一种测量离心分离器零速包络面长度的试验装置与试验方法
技术领域
本发明涉及的是一种轨迹跟踪试验装置及试验方法。
背景技术
离心式分离器是一种常见的技术，在工业中有着广泛的应用。离心分离器借助分离介质间的不相溶性和密度差，在离心力的作用下，实现两相分离，具有处理量大、分离速度快和结构紧凑的特点，并且其体积小，更适合在生产过程中使用。
零速包络面是离心分离器旋流场中轴向速度为零的点所形成的面，零速包络面的形态是影响分离效率的一个重要因素。零速包络面是离心分离器中的一个重要流场特征，零速包络面长度与旋流场强度息息相关(徐继润，罗茜，“水力旋流器流场研究新进展”，国外金属矿选矿，1989(11)：39-45)，在一定程度上可以表征分离器的分离性能。因此，有效测得零速包络面的长度有助于理解离心分离器的分离机制，能够为分离器的设计与选型提供指导。
根据目前公开的文献和专利，用于测量分离器内部流场的方法有直接测量法和间接测量法。但是，目前的测量手段分别存在以下问题：
直接测量法是直接在流场中布置测点，用于测量流场压力、流速等信息，但是直接在流场内布置测点往往会对实际流动产生一定的干扰，使得测量结果存在一定的偏差。
间接测量法往往是利用一些示踪粒子在流场中的流动性，根据粒子的轨迹特征从而得到流场的信息，目前存在的间接测量方法有粒子图像测试技术(PIV)、激光多普勒测速技术(LDA)等。但是PIV和LDA这些方法测量仪器的依赖性很强，并且系统结构复杂，需要多种高精度仪器配合使用，操作难度大，同时，对测量条件有很高的要求，限制了这些方法的广泛使用。
发明内容
本发明的目的在于提供可以简单、快速并有效地得到零速包络面的长度，从而为分离器的性能评价和优化改进提供充足的试验数据和可靠的技术支持的一种测量离心分离器零速包络面长度的试验装置与试验方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种测量离心分离器零速包络面长度的试验装置，其特征是：包括离心分离器、供水装置、离散颗粒供给装置、引出流采集装置，所述离散颗粒供给装置包括离散相供给罐、离散颗粒注入器，引出流采集装置包括第一引流口调节阀、第二引流口调节阀、采集箱，离心分离器的上游端和下游端分别设置第一引出口和第二引出口，第一引出口通过第一引流口调节阀连接采集箱的第一端，第二引出口通过第二引流口调节阀连接采集箱的第二端，在离心分离器上游叶轮的末端高度处开孔并与离散颗粒注入器相连，离散相供给罐通过蠕动泵连接离散颗粒注入器，供水装置通过入口调节阀连接离心分离器，离心分离器通过出口调节阀连接供水装置。
本发明一种测量离心分离器零速包络面长度的试验装置还可以包括：
1、所述离心分离器的外壳为透明有机玻璃，离心分离器的截面为圆形，在离心分离器的外部套有矩形水槽。
2、离心分离器出口一侧设置压力传感器，离心分离器入口和出口之间设置压差传感器。
3、离散相供给罐里添加染色剂；离散颗粒注入器为细长针管，其伸入离心分离器内部分为竖直、倾斜或者水平，其内径可调换。
本发明一种测量离心分离器零速包络面长度的试验方法，其特征是：
(1)布置权利要求1所述的测量离心分离器零速包络面长度的试验装置，并检查各个设备是否处于正常工作状态；
(2)启动数据采集系统和图像采集系统，监测各仪表测量值,并调整矩形水槽外的高速摄影仪的位置，准备采集离散颗粒运动图像；
(3)根据试验要求，调节在离心分离器内的离散颗粒注入器，确定试验要求所需要的离散颗粒的尺寸、注入方向和注入位置；
(4)启动供水系统，调节入口调节阀和出口调节阀，确定试验时需要达到的流量和压力，至旋流场稳定；
(5)启动引出流采集装置，记录一段时间内的采集箱中的液位高度,确定试验时的分流比和引流比；
(6)启动离散颗粒供给装置，调节蠕动泵，确定试验要求的离散颗粒注入速率，至离散颗粒注入速率稳定；
(7)高速摄影仪拍摄完试验要求的离散颗粒轨迹，对图像进行分析，获得零速包络面长度，试验结束。
本发明的优势在于：本发明试验装置可对零速包络面进行可视化拍摄，可满足不同流量、分流比、引流比等条件下，零速包络面长度测量的要求。该装置可实现:
(1)记录离散颗粒在旋流场中的运动轨迹，并对其进行图像分析，根据特征离散颗粒的位置，从而测量得到零速包络面的长度。
(2)通过调节两个引出口处的阀门，实现不同的引流比的调控，测量得到不同引流比条件下零速包络面长度，为分离器的运行调控和结构优化提供可靠的参考依据。
(3)通过调节两个引出口处的阀门和试验段出口处的阀门，实现不同的分流比的调控，测量得到不同分流比条件下零速包络面长度，为分离器的运行调控和结构优化提供可靠的参考依据。
(4)通过试验段出口阀门的调节，改变试验段内压力，测量得到不同压力下零速包络面长度，为分离器的运行规律提供可靠的参考依据。
(5)通过试验段入口阀门的调节，实现不同的试验段流量，进而获得不同流量下分离器的零速包络面长度，为分离器的运行规律提供可靠的参考依据。
(6)通过改变分离器结构参数，进而得到不同流量下分离器的零速包络面长度，为分离器的优化设计提供可靠的参考依据。
(7)采用不同的离散颗粒注入器，进而控制离散颗粒的大小和离散颗粒的注入方向，实现不同的离散颗粒轨迹。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明试验装置的拍摄示意图；
图3为本发明的离散颗粒注入系统放大图；
图4为本发明离散颗粒注入系统中离散颗粒注入器的结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明一种测量离心分离器零速包络面长度的试验装置，主要包括入口调节阀1、离心分离器2、出口调节阀3、涡街流量计4、热电偶5、压差传感器6、压力传感器7、矩形水槽8、离散颗粒注入器9、蠕动泵10、离散相供给罐11、引流口调节阀12、采集箱13、刻度尺14、高速摄影仪15。按功能分，主要为供水装置、试验段、离散颗粒供给装置和引出流采集装置，供水装置通过管线连接入口调节阀1进入试验段，通过出口调节阀3流回供水装置，离散颗粒供给装置依次连接离散相供给罐11、蠕动泵10、离散颗粒注入器9，引出流采集装置依次连接引流口调节阀12、采集箱13。试验段包括离心分离器2和矩形水槽8，离心分离器2具有两个引出口，通过管路与采集箱13的两侧相连，并通过引流口调节阀12调节引出流量的大小。采集箱13，分别收集离心分离器2上游端引出口和下游端引出口的流体，并通过采集箱13上的刻度尺测量一定时间内两侧引出流体的体积大小，进而计算引出流量。
在离心分离器2上游叶轮的末端高度处，在分离腔室筒体壁面开孔并与离散颗粒注入器9连接，可以连续注入离散颗粒。
离散颗粒注入器9为细长针管结构，可替换进而控制离散颗粒的大小和离散颗粒的注入方向。
离心分离器2出口与出口调节阀3连接，调节阀门改变分离器出口流量，实现不同的分流比(分离器出口流量与分离器的入口流量的比值)。
在离心分离器2的上游端和下游端设有引流口，与引流口调节阀12连接，调节阀门进而控制引出流量，进而实现不同的引流比(上游端引出口排出流量与下游端引出口排出流量的比值)。
离心分离器2由透明有机玻璃组成，可进行可视化研究，并在离心分离器2的侧面平行布置高速摄像仪15，追踪离散颗粒的运动轨迹；离心分离器2为圆形通道，在其外部设置矩形水槽8，进而消除圆形通道所引入的视觉误差。
试验中入口流量的大小由入口调节阀进行调节，用涡轮流量计进行测量；离散颗粒的注入速率由蠕动泵进行调节，由高速摄影仪进行确定；系统压力由出口调节阀进行调节，由压力传感器进行测量。
采集箱采用透明材质制成，通过采集箱表面的刻度尺获取液位信息，进而通过单位时间引出流体的体积计算引出流量。
用热电偶测量试验段入口的流体温度，用压差传感器测量试验段的压差，用压力传感器测量试验段压力。
试验中的温度、流量、压力和压差等数据均由NI数据采集系统输入PC机，采用专门编制的软件对试验数据进行采集、计算、显示的操作，实现对试验工况的实时监测。
利用上述测量零速包络面长度试验装置的测量方法，包括以下步骤：
1)布置所述的离心分离器零速包络面长度测量的试验装置，并检查各个设备是否处于正常工作状态。
2)启动数据采集系统和图像采集系统，监测各仪表测量值,并调整高速摄影仪位置，准备采集离散颗粒运动图像。
3)根据试验要求，调节在分离腔室筒体内的离散颗粒注入器，确定试验要求所需要的离散颗粒的尺寸、注入方向和注入位置。
4)启动供水系统，调节入口调节阀和出口调节阀，确定试验时需要达到的流量和压力，至旋流场稳定。
5)启动引出流采集装置，记录一定时间内与引出口相连的采集箱中的液位高度,确定试验时的分流比和引流比。
6)启动离散颗粒供给装置，调节蠕动泵，确定试验要求的离散颗粒注入速率，至离散颗粒注入速率稳定。
7)高速摄影仪拍摄完试验要求的离散颗粒轨迹，对图像进行分析，获得零速包络面长度，试验结束。
用于分离器零速包络面长度拍摄时，其技术方案是：试验前依据离散相的种类和颜色向离散相供给罐11中适当加入染色剂以区分离散颗粒与连续相两种工质；启动水泵使水箱中的水流经涡轮流量计4、并经入口调节阀1调节流量后进入离心分离器2；水经过入口扰流器后，产生旋流场进入离心分离器2；待旋流场稳定后，启动蠕动泵10使离散相供给罐11中的离散相经过离散颗粒注入器9也进入离心分离器2，进而实现轨迹示踪的目的；在离心分离器2的入口处由热电偶5测量入口水温，由压差传感器6测量试验段压降，由压力传感器7测量试验段压力；试验时除进行可视化观察外，由高速摄影仪15记录下油滴轨迹得到零速保包络面长度，为分离器性能评价和优化改进的基础依据。试验过程中，由引流口调节阀12分别调节上游端引流口和下游端引流口的引出流量，通过采集水箱上的刻度尺分别记录一定时间内排入采集箱两侧的流体总体积并计算出引出流量，确定分流比和引出比。试验过程中，可通过调节入口调节阀1和出口调节阀3和引流口调节阀12，实现不同的入口流量、分流比和引流比，测量其对零速包络面长度的影响。试验过程中，可通过调节出口调节阀3，实现不同的试验段压力，测量其对零速包络面长度的影响。试验过程中，可通过控制蠕动泵10调节离散颗粒的注入速率，进而探究上述因素对零速包络面长度的影响。拍摄得到的离散颗粒轨迹如图2所示，图中标记了三个典型的离散颗粒，其中绿两个框中的离散颗粒逐渐向两端移动，而另一个框中离散颗粒在该轴向高度上保持波动，可以认为此框中的离散颗粒轴向速度为零，因此测量此框中的离散颗粒的轴向位置即可得到零速包络面的长度。
结合附图3-4，进一步说明该试验装置的可控因素：
在试验进行前，可通过替换离散颗粒注入器9改变离散颗粒的注入方向，比如水平方向注入旋流场，倾斜方向注入旋流场和竖直方向注入旋流场，并且可通过离散颗粒注入器9的口径控制离散颗粒的大小。另外，通过控制离散颗粒注入器9插入试验段的距离，可以控制离散颗粒注入位置距试验段内筒壁的距离，也就是说注入位置可贴近试验段内筒壁注射，也可远离试验段内壁面注射。离散颗粒注入器9具有高度的灵活可调性。
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