基于复合检测的气固两相质量流量测量系统的设计

    1 引言

    工业生产过程广泛使用气力在封闭管路内输送固体物料，从而形成气固两相流体。上述过程中，无论燃烧控制、配料控制还是物料计量管理，都需要测量气固两相流的实质部分，即固相质量流量，而不是总的体积流量。因此，测量气固两相流的固相质量流量成为工业生产部门的迫切需要，但是，与液固、气液两相流相比，气固两相流更具复杂性粕随机性，测量的难度很大，至今不能很好的解决。对照已经发展的各种气固两相流测量技术，成败的关键是:能否准确测量管道截面固相浓度。

    2 热平衡法的问题

    早些时候人们提出了测量煤粉质量流量的热平衡法，其原理结构如图1所示。

    热平衡法计算公式[2]为

其中，q_mp、q_mG一分别是固相、气相质量流量

      C_q、C_p—分别是气相、固相的定质比热容

      T、T₂—分别是气相、固相初始温度

      T₁—是热平衡点的热平衡温度

    由于实际系统的热平衡点不能确定，目前以某固定点作为热平衡点的方法存在较大误差。为了使分析简单明了，可做以下假设:

    (1)自热空气温度T测点至热平衡点之间的部分管道内自然热损失为零，系统与外界无热交换。

    (2)颗粒为具有均一尺寸的球形，平均粒径为D，颗粒的比热不变，由于颗粒较小，内部温度是均匀的，仅为时间:的一元函数，颗粒之间的碰撞发热量较小，不予考虑。

    (3)气体服从理想气体定律，气体的比热不变，在图1所示x这段管道之内气体的温度随位置x均匀线性变化，如图2所示。

    假设颗粒从初始状态到达气固热平衡状态经过秒，以一个颗粒为研究对象，应用传热学的牛顿冷却公式:

其中，α一气体对固体的换热系数

      V、A—分别是固体颗粒的体积和表面积介

      Tp—颗粒温度

      Tq—颗粒周围气体温度

      Pp—颗粒的密度

    可以看出颗粒的温度TP随时间变化，气体温度Tq随管道位置而线性递减，也随时间变化，因止瞅态要达到平衡，颗粒所需时间t与V、T、T₂都有关系，对于不同系统平衡点会不同。因此固定热平衡点的办法不满足实际测量需要，按热平衡法计算质量流量将产生较大误差，不能用于流量计量，只适于条件相同的流量均匀性比较。另外计算表明，真正的平衡点很难确定，不管是实验研究还是现场应用都不现实。

    3 能量守恒法

    在原来系统的基础上，利用传热学及能量守恒等原理，改进了原有的测量系统。新测量系统基本结构与图1相似。但在热空气管段和混合热交换管段均插入复合传感器，结构如图3，采用恒温式热线风速仪的测量原理，利用测温探头、测速探头、带反馈惠更斯电桥(如图4所示，R(v)、R(t)分别为测速、测温铂电阻)，可以同时得到A、B两点的电压信号，经过处理(输出跟速度、温度不是线性关系)，即可同时测得温度和速度等信息。测得两处的速度、温度信号后，应用传热学原理、能量守恒定律和信息融合等技术，可分析计算确定固相浓度和流速，从而解决气固两相流的在线测量问题。