УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ РАСХОДОВ КОМПОНЕНТОВ ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ Российский патент 1994 года по МПК G01F5/00 

Изобретение относится к измерительной технике. Во многих физических установках, например, атомных электростанциях, сверхпроводящих ускорителях, в качестве рабочих сред применяются двухфазные потоки.

Основными характеристиками, определяющими надежность таких систем, являются общий расход и соотношение расходов компонентов двухфазного потока. Это соотношение характеризуется величиной массового расходного паросодержания х, которое представляет собой выражение
x = , (1) где G_п и G_ж - расход пара и жидкости, кг/с, соответственно.

Известен косвенный способ определения массового расходного паросодержания двухфазного потока среды [1] , основанный на расчете х с помощью уравнения теплового баланса
x = (2) где i₁ - энтальпия однофазного потока жидкой среды на входе в испарительный участок;
i', i" - равновесные значения энтальпии жидкой и газовой фаз потока соответственно в точке измерения х;
Q - теплоприток на участке от точки с энтальпией i₁ до точки, в которой определяется х;
G - расход среды.

Стенд для реализации такого способа содержит устройства для измерения температуры, давления и расхода рабочей среды. Эти данные необходимы для расчета величины х. Данный способ обладает следующими недостатками: необходима калибровка расходомерного устройства, а аттестованные поверочные устройства, например для гелия, практически недоступны для широкого круга потребителей; для криогенных сред трудно обеспечить идентичность рабочих условий датчика температуры и условий, при которых проводится его калибровка, что ведет к дополнительной погрешности измерения температуры; для криогенных сред существуют сложности при определении величины теплопритока Q, так как рассчитать эту величину для реального объекта не представляется возможным, а датчиков для измерения этой величины не существует.

Все эти недостатки усложняют процедуру определения величины х или делают ее невозможной.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для контроля параметров двухфазных потоков, применяемое в контуре для исследования охлаждаемых объектов [2] .

Устройство содержит источник охлаждающей среды, преобразователь давления, контур с последовательно соединенными регулятором расхода, группой охлаждаемых объектов и расходомером.

Основным недостатком такой системы является сложность определения величины х, которая является критерием надежности и критических тепловых нагрузок сверхпроводящих магнитов. Величина х определяется с помощью уравнения теплового баланса. Недостатки этого устройства перечислены при описании аналога.

Цель изобретения состоит в увеличении надежности работы охлаждаемых объектов посредством постоянного контроля за величиной х.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения соотношения расходов компонентов двухфазной среды, содержащем последовательно соединеные посредством трубопровода источник охлаждающей среды, регулятор расхода, группу охлаждаемых объектов и расходомер, а также преобразователь давления, подключенный к трубопроводу, между предпоследним и последним из охлаждаемых объектов устанавливается датчик сплошности в виде расширителя, причем сечение его должно удовлетворять условию S≥G/m_р, где G - максимальный предельный массовый расход потока; m_р - массовая скорость, при которой поток имеет гладкий расслоенный режим течения, а также вводится вычислительный блок, на вход которого подаются сигналы с датчика сплошности и преобразователя давления, а выход соединен с регулятором расхода.

Существенность отличительного признака достигается за счет установки перед последним объектом датчика сплошности в виде расширителя с сечением S ≥ G/m_р, а также системы обратной связи, что позволяет постоянно контролировать соотношение расходов компонентов двухфазного потока и за счет воздействия на элемент, регулирующий расход, повысить надежность работы охлаждаемых объектов.

В работе [3] показано, что гладкие расслоенные режимы течения реализуются для массовых скоростей m≅m_р, а величина m_р при условии 0,05 < α < 1.0, где α - сплошность двухфазного потока, может быть рассчитана следующим образом:
m_p · (ρ_ж-ρ_п)·g + где g - ускорение свободного падения;
ρ- плотность;
А - площадь сечения;
h - высота слоя жидкости;
х - массовое расходное паросодержание потока среды;
ϕ - объемное паросодержание потока среды;
индексы: n - газ, ж - жидкость.

В этом уравнении ϕ связана с величиной α зависимостью ϕ = 1/α . Сплошность α измеряется с помощью соответствующего датчика, а величина х определяется из условия (4)
x = 1+ (4) где η_ж, η_п - динамическая вязкость жидкой и паровой фаз соответственно. Величины ρ_ж, ρ_п, η_ж, η_п находятся по таблицам в зависимости от давления двухфазной среды.

Как показали данные, приведенные в работах [4,5] , для горизонтального двухфазного потока гелия условие (4) выполняется при m_р< 20 кг/м² с.

На фиг. 1 изображена схема контура.

Схема содержит источник 1 двухфазной среды, регулятор 2 расхода, охлаждаемые объекты 3,4,5,7, датчик 6 сплошности, расходомерное 8 устройство, преобразователь 9 давления, вычислительный блок 10.

На фиг. 2 изображен пример схемы контура, включающий один из вариантов выполнения вычислительного блока.

Схема содержит источник 1 двухфазной среды, регулятор расхода 2, сверхпроводящие магниты 3,4,5.7, датчик 6 сплошности, расходомерное устройство 8, блок 9 расчета величины х, задатчик 10 предельной величины х_крит, пороговый элемент 11, преобразователь давления 12.

Элементы устройства 1-8 соединены между собой системой трубопроводов, которая рассчитывается в зависимости от возможностей источника охлаждающей среды. Преобразователь 12 давления с помощью трубопровода подсоединен к магистрали подачи потока в датчик 6 сплошности. Сигналы с датчиков 6 и блоков 10 и 12 подаются в блок 9 и далее через пороговый элемент 11 - на электрический привод регулятора 2 расхода потока.

Контур работает следующим образом. Поток в соответствии с фиг. 1 поступает из источника 1 охлаждающей среды через регулятор 2 расхода на сверхпроводящие магниты 3 - 5, где за счет нагрузки и теплопритоков из окружающей среды паросодержание потока х увеличивается. Это паросодержание контролируется с помощью датчика 6 сплошности и блока 9 расчета, затем поток поступает на последний магнит 7, расходомерное устройство 8 и возвращается в источник 1 охлаждающей среды. Блок 10 задает предельную величину х_крит, при достижении которой пороговый элемент 11 воздействует на регулятор расхода. Блок 12 служит для измерения давления среды и преобразования его в электрический сигнал.

Положительный эффект предлагаемого устройства заключается в получении возможности контроля соотношения расходов компонентов двухфазного потока, автоматического регулирования начального паросодержания и, как следствие, повышения надежности работы охлаждаемых объектов. Данное устройство необходимо для диагностики и контроля массового расходного паросодержания в системах с двухфазными рабочими средами. (56) 1. Мамедов И. С. и др. ИФЖ, 1983, т. ХI, N 5, с. 725.

2. A. I. Ageyev et al. Advances in Cryogenic Engineering, vol. 33, р. 19-23.

3. Jaitel Y. and Dakler A. E. A Model for Prediction Flow Regime Transitions in Horizontal and Near Horizontal Gas-Liquid Flow. AIChE Journal, 1976, vol. 22, No. 1, p. 47-55.

4. Filippov Yu. P. , Mamedov I. S. , Selyunin S. Yu. Characteristics of Horizontal Two-Phase Helium Flow Mass Velocities. In: Proc. ICEC 12, Butterworth, Guildford, UK, 1988, p. 198-201.

5. Danilov V. V. , Filippov Yu. P. , Mamedov I. S. Peculiarities of Void Fraction Measufement Appled to Physical Installation Channels Coold by Forced Helium Flow. Advances in Cryogenic, Plenum Press, New York, 1990, p. 351-359.

Использование: в измерительной технике. Сущность: устройство для измерения соотношения расходов компонентов двухфазных сред содержит источник двухфазных сред, регулятор расхода, две группы сверхпроводящих магнитов, расходомерное устройство, датчик сплошности, блок расчета, задатчик, пороговый элемент и преобразователь давления. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ РАСХОДОВ КОМПОНЕНТОВ ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ , содеpжащее последовательно соединенные посpедством тpубопpовода источник охлаждающей сpеды, pегулятоp pасхода, гpуппу охлаждаемых объектов и pасходомеp, а также пpеобpазователь давления, подключенный к тpубопpоводу, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в pаботе охлаждаемых объектов, между пpедпоследним и последним из них устанавливается датчик сплошности в виде pасшиpителя, пpичем его сечение должно удовлетвоpять условию
S ≥ G / m_р,
где G - максимальный предельный массовый расход потока;
m_р - массовая скорость,
пpи котоpой поток имеет гладкий pасслоенный pежим течения, а также вводится блок вычисления, подключенный выходом к упpавляющему входу pегулятоpа pасхода, а входом - к выходам датчика сплошности и пpеобpазователя давления.