СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТИННОГО ЛОКАЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/64 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения истинного локального объемного паросодержания двухфазных потоков и может быть использовано при определении параметров двухфазных потоков в парогенерирующих каналах различного назначения.

Известны бесконтактные методы определения истинного объемного паросодержания двухфазных потоков, заключающиеся в просветке канала, по которому протекает двухфазная смесь, каким-либо потоком излучения, измерения потока излучения после прохождения через двухфазную смесь и стенки канала, определения среднего по сечению канала паросодержания. К наиболее известным относятся метод γ-просвечивания и метод нейтронного просвечивания (Стырикович М.А., Резников М.И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Энергия, 1977). Основной недостаток бесконтактных методов заключается в их сложности и дороговизне. Методы не позволяют получить локальное истинное объемное паросодержание, например, в ячейках тепловыделяющих сборок. Методы используются как правило в экспериментальных исследованиях.

Известны зондовые методы определения истинного локального объемного паросодержания ϕ_л. Метод оптозондирования (Болтенко Д.Э. Зондовые методы определения характеристик одно-, двухфазных потоков в стационарных и динамических режимах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань - 2006 г.), акустозондирования (Мельников В.И. Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М.: Энергоатомиздат, 1987) и электрозондирования (Патент RU 2186377, МПК⁷ G01N 27/06. Способ определения истинного объемного паросодержания / Э.А.Болтенко, Д.Э.Болтенко // Федеральное государственное унитарное предприятие «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций», - №2001101125, заявл. 16.01.2001; опубл. 21.07.2002. Бюл. №21).

Основной недостаток метода оптозондирования заключается в том, что оптоволокно имеет ограниченный ресурс в условиях высоких давлений и температур, не выдерживает достаточно высоких динамических нагрузок вследствие воздействия на него двухфазного потока.

Недостаток метода акустозондирования заключается в том, что вследствие различной температурной зависимости акустической проводимости пара и воды возникают большие погрешности при определении ϕ_л в области двухфазного потока. Сравнение метода акустозондирования с методом просветки показало, что удовлетворительные результаты метод дает в области пузырькового режима. В области дисперсно-кольцевого и дисперсного режима метод дает большие погрешности при определении ϕ_л.

Все вышеперечисленные методы зондирования имеют общий недостаток, снижающий точность определения ϕ_л. Последнее связано с тем, что при определении Δτ_i используют некоторый условный уровень дискриминации сигнала. Уровень дискриминации в зависимости от различных факторов может неконтролируемо изменяться. При этом ϕ_л будет определяться с большой погрешностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ определения истинного локального объемного паросодержания ϕ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала, возникающего при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком, определение на полученной зависимости U_ч.э=f(τ) времен взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i, определение суммарного времени взаимодействия чувствительного элемента зонда с паровой фазой ∑Δτ_i, определение истинного локального объемного паросодержания ϕ_л на основе зависимости:

где T - время экспозиции;

(Патент RU 2186377, МПК⁷ G01N 27/06. Способ определения истинного объемного паросодержания / Э.А.Болтенко, Д.Э.Болтенко // Федеральное государственное унитарное предприятие «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций», - №2001101125, заявл. 16.01.2001; опубл. 21.07.2002. Бюл. №21).

Основные недостатки способа заключаются в следующем:

1. Способ применим только для электропроводных сред.

2. Для осуществления способа необходим датчик, состоящий из двух разделенных электроизолятором электродов. В условиях пароводяного потока при высоких давлениях и температурах ресурс датчика ограничен из-за нарушения электроизолирующих свойств межэлектродного промежутка.

Метод электрозондирования двухфазного потока основан на различии электропроводности жидкой и паровой фаз. При взаимодействии зонда с двухфазным потоком, из-за различия проводимости жидкой и паровой фаз, имеет место двухуровневая амплитудная модуляция базового напряжения, причем верхний уровень модуляции соответствует фазе «жидкость», нижний - фазе «пар», фиг.1. При определении ϕ_л используют временное осреднение в межэлектродном промежутке зонда. При этом измеряется время, в течение которого в рассматриваемой точке (межэлектродном промежутке) находится каждая из фаз и ϕ_л определяется по зависимости (1). Время экспозиции задается предварительно (5-10 с).

Предлагается способ определения истинного локального объемного паросодержания ϕ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала, возникающего при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком, определение на полученной зависимости времен взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i, определение суммарного времени взаимодействия чувствительного элемента зонда с паровой фазой ∑Δτ_i, определение истинного локального объемного паросодержания ϕ_л на основе зависимости:

где T - время экспозиции;

отличающийся тем, что в качестве зависимости, полученной при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком используют зависимость t_ч.э.=f(τ), в качестве чувствительного элемента зонда используют нагретый спай термопары, время взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i определяют на основе зависимости Δτ_i=τ_кi-τ_нi, где τ_кi, τ_нi - время окончания и начала взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением соответственно, τ_кi, τ_нi определяют как точки на зависимости t_ч.э=f(τ), где величина dt_ч.э./dτ изменяет свое значение, причем тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары поддерживают в диапазоне q_ч.э.≤q_н.к.

где t_ч.э - температура нагретого чувствительного элемента термопары, реализованная при взаимодействии нагретого чувствительного элемента термопары с двухфазным потоком,

q_ч.э - тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары;

q_н.к. - тепловой поток, при котором начинается поверхностное кипение на нагретой поверхности чувствительного элемента термопары.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении надежности и точности определения ϕ_л, что обеспечивается тем, что в качестве зависимости, полученной при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком, используют зависимость t_ч.э.=f(τ), в качестве чувствительного элемента зонда используют нагретый спай термопары, время взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i определяют на основе зависимости Δτ_i=τ_кi-τ_нi, где τ_кi, τ_нi - время окончания и начала взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением соответственно, τ_кi, τ_нi определяют как точки на зависимости t_ч.э=f(τ), где величина dt_ч.э/dτ изменяет свое значение, причем тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары поддерживают в диапазоне q_ч.э.≤q_н.к.

где t_ч.э. - температура нагретого чувствительного элемента термопары, реализованная при взаимодействии нагретого чувствительного элемента термопары с двухфазным потоком; q_ч.э. - тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары; q_н.к. - тепловой поток, при котором начинается поверхностное кипение на нагретой поверхности чувствительного элемента термопары.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что в качестве чувствительного элемента зонда используют нагретый спай термопары, в этом случае электроизолирующий слой разделяющий два провода термопары не взаимодействует с двухфазной средой непосредственно. Чувствительный элемент зонда защищен от двухфазной среды стенкой капилляра и не подвергается ее воздействию.

Достижение технического результата обеспечивается также за счет того, что в качестве зависимости полученной при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком используют зависимость t_ч.э.=f(τ). При получении этой зависимости не используются зависимости физических свойств среды (как, например, в методе акустозондирования) от температуры, прохождения сигнала через среду и т.д. В этом случае t_ч.э зависит от степени охлаждения средой нагретого чувствительного элемента зонда.

Достижение технического результата обеспечивается также за счет того, что время взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i определяют на основе зависимости Δτ_i=τ_кi-τ_нi, где τ_кi, τ_нi - время окончания и начала взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением соответственно. Использование такого подхода позволяет исключить при определении времени взаимодействия пузыря с зондом некоторые условные уровни дискриминации сигнала (метод электро-, опто- и акустозондирования), а следовательно, повысить точность определения Δτ_i и соответственно ϕ_л.

При проведении измерений условие q_ч.э≤q_н.к. должно быть выполнено, так как в противном случае пузырьки на нагретом спае термопары, возникающие вследствие подкипания жидкости, будут искажать результат по определению ϕ_л.

Способ определения истинного объемного паросодержания осуществляется следующим образом. Помещают чувствительный элемент термопары в канал, где производят измерение. Включают цепь нагрева, нагревают чувствительный элемент термопары от источника переменного тока и производят запись сигнала полученного при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком в течение времени экспозиции. Далее информация в виде массива данных вида t_ч.э=f(τ), полученная при взаимодействии двухфазного потока с нагретым спаем термопары, поступает в компьютер. По специальной программе на зависимости t_ч.э=f(τ) определяют Δτ_i=τ_кi-τ_нi и ∑Δτ_i - суммарное время взаимодействия чувствительного элемента зонда с фазой и на основе зависимости (1) определяют истинное объемное паросодержание ϕ_л. Для проверки предлагаемого способа выполнены опыты. Опыты выполнены на установке, показанной на фиг.2. Опыты проводились следующим образом. Воздух от компрессора подавался под уровень воды через перфорированные пластины 2. Проходя через слой жидкости (воды), воздух равномерно распределялся по высоте слоя, создавая определенное соотношение между воздухом и водой, т.е. ϕ. Далее измерялся действительный и весовой уровень воды. Среднее по сечению ϕ определялось на основе зависимости:

где h_в, h_д - весовой и действительный уровень воды;

ρ_в, ρ_возд - плотность воды и воздуха соответственно.

Замеры ϕ_л проводились в десяти точках по сечению установки. Перемещение зонда осуществлялось с помощью специального приспособления. После интегрирования измеренного профиля, проводилось сравнение полученного среднего по сечению ϕ со средним по сечению истинным объемным паросодержанием, полученным по зависимости (2). Сравнение показало, что точность определения ϕ предлагаемым способом составляет 3÷5% по отношению к ϕ, определенному по зависимости (2). В качестве зонда использовалась термопара с нагреваемым переменным током чувствительным элементом (Патент RU, 22891107, МПК³ G01К 7/02. Термопара / Д.Э.Болтенко, Н.Н.Кирин, Э.А.Болтенко, В.П.Шаров // Заявка №2004123231 от 29.07.2004. Бюл. 2006. №34). На фиг.3 показан вид сигнала полученный при взаимодействия чувствительного элемента термопары с воздушными пузырьками. На фиг.3 отчетливо видны моменты, когда пузырь начинает взаимодействие с чувствительным элементом термопары τ_нi и заканчивает это взаимодействие τ_кi. Резкое повышение температуры чувствительного элемента обусловлено различной степенью охлаждения чувствительного элемента. При взаимодействии с газом коэффициент теплоотдачи нагретой поверхности чувствительного элемента значительно ниже, чем при взаимодействии с водой, а температура t_ч.э. соответственно выше.

Изобретение относится к измерительной технике. В способе в качестве зависимости, полученной при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком, используют зависимость t_ч.э.=f(τ), в качестве чувствительного элемента зонда используют нагретый спай термопары, время взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i определяют на основе зависимости Δτ_i=τ_кi-τ_нi, где τ_кi, τ_нi - время окончания и начала взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением соответственно, τ_кi, τ_нi определяют как точки на зависимости t_ч.э.=f(τ), где величина dt_ч.э./dτ изменяет свое значение, где t_ч.э. - температура нагретого чувствительного элемента термопары, реализованная при взаимодействии нагретого чувствительного элемента термопары с двухфазным потоком. Технический результат - повышение надежности и точности определения. 3 ил.

Способ определения истинного локального объемного паросодержания ϕ_л, включающий измерение в течение времени экспозиции сигнала, возникающего при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком, определение на полученной зависимости времен взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i, определение суммарного времени взаимодействия чувствительного элемента зонда с паровой фазой ∑Δτ_i, определение истинного локального объемного паросодержания ϕ_л на основе зависимости

где Т - время экспозиции,

отличающийся тем, что в качестве зависимости, полученной при взаимодействии чувствительного элемента зонда с двухфазным потоком используют зависимость t_ч.э.=f(τ), в качестве чувствительного элемента зонда используют нагретый спай термопары, время взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением Δτ_i определяют на основе зависимости Δτ_i=τ_кi-τ_нi, где τ_кi, τ_нi - время окончания и начала взаимодействия чувствительного элемента зонда с элементарным паровым включением соответственно, τ_кi, τ_нi определяют как точки на зависимости t_ч.э.=f(τ), где величина dt_ч.э./dτ изменяет свое значение, причем тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары поддерживают в диапазоне q_ч.э.≤q_н.к. где t_ч.э. - температура нагретого чувствительного элемента термопары, реализованная при взаимодействии нагретого чувствительного элемента термопары, с двухфазным потоком; q_ч.э. - тепловой поток на нагретом чувствительном элементе термопары; q_н.к. - тепловой поток, при котором начинается поверхностное кипение на нагретой поверхности чувствительного элемента термопары.