способ измерения массового расхода и массового паросодержания парожидкостного потока

Формула изобретения

Способ измерения массового расхода и массового паросодержания парожидкостного потока, включающий измерение перепадов давления на двух последовательно установленных участках местного сопротивления, давление и температуру потока перед участками местного сопротивления, отличающийся тем, что в качестве двух последовательно установленных участков местного сопротивления используют участки большего диаметра с внезапным расширением потока, имеющие различные проходные сечения, диаметр которых выбран из условия сохранения в указанных участках кольцевой структуры парожидкостного потока, а массовый расход и массовое паросодержание потока определяют путем составления системы уравнений, описывающих зависимости массового расхода и массового паросодержания потока от измеренных величин на участках большего диаметра с внезапным расширением потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в том числе к средствам измерения расхода парожидкостного потока, и может быть использовано в системах теплоснабжения промышленных предприятий.

Известен способ измерения расходов газов, жидкостей и паров [1], включающий измерение перепада давления на двух сужающих устройствах, одно из которых снабжено байпасной линией. При этом отвод потока в байпасную линию осуществляется непрерывно. Массовый расход вещества в трубопроводе через второе сужающее устройство равен сумме массовых расходов вещества через первое сужающее устройство и через байпасную линию.

Этот способ имеет следующие недостатки: в сжатых сечениях после сужающих устройств остаются неизвестными истинные концентрации фаз _п,ж, коэффициент сжатия струи и существует возможность критического течения; устройства по данному способу из-за применения сужающих устройств типа "диафрагма", "сопло" и прочие сложны по конструкции и имеют высокие перепады давления.

Известен также способ измерения расхода паро- и газожидкостных смесей [2] , включающий измерение перепадов давления на двух последовательно установленных диафрагмах. Поток после первой по ходу диафрагмы дополнительно дросселируют; измеряют давление и температуру потока перед диафрагмами, а расход и паросодержание смеси определяют по формулам



где M - массовый расход парожидкостного потока;

p₁- перепад давления на первой диафрагме;

_п1,ж1- плотность пара и жидкости;

_д- площадь проходного сечения диафрагмы;

m - модуль измерительной диафрагмы;

x₁, x₂ - расходное массовое паросодержание потока перед соответствующей диафрагмой, определяемое из соотношений





где p₂ перепад давления на второй диафрагме;

r₁, r₂ - теплота парообразования при давлении p₁ и p₂ перед диафрагмами;

i_ж1, i_ж2 - энтальпии насыщенной жидкости при давлении p₁ и p₂;

_п2,ж2- плотность пара и жидкости при давлении p₂ перед второй диафрагмой;

_i- коэффициент расширения среды для пароводяного потока.

Этот способ имеет следующие недостатки: формула для определения расхода паро- и газожидкостных смесей по сути является известной формулой для определения расхода однофазного потока и не учитывает отличие истинных концентраций фаз от расходных как до диафрагмы, так и в "сжатом" сечении после диафрагмы; на диафрагмах имеют место высокие потери давления, поэтому диапазон измерения расхода является ограниченным величиной минимально допустимого давления у потребителя, а также вследствие возможного возникновения критического течения. Особо следует отметить отсутствие в настоящее время надежных методов расчета истинных концентраций фаз в "сжатом" сечении. Поэтому использование диафрагм для измерения расходов паро- и газожидкостных потоков неизбежно дает большие погрешности.

Заявляемое техническое решение позволяет устранить эти недостатки. Это достигается тем, что в качестве местного сопротивления используют не сужающие устройства, а участки большего диаметра с внезапным расширением, служащие для измерения расхода парожидкостного потока.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения массового расхода и массового паросодержания парожидкостного потока и расширение диапазона измерений.

Для достижения данной цели в способе, включающем измерение перепадов давления на участках местного сопротивления, абсолютных давлений и температур перед участками местного сопротивления, определяют массовый расход и массовое паросодержание парожидкостного потока путем составления системы уравнений, описывающих зависимости массового расхода и массового паросодержания потока на участках большего диаметра с внезапным расширением от измеренных величин. Кроме того, участки большего диаметра с внезапным расширением устанавливают с различными проходными сечениями, а сигналы с датчиков дифманометров поступают на вход вторичного преобразователя и обрабатывают с помощью ЭВМ.

В результате применения участков большего диаметра с внезапным расширением можно выполнять измерения расхода и массового паросодержания с точностью, большей, чем у прототипа, так как в отличие от диафрагмы предлагаемые участки не приводят к резкому сужению потока, что освобождает от необходимости вычисления коэффициента сжатия струи , истинных концентраций фаз в "сжатом" сечении, на участках не происходит больших потерь давления, не может возникнуть критическое течение. Необходимо отметить простоту изготовления и низкую стоимость оборудования, которое используют для измерения расхода.

Указанная цель достигается следующим образом; на трубопроводе устанавливают последовательно два участка большего диаметра с внезапным расширением потока на расстоянии 8 - 10 диаметров трубопровода. Импульсы с датчиков температуры и давления подают на вход вторичного прибора - преобразователя и полученные данные обрабатывают с помощью ЭВМ. При обработке данных на ЭВМ в основе алгоритма используют систему уравнений: энергии и количества движения парожидкостного потока для двух участков большего диаметра с внезапным расширением:









где _1,2,3,4- площадь живых сечений участков 1, 2, 3, 4 соответственно, ²;

p₁, p₂, p₃, p₄ - давление на участках 1, 2, 3, 4 соответственно, Па;

h_1-2, h_3-4 - потери напора на участках 1-2 и 3-4, м;

х_ж, х_п - расходные массовые влагосодержание и паросодержание потока, безразмерная;

х_п = 1-х<sub>ж

ж1,ж2,ж3,ж4</sub>- расходные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;

_{п1,п2,п3,п4}- расходные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;

_{ж1,ж2,ж3,ж4}- истинные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;

_{п1,п2,п3,п4}- истинные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;

v₁, v₂, v₃, v₄ - удельные объемы смеси, м³/кг, определяемые из выражений

v₁ = х_жv_ж1 + х_пv_п1;

v₂ = х_жv_ж2 + х_пv_п2;

v₃ = х_жv_ж3 + х_пv_п3;

v₄ = х_жv_ж4 + х_пv_п4;

где v_ж1, v_ж2, v_ж3, v_ж4 - удельные объемы жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, м³/кг;

v_п1, v_п2, v_п3, v_п4 - удельные объемы пара в сечениях 1, 2, 3, 4, м³/кг;

M_1-2 = M_3-4 = M - массовый расход парожидкостного потока, кг/с.

Неизвестные величины: h_1-2, h_3-4, M, x_п.

Измеренные величины: p_1-2, p_3-4, p₁, p₃, t₁, t₃.

Задано: 1,2,3,4.

Для расчета физических и термодинамических свойств пара и жидкости используются известные зависимости (например, для пароводяной смеси [3], а для расчета объемных концентрацией фаз _ж,п - данные [4].

Заявляемый способ реализуется посредством устройства, схема которого приведена на фиг. 1.

На трубопроводе 1, по которому движется парожидкостный поток в направлении стрелки "а", встраивают последовательно участки 2 и 4, имеющие больший диаметр с внезапным расширением потока, и участок 3 диаметром, равным диаметру трубопровода 1, и длиной, равной 8 - 10 диаметров трубопровода. Перепады давления на участках 1-2 и 3-4 измеряют датчиками 5, а с помощью датчиков 6, 7 измеряют давление и температуру до участков большего диаметра с внезапным расширением. Датчики 5, 6, 7 соединены с вторичным прибором 8, который, в свою очередь, соединен с ЭВМ 9.

Устройство по предлагаемому способу действует следующим образом; при течении измеряемого парожидкостного потока по направлению "а", вдоль трубопровода 1, через первый и второй участки большего диаметра с внезапным расширением потока 2, 4 и участок 3 измеряют перепады давлений датчиками 5, абсолютные давления датчиками 6 и температуры - датчиками 7. Импульсы от всех перечисленных датчиков сводят к вторичному прибору - преобразователю 8 и полученные данные обрабатывают с помощью ЭВМ 9.

Предлагаемый способ может быть использован на паропроводах тепловых сетей при движении влажного пара (пароконденсатного потока), в других отраслях промышленности, где необходимо измерять расход двухфазного потока. Например, для обработки результатов измерений при расчете расхода влажного пара создана специальная компьютерная программа, в основе алгоритма которой - данные [3, 4].

При движении парожидкостного потока абсолютные скорости паровой и жидкой фаз различны. Данные по расходу среды, геометрии канала и физическим свойствам жидкости и пара еще не дают достаточно полного представления о гидродинамике потока. Поэтому для характеристики двухфазного потока наряду с величинами, рассчитанными по уравнениям материального и теплового баланса (такие величины принято называть расходными), вводятся величины, характеризующие движение каждой из фаз в отдельности или гидродинамику потока в целом (с учетом особенностей движения отдельных фаз), которые называют истинными параметрами.

Расходная объемная концентрация компонента - это отношение объемного расхода компонента к объемному расходу смеси, например



Истинная объемная концентрация компонента это значение, определяющее долю сечения, занимаемого этим компонентом в трубопроводе.

Расчет истинных объемных концентраций фаз производится по методике [4] с учетом структуры течения парожидкостного потока.

При W 3,3 и _ж<0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле

_ж= 2,1(100_ж)^0,5/K. (6)

где

K - безразмерный комплекс, определяемый как (Re We^0,5)^1/3;

W_см - скорость смеси, м/с;

- поверхностное натяжение, H/м;

_ж,п- плотность жидкости и пара, кг/м³;

Re - число Рейнольдса, безразмерное, Re = _жW_смD/_ж;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

_ж- динамическая вязкость жидкости, Пас;

We - число Вебера, безразмерное, We = /g(_ж- _п)D².

При W 3,3 и _ж>0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле

_ж= 5,5(100_ж)^0,5/V. (7)

где V - безразмерный комплекс, определяемый как (Re Fr)^1/3;

Fr - число Фруда, безразмерное, Fr = W_см²/gD.

Для описания закономерностей измерения истинных объемных концентраций фаз в широком диапазоне расходных и физических параметров потока, включающем области существования пробковой и кольцевой структур течения, и при W < 3,3 используется формула

_ж= 370_ж/V10^-S+ ⁰_ж(1-10^-S). (8)

где S = 600_ж/V;

⁰_ж- истинная объемная концентрация жидкости при пробковом режиме течения

⁰_ж= 1-K[1-exp(-4,4(Fr/Fr_a)^0,5)]_п, (9)

где K- коэффициент, зависящий от приведенной вязкости;

_*- приведенная вязкость, _*= _п/_ж;

при _* 0,01, K = 0,35+1,4⁰_*^,25;

при _*> 0,01, K = 0,77+0,23⁰_*^,5;

при _* 0,001, Fr_a= 1150⁰_*^,79;

при _*> 0,001, Fr_a= 9,8⁰_*^,1.

Fr_a - автомодельное значение критерия Фруда, зависящее от приведенной вязкости.

Истинная объемная концентрация пара

_п= 1-_ж. (10)

Диаметры участков 2 и 4 подбирают исходя из требуемой точности измерений, а также из условия сохранения в них кольцевой структуры парожидкостного потока во избежание его расслоения (гидродинамическое ограничение). Если требуемые диаметры участков 2 и 4 получаются такими большими, что не удовлетворяют конструктивным или гидродинамическим ограничениям, то уменьшают диаметр трубопровода 1 с помощью конфузора 10 и устанавливают участки 11 меньшего диаметра, чем трубопровод (см., например, фиг. 1а).

Источники информации

1. Авт.св. N 1649276, кл. МКИ G 01 F 1/00, 1991, СССР.

2. Авт.св. N 1580171, кл. МКИ G 01 F 1/74, 1990, СССР.

3. Ривкин С. Л. , Кремневская Е.А. Уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов процессов и оборудования электростанций. //Теплоэнергетика. -1977.- N 3, -C.37-42.

4. Мамаев В. А. , Одишария Г.Э., Клапчук О.В. и др. Движение газожидкостных смесей в трубах. - М.: Недра. - 1978.- 270 с.