Способ определения истинного объемного паросодержания Российский патент 2019 года по МПК G01N7/14 

Изобретение относится к измерительной технике, к исследованию характеристик парожидкостных потоков в свободных и загруженных проницаемой внутренней насадкой каналах под давлением.

Уровень техники

Аналогом служит известный метод отсечки потока, который состоит в быстром одновременном закрытии двух клапанов на некотором участке канала с последующим измерением содержания фаз, преимущественно жидкой. Одно из описаний метода приведено на стр.109 в пособии А.А. Малышев, В.О. Мамченко, К.В. Киссер. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладоагентов, Учеб.-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 116 с. Этот метод применяется для воздушно - водяных и других газожидкостных потоков при отсутствии межфазных переходов, меняющих массовое и объемное соотношение фаз в процессе измерения. Использование известного метода приводится в ряде публикаций: Сахаров В.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в вертикальных трубах и промысловых подъемниках. М.: Изд-во Нефть и газ, 2004. 398 с.; Эксплуатация и технология разработки нефтяных и газовых месторождений. / Авт.: И.Д Амелин, Р.С. Андриасов, Ш.К. Гиматудинов и др.М., Недра, 1978. 356 с.; Хьюит Дж., Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ. М., Энергия,1974. 408 с. Содержание жидкой фазы после перекрытия потока находится измерением гидростатического давления столба жидкости либо занимаемого ею объема. Недостатком известного способа определения газосодержания в потоке является то, что он не применим к “горячим” парожидкостным потокам, для которых любое изменение давления и температуры смеси после отсечки потока в процессе измерения ведет к изменению исходного соотношения жидкой и парообразной фаз вследствие межфазного массообмена. Предлагаемый способ исключает этот недостаток тем, что он основан на действии закона сохранения всей массы пароводяной смеси в отсекаемом объеме в процессе измерения.

Раскрытие сущности изобретения

В изобретении реализуется способ определения истинного объемного паросодержания, являющегося основной характеристикой парожидкостного потока, посредством вспомогательного измерения объема добавочной воды, замещающей разность объемов паровой фазы и ее жидкого конденсата. На основе закона сохранения массы вещества на контрольном участке получена формула связи величины истинного объемного паросодержания с измеренным объемом добавочной воды.

После достижения установившегося режима движения пароводяного потока на участке трубопровода 1 с помощью датчиков давления 2 и датчика температуры 3 (см.Фигура) производят измерение давления и температуры потока на отсекаемом участке 1. Датчики давления 4 и 5 используются для дополнительного контроля давления до и после перекрываемого участка. Затем отсекаемый участок 1 одновременно перекрывается синхронизированными быстродействующими клапанами 6 и 7. Пароводяной поток при этом отклоняется от измерительной линии и направляется через открываемый клапан 8 по байпасной линии (см. Фигура). Следующим шагом является внешнее охлаждение отсекаемого объема до полной конденсации в нем паровой фазы. Принудительное охлаждение отсекаемого объема осуществляется создаваемым с помощью вентилятора направленным воздушным или капельно-воздушным потоком. Процесс конденсации пара сопровождается падением давления и созданием разрежения в отсеченном объеме 1. При падении давления ниже атмосферного, открывается вентиль 9 (см. Фигура), установленный на линии соединения отсекаемого объема 1 с мерным сосудом 10, заполненным водой. Вода под действием атмосферного давления из мерного сосуда 10 поступает в исследуемый объем 1 до полной конденсации содержащегося в нем пара. По известным свободному объему отсекаемого участка 1 и измеренному объему добавочной воды можно определить среднее истинное объемное паросодержание в отсекаемом потоке. Для этого используются следующие уравнения баланса масс.

Масса пароводяной смеси М в отсекаемой части потока:

(1)

где - свободный объем отсекаемого участка ( или объем пористого пространства на участке для канала с пористой внутренней структурой, например, в виде плотной упаковки шаровых частиц );

, - плотности пара и воды на линии насыщения при рабочем давлении p₁ в потоке;

ϕ - истинное объемное паросодержание в потоке при рабочем давлении p₁.

После конденсации пара и охлаждения жидкости до температуры t_2, меньшей температуры насыщения, для этой же массы будет справедливо следующее равенство:

(2)

где - объем добавочной воды;

- плотность воды при конечной температуре смешения t₂.

Приравнивая (1) и (2) получаем формулу для определения среднего истинного объемного паросодержания в потоке под рабочим давлением p₁:

. (3)

Метод применим для измерения истинного объемного паросодержания в каналах со свободным проходным сечением, а также каналах, содержащих проницаемые насадки, например, в виде упаковок твердых частиц. Способ реализован на физической установке “Высокотемпературный контур” Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН для измерения истинного объемного паросодержания при движении двухфазного потока в канале, заполненном неподвижными твердыми шаровыми частицами, а также свободном от них.

Краткое описание чертежей

На Фигуре показана схема измерения истинного объемного паросодержания. Схема измерения включает в себя: участок трубопровода 1 с быстродействующими отсечными клапанами 6 и 7, байпасную линию с краном 8, мерный сосуд 10 с известным объемом воды, подключаемый к отсекаемому участку при помощи вентиля 9, измерители давления 4 и 5 до и после отсекаемого участка, измеритель давления 2 в отсекаемом участке 1, измеритель температуры 3 в отсекаемом участке 1.

Осуществление изобретения

Порядок осуществления способа измерения истинного объемного паросодержания следующий:

1. В исходном состоянии краны 6,7 открыты для беспрепятственного движения потока пароводяной смеси, кран 8 и вентиль 9 закрыты, мерный сосуд 10 заполнен водой до начального контрольного уровня.

2. Предварительно определен свободный объем отсекаемого участка 1.

3. Производится измерение давления p₁ (датчик 2) и температуры t₁ (датчик 3) парожидкостного потока в канале. По данным измерений и таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара определяются плотности паровой и жидкой фаз в потоке.

4. Выполняется одновременное закрытие отсечных клапанов 6, 7 и открытие клапана 8.

5. В отличие от известного метода отсечки потока, в котором используется последующее гравитационное разделение фаз с измерением объемов жидкой и газовой составляющих смеси, в предлагаемом методе после закрытия отсечных клапанов используется перевод всей смеси в жидкое состояние путем принудительного охлаждения отсеченного участка 1. Охлаждение парожидкостной смеси вызывает конденсацию паровой фазы, сопровождаемую понижением давления в отсеченном объеме.

Образующийся конденсат при этом стекает вниз и смешивается с содержащейся в исходной двухфазной смеси жидкой компонентой.

6. После снижения давления ниже атмосферного открывается вентиль 9, и производится заполнение отсеченного участка добавочной водой, приводящее к полной конденсации содержащегося в нем пара.

7. Фиксируются конечный уровень в мерном сосуде 10 и определяется объем добавочной воды V_доб.

8. Измеряются конечная температура смешения t₂ и давление p₂ при помощи датчиков давления 2 и температуры 3 внутри отсеченного участка 1, и с помощью таблицы теплофизических свойств воды определяется ее плотность ρ₂.

9. Полученные величины подставляются в формулу (3) для нахождения истинного объемного паросодержания ϕ в исследуемом двухфазном потоке.

Изобретение относится к измерительной технике, к измерению характеристик парожидкостных потоков под давлением в свободных, а также содержащих проницаемые насадки из твердых частиц каналах. Определение истинного объемного паросодержания осуществляется методом отсечки контрольного объема потока с последующей конденсацией паровой фазы и заполнением освобождаемого при этом пространства измеряемым объемом добавочной охлаждающей воды. Отсечка контрольного участка производится синхронным перекрытием с применением быстродействующих клапанов. Одновременно основной поток перенаправляется по байпасной линии. Далее производится принудительное охлаждение контрольного участка до полной конденсации паровой фазы. Освобождаемый при этом объем заполняется измеряемым объемом добавочной воды. Далее на основании произведенных измерений и соответствующих уравнений сохранения массы определяется истинное объемное паросодержание в контрольном объеме при рабочем давлении. Технический результат – обеспечение возможности исключения влияния межфазного массообмена в парожидкостных потоках под давлением на результат измерения. 1 ил.

Способ определения истинного объемного паросодержания в двухфазном потоке под давлением, заключающийся в том, что определяют плотности паровой ρ₁'' и жидкой ρ₁' фаз в потоке в канале, отсекают участок предварительно определенного свободного объема V₀, в отсекаемом участке осуществляют полную конденсацию паровой фазы, а освобождаемое при этом пространство заполняют измеряемым объемом добавочной воды V_доб, после чего определяют плотность воды при конечной температуре смешения ρ₂, значения ρ₁', р₁'', ρ₂, V_доб и V₀ используют для определения истинного объемного паросодержания.