太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统及方法

本发明涉及流态化系统。

背景技术：

1、流态化床，简称流化床，是一种利用具有一定流速的气体，将堆成一定厚度(床层)的催化剂或物料的固体颗粒层强烈搅动，使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。流化状态下的固体颗粒层具有液体的特性，例如，悬浮的固体颗粒层像水一样能保持一定水平界面并具有静压力和浮力，像水一样具有流动性等。也将这种技术称为气固流态化技术。

2、气体流经固体颗粒构成的床料层，当气体流速比较低时，固体没有相对运动，气体流经颗粒之间的间隙流过床层，这时的气固接触形式称为固定床。在此基础上进一步提高气体流速，气体对颗粒的曳力(及气体流进颗粒表面的摩擦力)和浮力之和超过了颗粒的重力，颗粒被悬浮起来，颗粒之间不再有作用力，气固体系具备了流体的性质，固体被流化，这时处于初始流态化状态。若进一步提高气体的流速，床层不断膨胀。当更多的气体进入体系，超过初始流态化需要的气体流速的气体，以气泡的形式穿越床层，这就是鼓泡流态化。随着气速的进一步增加，床表面有大量的颗粒被夹带离开床层，床表面的界面不再清晰，此时对应的是湍流床。利用气固接触的鼓泡床或湍流床形式进行气固反应的反应器，称之为流化床反应器。

3、流化床反应器在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。流化床现象最早是德国人fritz winkler(弗里茨温克勒)发现的，在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化炉，这就是著名的温克勒炉；其大规模工业应用是40年代麻省理工学院的石油催化裂化。目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。

4、在流化床工艺过程中，包括流化形态、单颗粒及颗粒群的流动行为、气泡的运动及颗粒聚团等流化动态特征的获取对流化床的设计、运行及机理研究起关键作用。通过对床内流化动态及反应现象的直接观察及拍摄后图像的处理，能够得到床内流化形态，单颗粒及颗粒群运动轨迹，气泡产生、生长及破裂过程，颗粒聚团现象的产生及团簇的运动形态和床内反应现象等的直观动态图像。这些直观动态图像对研究气固流化床的流动、传热、传质及床内反应特性有着相当重要的意义。其中，对固体颗粒的流动特性的研究是流化床实验中一个十分重要的研究方向。

5、在工业生产过程中，流化床不仅用于物料筛选、分离以及混合等冷态工业过程，同时广泛应用于粮食干燥、催化等热态工业过程。其中，在冷态工业过程中的，对固体颗粒的流动特性进行研究的实验装置与方法，均具有较为成熟的解决方案；但是，在热态工业过程中，由于涉及到复杂的传热传质等现象，颗粒的流动特性发生了改变，目前对固体颗粒的流动特性，尤其是在流化床干燥过程中对湿颗粒的流动特性进行研究的实验装置与方法，存在较多的缺陷。

6、现有的，在流化床干燥过程中对湿颗粒的流动特性进行研究的实验方法，大多为非可视化的、侵入式的方法，通过对干燥过程中的湿颗粒进行阶段性称重，来估计湿颗粒湿度的变化，整个实验过程不连续，称重过程影响实验结果的准确性，对湿颗粒干燥过程中湿度的估计误差较大，并且上述方法只能用于干燥过程中对湿颗粒湿度变化进行研究，不能研究湿颗粒的其他流动特性(如颗粒速度、温度等的分布与变化)，也不能用于在冷态工业过程中对颗粒的流动特性进行研究，应用场景过于单一。

7、因此，如何提供一种适用场景更加广泛且实验过程连续的无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统及方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统及方法，该系统及方法采用可视化板材和摄像装置进行无接触式连续测量，并采用变色硅胶颗粒来表征待测颗粒的湿度，实现了连续不间断测试，测量误差小。

2、基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

3、1、一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统，包括太阳能发生器、流化床、风室、气体管路、摄像装置以及数据分析处理装置；

4、所述气体管路上在进气口与出气口之间设有泄压阀、开关和流量计，靠近所述进气口设有泄压阀，靠近所述出气口设有流量计，所述进气口和所述出气口之间设有开关；

5、所述流化床置于所述太阳能发生器下方，所述流化床的底部为具有均匀进风孔的布风板，所述风室设置于所述布风板的下部，所述风室与所述出气口连接；

6、所述流化床前部左右两侧对称设有两个光源，所述流化床的前部为可视化板材，并且在所述流化床前部无接触固定所述摄像装置，所述摄像装置采集到的数据上传至所述数据分析处理装置。

7、进一步地，所述流化床前部还设有红外热像仪，所述可视化板材为选择性透过红外光线的光学玻璃。

8、进一步地，所述布风板采用3mm不锈钢板制成，开孔率为68％。

9、进一步地，所述流化床的后部布有加热板。

10、2、一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试方法，所述方法应用上述系统，包括如下步骤：

11、打开所述太阳能发生器；

12、将变色硅胶颗粒均匀放置在所述流化床底部的布风板上；

13、打开所述开关，将压缩气体通入所述气体管路，调整所述泄压阀使所述流量计测得的流量为预设数值；在通入压缩气体期间，通过所述摄像装置，基于预设频率采集所述流化床内部的图像并上传至所述数据分析处理装置；

14、所述数据分析处理装置基于所述流化床内部的图像，得到颗粒速度分布。

15、进一步地，调整所述泄压阀使所述流量计测得的流量为预设数值，所述预设数值的折合气体速度为1.2m/s。

16、进一步地，测量热态场景时，所述变色硅胶颗粒与水均匀混合后，均匀放置在所述流化床底部的布风板上，混合比例为300g变色硅胶颗粒与10g水混合。

17、进一步地，在放置所述变色硅胶颗粒之前，还包括通过所述流化床后部的加热板将所述流化床内部温度加热至预设温度的步骤，所述预设温度低于50℃。

18、进一步地，在通入压缩气体期间，还包括打开光源的步骤，还包括通过红外热像仪采集所述流化床内部的颗粒温度数据并上传至所述数据分析处理装置的步骤；

19、所述数据分析处理装置基于所述流化床内部的图像和所述颗粒温度数据，得到颗粒速度分布、温度分布和湿度。

20、本发明提供的太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统及方法，至少包括如下有益效果：

21、(1)采用可视化板材和摄像装置并变色硅胶颗粒替代待测颗粒，实现对颗粒含水量无接触连续性测量，减少对实验结果的干扰，从而不必采用阶段性称重的方式，实验测量连续，测量误差较小；

22、(2)可适用于冷态和热态两种不同场景，避免了测量场景单一的问题，适用范围更广，且测量的物理量更加丰富，同时采用的实验装置简单，易于操作。

技术特征：

1.一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统，其特征在于，包括太阳能发生器、流化床、风室、气体管路、摄像装置以及数据分析处理装置；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流化床前部还设有红外热像仪，所述可视化板材为选择性透过红外光线的光学玻璃。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述布风板采用厚度为3mm的不锈钢板制成，开孔率为68％。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流化床的后部布有加热板。

5.一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-4任一所述的系统，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调整所述泄压阀使所述流量计测得的流量为预设数值，所述预设数值的折合气体速度为1.2m/s。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量热态场景时，所述变色硅胶颗粒与水均匀混合后，均匀放置在所述流化床底部的布风板上，混合比例为300g变色硅胶颗粒与10g水混合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在放置所述变色硅胶颗粒之前，还包括通过所述流化床后部的加热板将所述流化床内部温度加热至预设温度的步骤，所述预设温度低于50℃。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在通入压缩气体期间，还包括打开光源的步骤，还包括通过红外热像仪采集所述流化床内部的颗粒温度数据并上传至所述数据分析处理装置的步骤；

技术总结
一种太阳能驱动无侵入式湿颗粒干燥的流化床测试系统及方法，涉及流态化系统技术领域，系统包括太阳能发生器、流化床、风室、气体管路、摄像装置以及数据分析处理装置；所述气体管路上在进气口与出气口之间设有泄压阀、开关和流量计；方法包括：将变色硅胶颗粒均匀放置在所述流化床底部的布风板上；将压缩气体通入所述气体管路，调整所述泄压阀使所述流量计测得的流量为预设数值；在通入压缩气体期间，通过所述摄像装置，基于预设频率采集所述流化床内部的图像并上传至所述数据分析处理装置；该系统及方法采用可视化板材和摄像装置进行无接触式连续测量，并采用变色硅胶颗粒来表征待测颗粒的湿度，实现了连续不间断测试，测量误差小。

技术研发人员：何玉荣,唐天琪,宋志超,刘汉儒
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1