СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА И МАССОВОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01F1/86 

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 ϕ_п,ϕ_ж, коэффициент сжатия струи ε 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;
Δp₁- перепад давления на первой диафрагме;
ρ_п1,ρ_ж1- плотность пара и жидкости;
Ω_д- площадь проходного сечения диафрагмы;
m - модуль измерительной диафрагмы;
x₁, x₂ - расходное массовое паросодержание потока перед соответствующей диафрагмой, определяемое из соотношений


где Δp₂ 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;
ρ_п2,ρ_ж2- плотность пара и жидкости при давлении p₂ перед второй диафрагмой;
ε_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 ε, 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 Ω_1,Ω_2,Ω_3,Ω₄- площадь живых сечений участков 1, 2, 3, 4 соответственно, м²;
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_ж
β_ж1,β_ж2,β_ж3,β_ж4- расходные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
β_п1,β_п2,β_п3,β_п4- расходные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
ϕ_ж1,ϕ_ж2,ϕ_ж3,ϕ_ж4- истинные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
ϕ_п1,ϕ_п2,ϕ_п3,ϕ_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: Δ p_1-2, Δp_3-4, p₁, p₃, t₁, t₃.

Задано: ^Ω1,^Ω2,^Ω3,^Ω4.
Для расчета физических и термодинамических свойств пара и жидкости используются известные зависимости (например, для пароводяной смеси [3], а для расчета объемных концентрацией фаз ϕ_ж,ϕ_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 β_ж<0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле
ϕ_ж= 2,1(100β_ж)^0,5/K. (6)
где
K - безразмерный комплекс, определяемый как (Re · We^0,5)^1/3;
W_см - скорость смеси, м/с;
δ- поверхностное натяжение, H/м;
ρ_ж,ρ_п- плотность жидкости и пара, кг/м³;
Re - число Рейнольдса, безразмерное, Re = ρ_жW_смD/μ_ж;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
μ_ж- динамическая вязкость жидкости, Па·с;
We - число Вебера, безразмерное, We = δ/g(ρ_ж- ρ_п)D².
При W ≥ 3,3 и β_ж>0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле
ϕ_ж= 5,5·(100·β_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
ϕ_ж= 370·β_ж/V·10^-S+ ϕ0ж

(1-10^-S). (8)
где S = 600·β_ж/V;
ϕ0ж- истинная объемная концентрация жидкости при пробковом режиме течения
ϕ0ж= 1-Kμ[1-exp(-4,4(Fr/Fr_a)^0,5)]·β_п, (9)
где Kμ- коэффициент, зависящий от приведенной вязкости;
μ_*- приведенная вязкость, μ_*= μ_п/μ_ж;
при μ_*≅ 0,01, Kμ = 0,35+1,4μ0*^,25;
при μ_*> 0,01, Kμ = 0,77+0,23μ0*^,5;
при μ_*≅ 0,001, Fr_a= 1150μ0*^,79;
при μ_*> 0,001, Fr_a= 9,8μ0*^,1.
Fr_a - автомодельное значение критерия Фруда, зависящее от приведенной вязкости.

Истинная объемная концентрация пара
ϕ_п= 1-ϕ_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.

Изобретение может быть использовано в системах теплоснабжения промышленных предприятий. В трубопроводе последовательно устанавливают два участка большого диаметра с внезапным расширением потока, имеющие различные проходные сечения. Измеряют перепады давления на указанных участках и давление и температуру перед участками. Данные измерений обрабатывают на ЭВМ путем решения системы уравнений: энергии и количества движений двухфазного потока для двух участков местного сопротивления. Изобретение обеспечивает повышение точности и расширение диапазона измерений. 2 ил.

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.