料仓12上方电机13以及阀门5，另一股压缩气体直接通入加热腔，对加热腔22及测试腔进行吹扫。当一定时间后，测温元件显示温度与含粉气流测试对应温度基本相同时，重复透射信号测量，锁相放大器给出的电压值U0反映了入射光线的强弱。两次测量的电压值之比，Ut/U0，即固体颗粒系的相对透射率。由于采用了斩光器和锁相放大器，进入检测头的杂散光以及高温气流的自身热辐射对测量结果无影响。

实施例2

本实施例采用干涉仪型光谱仪进行透射率测量，示意图如图6所示，采用干涉型光谱仪的测量方式与实施例1类同。主要区别是光学检测部分系统和测量步骤不同。红外辐射源的出射光通过光阑后进入检测头的端口1，端口3与傅里叶红外光谱仪相连。由于测量单元和高温气流的自身热辐射也进入到红外光谱仪中，因此实际测量中需扣除自身热辐射产生的背景信号。

首先测量光线透过纯净气体的信号值。关闭光阑，关闭电机13以及压缩气体的阀门5，另一股压缩气体直接通入加热腔22，待测温元件显示温度达到给定温度时进行测量，红外光谱仪给出的信号值为S1b。然后，打开光阑，再次用红外光谱仪进行测量，给出信号值为S1。

第二步测量光线透过含粉气体的信号值。开启料仓电机13以及压缩气体的阀门5，含粉气体进入加热腔22。当一定时间后，测温元件的温度与纯净气流对应温度基本相同时，关闭光阑，红外光谱仪给出的信号值为S2b。然后，打开光阑，再次用红外光谱仪进行测量，给出信号值为S2。通过上述两个步骤测量的信号值扣除背景信号值，(S2-S2b)/(S1-S1b)，即固体颗粒系的相对透射率。