устройство для определения характеристик двухфазного потока

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА, содержащее датчик давления, установленный в направляющем коробе, отличающееся тем, что содержит второй датчик давления, установленный во втором направляющем коробе в непосредственной близости с первым, короба установлены на полой цилиндрической штанге, ось которой перпендикулярна оси коробов, короба заглушены снизу обтекателем и снабжены боковым отверстием, выполненным со стороны крепления коробов к штанге и перекрываемым полым стержнем, установленным соосно внутри штанги с вырезанными напротив отверстий цилиндрическими сегментами, смещенными друг относительно друга на 90 - 180^o, при этом датчики давления установлены в коробках на расстоянии от верхней кромки короба до центра рабочей плоскости чувствительных элементов, не превышающем диаметра короба так, что плоскость каждого чувствительного элемента каждого датчика перекрывает сечение соответствующего короба напротив бокового отверстия.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит отражатель, установленный на штанге с возможностью поворота относительно входа коробов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения характеристик дисперсного потока в аппаратах теплоэнергетической, химической и металлургической промышленности, а именно при измерениях как в низкотемпературных потоках, так и в потоках, содержащих продукты сжигания твердых топлив с повышенной температурой.

Известны оптические устройства, определяющие концентрацию частиц в дисперсном потоке и состоящие из источника света, корректирующей оптической системы и приемника света [1] Отраженный либо рассеянный потоком частиц пучок света улавливается приемником излучения, модулируется и сравнивается с неискаженным образцовым сигналом, исходящим из того же источника, что и рабочий сигнал. По скорости возвращения отраженного сигнала или по степени ослабления светового импульса определяется концентрация твердых частиц в излучаемом дисперсном потоке.

Однако такие устройства требуют надежной изоляции оптической части от потока частиц и плохо работают в областях минимальной, либо максимальной концентрации. Кроме того, эти устройства недостаточно динамичны и управляемы, так как для измерения в разных областях потока требуют перестройки оптической систему и сложной системы обработки поступаемой полезной информации.

Известен датчик, в котором эти недостатки проявляются в меньшей степени, состоящий из направляющего короба, одновременно выполняющего функцию измерительной штанги, измерительной головки с пьезочувствительным элементом, обтекателя, выполненного из звукоизолирующего материала, отсасывающего насоса и расходомера [2] Под действием насоса твердые частицы разгоняются в направляющем коробе определенного поперечного сечения до примерно равных друг другу скоростей и попадают на пьезоэлектрический преобразователь, фиксирующий число столкнувшихся с ним частиц путем преобразования кинетической энергии частиц в электрический сигнал и далее в акустический сигнал. Число соударений подсчитывается счетчиком, соединенным с полым обтекателем. Из известного расхода среды и числа столкновений частиц с пьезочувствительным элементом определяется концентрация частиц. Этот датчик наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству.

Недостатками данного датчика являются низкая динамичность и сложность в управлении, так как, работая в поле силы тяжести, он позволяет измерять концентрацию частиц только при однородном или близком к однородному дисперсном составе потока. Кроме того, представляется затруднительным производить измерения в любой желаемой точке пространства вследствие необходимости опускного движения потока при работе установки, а также обеспечить герметичность отвода при перемещениях датчика, связанного с системой отсоса потока.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство для определения характеристик двухфазного потока, содержащее датчик давления, установленный в направляющем коробе, дополнительно содержит второй датчик давления, установленный во втором направляющем коробе в непосредственной близости с первым, короба установлены на полой цилиндрической штанге, ось которой перпендикулярна оси коробов, короба заглушены снизу обтекателем и снабжены боковым отверстием, выполненным со стороны крепления коробов к штанге и перекрываемым полым стержнем, установленным соосно внутри штанги с вырезанными напротив отверстий цилиндрическими сегментами, смещенным друг относительно друга на 90-180^о, при этом датчики давления установлены в коробах на расстоянии от верхней кромки короба до центра рабочей плоскости чувствительных элементов, не превышающем диаметра короба так, что плоскость каждого чувствительного элемента датчиков перекрывает сечение соответствующего короба напротив бокового отверстия.

Устройство для работы в потоках с разным направлением может содержать отражатель, установленный на штанге с возможностью поворота относительно входа коробов.

Технический результат изобретения заключается в том, что повышается динамичность и управляемость устройства вследствие идентичности коробов, возможности сравнения показаний чувствительных элементов, отсутствия громоздкой системы отсоса части потока и последующего выравнивания скоростей частиц. Введение в конструкцию отражателя расширяет функциональные возможности устройства, т. е. позволяет проводить исследования как в нисходящих, так и в восходящих потоках. Кроме того, устройство позволяет производить измерения в реальном времени, что особенно важно в химически реагирующих потоках, и оценивать скорость частиц.

На фиг.1 показано устройство, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг;1; на фиг.3 устройство, вид сверху; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1.

Устройство для определения характеристик двухфазного потока состоит из полок цилиндрической штанги 1, на которой закреплены идентичные направляющие короба 2 и 3, в нижней части которых размещены чувствительные элементы 4 и 5, например механотроны, контактирующие с полыми обтекаемым телами 6 и 7 соответственно с охлаждающей жидкостью, например глицерином, и граничащие со сквозными отверстиями а в боковой стенке коробов 2 и 3, прикрываемыми расположенным соосно внутри цилиндрической штанги 1 полым стержнем 8 с вырезанными цилиндрическими сегментами, смещенными относительно друг друга на угол 90-180^о. Нижний предел диапазона угол 90^о взят равным двойному углу естественного откоса пыли твердой фазы для обеспечения беспрепятственного удаления пыли из одного из направляющих коробов, например короба 3, и одновременного закрытия бокового отверстия в другом направляющем коробе. Верхний предел угол 180^о взят с учетом того, что угол, превышающий его при отсчете, например по часовой стрелке, будет соответствовать углу, меньшему 180^о при отсчете против часовой стрелки. Кроме того, угол 180^о обеспечивает наибольшую технологичность в изготовлении и максимальные удобства и надежность в эксплуатации.

Над коробами 2 и 3 расположен отражатель 9, соединенный со штангой 1 стержнем 10, имеющим возможность поворота вокруг продольной оси.

Нижняя часть стержня 10 имеет направляющую лопатку 11, вставленную в цилиндрическую проточку 12 на стержне 8 и предназначенную для обеспечения поворота стержня 10 и жестко соединенного с ним отражателя 9 вокруг продольной оси стержня 10 на 30^о, что достаточно для освобождения рабочего пространства для попадания пыли в направляющие короба 2 и 3 при работе в опускных потоках, путем перемещения цилиндрического стержня 8 вдоль продольной оси на 2 мм. Отражатель 9 выполнен в виде цилиндрического параболоида для обеспечения отражения твердых частиц потока в область, прилежащую к плоскости, проходящей через вертикальные оси направляющих коробов 2 и 3, при этом для облегчения последующей обработки полезной информации площадь активной поверхности отражателя 9 принята равной суммарной площади поперечного сечения направляющих коробов 2 и 3. Для предотвращения попадания пыли в направляющие короба 2 и 3 через боковые отверстия а при работе в восходящих потоках непосредственно под сегментами установлен жестко соединенный с направляющими коробами 2 и 3 и со штангой 1 защитный козырек 13. Чувствительные элементы 4 и 5 расположены в направляющих коробах 2 и 3 таким образом, чтобы расстояние от верхней кромки коробов до центра рабочей плоскости чувствительных элементов 4 и 5 не превышало диаметра коробов, так как известно, что давление на дно в зернистом слое изменяется линейно только до высот зернистого слоя (в данном случае дисперсной фазы), не превышающих диаметр направляющего короба.

Устройство работает следующим образом.

Поворотом вокруг продольной оси стержень 8 закрывает боковые отверстия а в направляющем коробе 2, при этом открывается боковое отверстие в направляющем коробе 3. Датчик вносится в восходящий пылевой поток. Твердые частицы, отразившись от отражателя 9, попадают в направляющие короба 2 и 3, причем короб 2 наполняется частицами, а через короб 3 частицы проходят, покидая его после взаимодействия с чувствительным элементом 5 через боковое отверстие a. На чувствительный элемент 4 частицы оказывают давление, линейно возрастающее до величину

Р₁ gh, Па (1) где плотность частиц в направляющем коробе 2, кг/м³;

g ускорение свободного падения, м/с²;

h расстояние от верхней кромки направляющего короба 2 до центра рабочей плоскости чувствительного элемента 4, м.

Можно считать, что давление на открытый чувствительный элемент 5

Р₂ K, (2) где средняя плотность частиц, кг/м³;

V средняя скорость частиц в потоке, м/с;

k коэффициент, определяемый экспериментально для данной установки.

Решив уравнения (1) и (2), можно найти среднюю скорость частиц в потоке и отсюда, зная площадь активной поверхности отражателя 9, определить объемную концентрацию твердых частиц в потоке. Кроме того, дополнительную информацию можно извлечь, зная время наполнения направляющего короба 2, определив его по стабилизации давления Р₁. При повторных измерениях поворотом стержня 8 вокруг продольной оси, например на 180^о, открывается боковое отверстие в направляющем коробе 2, и одновременно закрывается боковое отверстие в направляющем коробе 3. Таким образом значение давления Р₁ определяется уже по показаниям чувствительного элемента 5, а значение давления Р₂ по показаниям чувствительного элемента 4.

При измерениях в нисходящих потоках перемещением стержня 8 вдоль продольной оси на 2 мм связанный с ним шарнирно посредством направляющей лопатки 11 и цилиндрической проточки 12 отражатель 9 поворачивается на 30^о, освобождая тем самым пространство непосредственно над направляющими коробами 2 и 3 и не препятствуя попаданию в них частиц.