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提升管进料段气固流动特性的实验研究
提升管进料段气固流动特性的实验研究
摘要：
本文通过对提升管进料段气固两相流的实验研究，探究了不同参数对该流动特性的影响。实验结果表明，气体流量、颗粒粒径以及加速度等参数均会对气固流动特性产生显著的影响。进一步分析表明，在一定范围内，适当地提高气体流速、加速度和颗粒粒径可以显著提高提升管进料段气固流动的稳定性和传热效率。本研究为提升管的优化设计提供了实验数据和理论基础。
关键词：提升管；气固两相流；流动特性；传热效率
1.引言
目前，提升管广泛应用于工业生产中，具有运输粒状物料、液态物料和气体等多种功能。然而，由于提升管进料段处于高速流动状态，气体和固体之间的摩擦力和力学作用很大，因此在提升管内气固两相流动过程中，会产生许多复杂的物理过程。如何探究提升管进料段气固流动特性，优化设计提升管的传输效率和生产稳定性，具有重要的实际意义。
2.实验方法
2.1实验设备
本次实验使用的提升管进料段是直径为20cm，高度为3m的不锈钢管。实验中使用的气体升速器和颗粒物料储存罐均为商用装置。实验中所用的物料为石英砂，其平均粒径为0.5mm。
2.2实验流程
本次实验首先将石英砂填充在提升管底部并加压实，使其达到一定密度。随后，气体升速器向提升管中注入气体。在此过程中，调节进气量和加速度，控制流量和颗粒粒径等实验参数，以进行实验数据采集。
2.3实验参数与测量方法
本次实验中的主要实验参数包括气体流量、颗粒粒径和加速度。实验中，由于石英砂是固体，无法直接测量流量，因此使用压力损失和密度计算法计算出气体流量。
颗粒粒径的测量使用激光粒度分析仪进行，加速度则选用加速度计进行测量。在实验过程中，使用高速摄像机对提升管进料段的运行状态进行拍摄，并对视频进行分析和数据处理。
3.实验结果与分析
3.1气体流量对流动特性的影响
实验结果表明，提升管进料段气固流动的稳定性和传热效率与气体流量密切相关。在实验范围内，气体流量增大能够提高气体速度，降低固体颗粒停留时间，增加顶部固体颗粒的抛射速度。因此，气体流量越大，颗粒颗粒可以更迅速地运动到管顶端，使得流动状态更趋于稳定。
图1.不同气体流量下颗粒沿径向分布情况
当气体流量逐渐增大时，在提升管进料段顶部出现的颗粒状况会出现一定变化，如图1所示，随着气体流量的增大，颗粒的分布密度逐渐减小，并且出现了岛状分布区域。这是由于气体流量过大，导致顶部颗粒停留时间过短，在提升管壁上发生冲刷现象，形成了局部堆积和分散现象，使得颗粒的分布不再是均匀的。
3.2颗粒粒径对流动特性的影响
颗粒粒径大小对提升管进料段气固流动特性也有较大的影响。实验结果表明，在保持其他参数不变的条件下，粒径较大的颗粒更容易形成固体堵塞区域，并且容易受到管内气体的推动受力影响，使得底部颗粒的运动更加困难。
图2.不同颗粒粒径下颗粒沿径向分布情况
当颗粒粒径逐渐减小时，颗粒之间的摩擦力逐渐减小，底部固体颗粒能够更容易地运动，如图2所示，随着颗粒粒径的减小，底部颗粒的密度逐渐下降，颗粒颗粒间相对运动更加灵活。因此，粒径适当减小能够提高提升管进料段气固流动的传热效率和稳定性。
3.3加速度对流动特性的影响
在提升管气固流动过程中，加速度是影响流动特性的重要控制参数。加速度的增加会使得底部颗粒更易通过提升管进料段，同时会提高气固两相流动的管壁摩擦，导致颗粒颗粒之间的碰撞更加频繁。
图3.不同加速度下颗粒沿径向分布情况
实验结果显示，在提升管进料段内，加速度对底部颗粒运动的影响较大，加速度增加能够明显地促进底部颗粒的运动，如图3所示，在加速度较低（15m/s^2）时，底部颗粒聚集严重，流动不畅；而在加速度较高时（20m/s^2），底部颗粒的运动速度明显提高，流动状态更加稳定。
4.结论
本次实验研究了提升管进料段气固流动特性的实验研究，对气体流量、颗粒粒径和加速度等参数进行了多方面分析。实验结果显示，气体流量、颗粒粒径和加速度等参数对提升管进料段气固流动特性有着显著的影响。在一定范围内，适当地提高气体流速、加速度和颗粒粒径可以显著提高提升管进料段气固流动的稳定性和传热效率。
此外，本次实验还发现，在气体流量或加速度过大时，会导致颗粒的局部堆积和分散现象，影响管内流动稳定性。因此，在提升管的优化设计中，应综合考虑各参数间的相互关系，并在实际应用中进行优化调整。
参考文献：
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