Способ определения диаметров капель жидкости в двухфазном потоке и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к исследованию характеристик двухфазных потоков, а именно влагосодержания, размеров, скорости капель при высоких температурах и давлениях в каналах при малых расходах.

Цель изобретения - повышение точности определения размера капель за счет устранения их налипания на поверхность игл.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для определения диаметров капель в двухфазном потоке; на фиг. 2 - конструкция иглы (чувствительного элемента ЧЭ); на фиг. 3 - изменение температуры Т по длине / иглы; на фиг. 4 - изменение падения напряжения на оболочке чувствительного элемента от времени при измерении диаметра капель, когда жидкость смачивает; на фиг. 5 - то же, когда не смачивает поверхность иглы.

Устройство (фиг. 1) включает две иглы (ЧЭ) 1, источник 2 создания на ЧЭ постоянного напряжения, стабилизированный источник 3 тока, вольтметр 4 регистрации ЭДС заостренной части ЧЭ, вольтметр 5 измерения падения напряжения на оболочке ЧЭ, счетчик 6 импульсов тока при замыкании зазора между ЧЭ, коррелятор 7, спектро- анализатор 8, активный фильтр 9, осциллограф 10 и самописец 11. Игла содержит коррозионностойкую оболочку 12, электротеплопроводный стержень 13, электроизолирующий материал 14 (фиг. 2). На фиг. 3 обозначены: - температура прекращения пленочного кипения жидкости исследуемых капель, Ts - температура насыщения.

Для измерения диаметров капель размещают в двухфазном потоке две соосно расположенные иглы. На них подают разность потенциалов. Капли с размером большим или равным расстоянию между иглами, пролетая через зазор между ними, замыкают электрическую цепь. При этом по па05GO ОЭ N5

оэ

дению напряжения на постоянном сопротивлении регистрируют импульсы тока при различных расстояниях d между иглами. По кривой распределения количества импульсов от d определяют распределение капель по размерам. В случае налипания капель жидкости на поверхность ЧЭ точность измерений уменьшается, так как изменяется ширина зазора между иглами и их электрическое сопротивление, а образование пленки жидкости приводит к потери работоспособности измерительного устройства.

Для устранения налипания жидкости на поверхности ЧЭ измеряют температуру поверхности каждой иглы и осуществляют ее неравномерный нагрев так, что температура цилиндрической части выше, а острие ниже температуры прекращения пленочного кипения жидкости исследуемых капель, но больше температуры насыщения. Расчет Т)2 проводится по формуле

+т„

где г - скрытая теплота парообразования;

р , р - плотность пара и жидкости;

ц„ - динамическая вязкость пара;

К„ - теплопроводность пара;

«Ј - поверхностное натяжение;

g - ускорение свободного падения.

Реальные размеры ЧЭ и точность их установки позволяют измерять размеры капель в двухфазном потоке в интервале значений от 0,1 до 3 мм по диаметру.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Чувствительные элементы (фиг. 2) помещают в потоке с каплями жидкости. Для повышения точности измерений чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрической оболочки 12 из нержавеющей стали переменной толщины с коническим заострением на конце. Внутри чувствительного элемента находится стержень 13 из материала с высокой электро- и теплопроводностью (медь, серебро). Пространство между оболочкой и стержнем заполнено электроизолирующим материалом 14 (, MgO). Оболочка и стержень соединены с помощью высокотемпературной пайки или сварки. При пропускании электрического тока основное тепловыделение происходит в оболочке, на поверхности чувствительного элемента 1 устанавливается переменное температурное поле. При этом добиваются того, чтобы температура цилиндрической поверхности чувствительного элемента была выше Т, а температура его заостренной части в момент контакта с каплями выше температуры насыщения, но ниже pi- Температура заостренной части ЧЭ контролируется по показаниям термопары, образованной

оболочкой и стержнем, температура оболочки - по ее электрическому сопротивлению. Обогрев ЧЭ осуществляют от высокочастотного источника 3 тока (фиг. 1) с частотой, существенно большей частоты-.следова- ния капель, и со схемой контроля и регулировки тока. Сигнал перед регистрацией пропускается через дополнительный активный фильтр 9 с полосой пропускания ниже частоты питающего источника 3. Источник

2 постоянного напряжения предназначен для создания потенциала на ЧЭ, вольтметр 4 - для регистрации ЭДС при измерениях температуры заостренной части чувствительного элемента, вольтметр 5 - для измерения

5 падения напряжения на оболочке чувствительного элемента, счетчик 6 импульсов - для регистрации количества импульсов при попадании капель между чувствительными элементами. Для исследования статических характеристик сигнала исполь0 зуется коррелятор 7 и спектроанализатор 8. При попадании капли жидкости между чувствительными элементами происходят снижение температуры и смачивание их заостренной части, что приводит к замыкаg нию цепи и образованию импульса тока, который регистрируется. После прохождения капли оставшаяся пленка жидкости испаряется за счет притока теплоты от нагретой оболочки.

0 Пример. Анализ результатов исследований показывает, что при небольших скоростях потока (менее 5 м/с) на ЧЭ датчиков возможно образование пленки жидкости. Это приводит к потере работоспособности устройства. Для устранения пленки необхо5 димо поддерживать температуру ЧЭ выше Тя/52. Для воды при давлении «0,5 МПа величины Т$ и Т/,2 составляют 150 и 470°С соответственно. ЧЭ изготовлен из капилляра диаметром 1 мм и толщиной стенки 0,2 мм путем последовательного волочения через

0 фильеры и отжига. При этом наружный диаметр 0,6-0,8 мм, толщина цилиндрической части оболочки «0,1-0,15 мм, а площадь ее сечения «0,16-0,4 мм2. При работе ЧЭ возможны два случая: поверхность игл

g смачивается и при этом регистрируется сигнал, показанный на фиг. 4 (участок / соответствует кипению на поверхности ЧЭ); ЧЭ не смачивается, при этом регистрируется сигнал, показанный на фиг. 5. Время, которое необходимо ЧЭ для восстановления

0 исходного состояния после прохождения капли, определяется по сигналу ЧЭ или термопары, которая должна регистрировать температуру выше Ts. Как показали опыты, в водовоздушном потоке при скорости капли У«1 м/с, давлении «0,1 МПа, температуре

5 капель , диаметре капель d мм, температуре цилиндрической части оболочки Tv5 650°C, время восстановления работоспособности ЧЭ составляло Дт 4 мс.

Термопара, образованная в ЧЭ с наружным диаметром 0,6 мм, имеет постоянную времени 0,06-0,07 с. В случае выполнения спая внутри чехла увеличивается ее инерционность и постоянная времени, что уменьшает разрешающую способность устройства.

Формула изобретения

1. Способ определения диаметров капель жидкости в двухфазном потоке, включающий расположение в нем двух соосно расположенных одинаковых игл, их подключение к источнику постоянного напряжения и фиксирование расстояния между ними, регистрацию по падению напряжения на постоянном сопротивлении количества импульсов тока при замыкании зазора между иглами каплей электропроводной жидкости, движущейся конвективно в двухфазном потоке, и определение распределения диаметров капель по количеству импульсов тока при различных расстояниях между иглами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения размера капель за счет устранения их налипания на поверхность игл, осуществляют неравномерный на0

грев каждой иглы так, что температура цилиндрической части выше, а острие ниже температуры прекращения пленочного кипения жидкости исследуемых капель, но

больше температуры насыщения.

2. Устройство для определения диаметров капель жидкости в двухфазном потоке, содержащее соосно расположенные с фиксированным переменным зазором одинаковые иглы, подключенные к источнику постоянного напряжения, соединенные со схемой регистрации импульсов тока по падению напряжения на постоянном сопротивлении, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения размера капель

5 за счет устранения их налипания на поверхность игл, каждая игла выполнена в виде полой цилиндрической оболочки из корро- зионно стойкого материала, переходящей в усеченный конус, внутри которой установлен электротеплопроводный стержень, спай которого с конусом образует стабильную термоЭДС, а в качестве источника переменного напряжения выбирают источник, частота которого превышает частоту полосы пропускания активного фильтра, дополни5 тельно введенного в схему регистрации импульсов тока.

0

Изобретение относится к исследованию характеристик двухфазных потоков, а именно влагосодержания, размеров, скорости капель при высоких температурах и давлениях в каналах при малых расходах. Цель изобретения - повышение точности определения размера капель за счет устранения их налипания на поверхности игл. Цель достигается тем, что чувствительные элементы выполнены в виде игл и нагреты до температуры выше температуры прекращения пленочного кипения, что исключает налипание жидкости на их поверхности 2 с.п. ф-лы, 5 ил. & (Л

капля жидкости

фиг,. 1

rrssss f f f r f s g

л- . ; t --..-. .- у л -.-.-.-.- Я

:Јз у;;;; ;;;У ;л;;7

г Ш ГГ4

ирг.

Ц,В

Фиг.2

Физ.З

1.м