Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке Советский патент 1993 года по МПК G05D11/00 

Изобретение относится к измерительной технике для определения доли испаренного вещества в газожидкостных потоках и может найти широкое применение при исследовании процессов тепло- и массообме- на, а также в процессах химической технологии.

Целью способа определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке является ускорение испытаний.

Цель изобретения достигается благодаря тому, что в данном техническом решении не требуется определять статическое давление и температуру газового потока в испытательном канале до впрыскивания жидкости. Кроме того, не требуется, измерять влажность газовой фазы в испытательном канале при пропускании через него

газового потока до и после впрыскивания жидкости, а также определять начальную и конечную концентрации пара в газе.

Указанная цель достигается тем, что замеряют полное давление парогазовой смеси; .определяют динамический напор ДРпгс парогазовой смеси (Д -Рстпгс) и по формуле

+

уэн 2

Мж Mr

) +

00

со ел ел со

VJ

м

Mr

)2 +

2 РРЈТгс М

ДРпгс :

R Сгн Тпгс

где R - универсальная газовая постоянная; определяют долю Z испаренного вещества в газожидкостном потоке.

Безразмерная концентрация k пара вСгн+Сп /JnrcVnrcF. (6) парогазовой смеси определяется как отношение расхода Gn пара к расходу Gnrc паро-где Vnrc - скорость парогазовой смеси: газовой смеси. F - площадь поперечного сечения кана- k G H/Gnrc5 ла в месте, где расположен рассматриваемый объем, но оно не позволяет определить

Расход пара равен разности между на-долю испаренного вещества в газожидкостчальным и текущим расходами жидко-ном потоке. сти (СпаСжн-Сж), а расход парогазовойИзвестно, что динамический напор

смеси слагается из начального расхода газа А Рпгс парогазовой смеси с одной стороны

Gm и расхода пара Gn (Gnrc Gm+Gn). С уче-равен разности между полным и статом этих замечаний безразмерную концен-тическим Рстпгс давлениями парогазовой

трацию пара в потоке можно представить всмеси, с другой виде .

152

k-Gn/(Gm-K3n. (1)А Рпгс pnrc- p-, (7)

Т №ПЛ ИСПЛеН, 8ещества- но это не позволяет определить долю испаР-()/() или Z-Gn/G K) и подставивго вещества в газ0жидкостном потоGn ZGxH в (1) и разделив числитель и знаме-Ж ке

натель полученного выражения на Сгц, имеем G + G

Из (6) Vnrc подставив выра. k-ZMl+ЭД:; (2)Же„Ие „я v™ в (олучим

где уЗнНЗ н/Огн-начальная концентрация25 (Gi-н + Gn )

жидкости в газе.2 F2 А РПгс

Известно, что молекулярная масса Мпгс. Приравняв правые части (5) и (8), имеем

парогазовой смеси является функ-

,., МЭСС ГаЭЗ Мг чп Мг МжРЯс (GH 4-Gn)2

пара Мп (Мп-М) и безразмерной концент-30 2F2AP

рации k пара в газеv ж . ж-| j i- arm

. 1 k f 1 -k)С учетом k (2), и уТн СЖн/Сгн Мг дем к выражению

или35

о)- (Z -KZNd W- -vVН- О)

Мпгс k(Mr-.Mж) + Mж ( Мг Мг А Мг

где

но это не позволяет определить долю испа-. Сгн . „ Мг Мж Рпгс ,,

ренного вещества в газожидкостном пото- 2F2APnr R ТПгс ке.

Известно, что из уравнения состоянияВыражение (9) представляет обыкноМенделеева-Клапейрона плотность парога-венное квадратное уравнение, неизвестзовой смеси можно определить как ным в котором является (Z фн). Решив че(го,

найдем корень

Мпгс Pnlc /«Z (рн

Л ГС R ТПгс {) 1 М . IVU ч . V1 М Мж s2 В

5( 4U Mr Г А Мг

где R - универсальная газовая постоянная,50

но это не позволяет определить долю испа-(11)

ренного вещества в газожидкостном пото-(учтено, что доля z испаренного вещества

ке.может быть только положительной величиПодставив (3) в (4), получимной).

55 Подставив в (11) (10), получим выражеМг Мж Рпгсние для ог|РеДеления доли испаренного Тт ТП Т ПЙГуТл/иГГ (5)щества в газожидкостном потоке

Известно уравнение расхода парогэзо-z - Г - - С 1 + -----) +

вой смеси 2 м

M

I f 1 VI ж ч2 ,

7U -мГ} +

2РГРЙ7М

ДР

nrc

RGmTnrc(12)

На чертеже представлена подробная схема испытательного канала и расположение измерительных датчиков на нем.

К входу в испытательный канал подсоединен подводящий патрубок 1, Испытательный канал включает испарительную камеру, состоящую из диффузора 2, цилиндрической части 3 и конфузора 4; и отводящий патрубок 5. К отводящему патрубку 5 подсоединена испытуемая лопатка 6. На диффузоре 2 расположено респыливающее устройство (центробежная форсунка), выходное отверстие которого находится во внутренней полости испарительной,камеры. Диффузор 2 выполнен с возможностью установки сменного интенсификатора испарения 8. Использовался интенси Ьикатор испарения 8 сеточного типа.

В испытательном канале, подводящем патрубке 1 и испытуемой лопатке 6 расположены датчики температуры (термопары) Т- 1-Т-15 . датчики полного давления (Рг1)-(Р-3), датчики статического давления (Р-1)-(Р-3) и регистратор жидкости 9. Тер- мепары (Т-1)-(Т-6) - хромел ь-алюмелевые, а термопары (Т-8)-(Т-15) - хромель-копеле- вые.

На испытуемой лопатке 6 расположены датчики температуры (Т-1)-(Т-7). В испытательном канале установлены датчики температуры (Т-8)-.(Т-14), датчики полного давления () и (Р-2), датчики статического давления (Р-1) и (Р-2) и регистратор жидкости 9. В подводящем патрубке расположены датчик температуры (Т-15), датчик полного давления (Р-3) и датчик статического давления (Р-3). Отметим, что регистратор жидкости 9 позволяет фиксировать капли диаметром не менее 30 10 6 м. Действие регистратора 9 основано на электрическом за- мыкании каплей цепи между двумя электродами, расположенными в непосредственной близости друг от друга.

Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке реализуется в испытательном канале следующим образом.

По подводящему патрубку 1 в диффузор 2 подается газовый поток. С помощью датчика температуры Т-15, датчика полного давления Р-3 и датчика статического давления Р-3 измеряются температура, полное давление и статическое давление газового потока в подводящем патрубке 1. По этим параметрам при известной площади поперечного сечения подводящего патрубка 1

определяют массовый расход газа G™. По- сле подводящего патрубка 1 газовый поток поступает в диффузор 2. Через распыливэ- ющее устройство 7 в диффузоре 2 лроисхо- 5 дит расйыливание жидкости. Расход жидкости определен. По известным расходам жидкости бжн и газа G™ определяется отношение расхода жидкости к расходу газа

„ Сжн

игн

(13)

В диффузоре 2 происходит смешение распыленной жидкости с газовым потоком.

в результате образуется газожидкостный поток. Процесс испарения начинается так- же в диффузоре 2. Далее испарение продолжается в цилиндрической части 3, конфузоре 4 и отводящем патрубке 5. В отводящем патрубке 5 температура потока измеряется с помощью датчиков температуры Т-8. Т-9 и Т-12. Температура стенок отводящего патрубка 5 измеряется с помощью датчиков температуры Т-10 и Т-11. Полное

давление газовой фазы потока измеряется с помощью датчиков полного давления и . Статическое давление газовой фазы потока в отводящем патрубке 5 измерялось помощью датчика статического давления

р-1.

Искомая дрля испареннрго вещества определялась с использованием показаний датчика температуры Т-12, датчика полного давления и датчика статического давления Рст-1. С помощью датчика температуры Т-12 измерялась температура парогазовой смеси Тщ-е, с помощью датчика полного давления - полное давление парогазовой смеси , с помощью датчика статического давления Рст-1 - статическое давление парогазовой смеси Рстпгс.

Ниже показано применение способа

определения доли испаренного вещества в

газожидкостном потоке в тех случаях, когда

происходит полное испарение жидкости, т.е. . Случай полного испарения выбран потому, что попадание капель на внутреннюю поверхность рабочих лопаток газотурбинных двигателей вызывает большие

термические напряжение в местах контакта, которые ведут к трещинообразованию.

Параметры работы испытательного канала следующие: расход воздуха Сгн(10 -22) кг/с; расход жидкости (воды)

Сжн(0-2,3) кг/с; температура воздуха на входе в испытательный канал -623,К; полное давление газовой фазы (воздуха или паровоздушной смеси) в отводящем патрубке 5 ,167-0,279

МЛа, перепад давления газовой фазы на лопатке яМ,4-2.2.

Исследование проводилось при варьировании указанных параметров. Отношение расхода жидкости к расходу газа изменялось от 0 до 12%. Мол.м газа (воздуха) , а мол.м, жидкости (воды или пара) .

Как уже отмечалось ранее, полное давление газовой фазы измерялось с помощью датчика полного давления , статическое давление Рстпгс - с помощью датчика статического давления РСт-1 и температура Тпгс - с помощью датчика температуры Т-12. Площадь поперечного сечения F отводящего патрубка 5 замерена ранее. Динамический напор газовой фазы определим так

А РС

пгс

(14)

После подстановки в (12) известных величин НМж и Мг, замеренных значений PCTnrc.Tnrc,F и G гн и определенных величин и ДРпгс рассчитаем искомую долю испаренного вещества. При обработке результатов испытаний с использованием заявляемого технического решения было получено, что полное испарение () происходило при отношении расхода жидкости к расходу газа до 5,5% при К и до 7% при К.

В этом случае, если в испарительной камере не происходит полное испарение (), то часть жидкости попадает в отводящий патрубок 5. Поскольку скорость потока 8 отводящем патрубке 5 достаточно высока ( 30-50 м/с), то дополнительно к взвешен- нЫм в газовом потоке каплям происходит интенсивный срыв осевшей на стенки жидкости. Поэтому в газовом потоке, движущемся в отводящем патрубке 5, имеется значительное число взвешенных капель. Электроды регистратора жидкости 9 расположены по оси отводящего патрубка 5. При замыкании электрической цепи между этими электродами налетевшими каплями, диаметр которых не меньше размера зазора между электродами, на экране осциллографа появляется сигнал. В ходе экспериментов срабатывание регистратора жидкости 9 происходило при отношении расхода жидкости к расходу газа. большем 5,5% при К и большем 7,0% при . Это совпадает с данными, полученными при использовании заявляемого способа определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке.

Жидкость при подводе к.распыливаю- щему устройству нагревалась до температуры, близкой к температуре кипения. Поэтому при испарении ее тепло от воздуха

отбиралось непосредственно на испарение и нагрев образующегося пара. Это позволило использовать известное уравнение теплового баланса. При обработке результатов испытаний использовалось снижение температуры паровоздушной смеси, определяемое как разность между измеренными с помощью датчика температуры Т-12 значениями температуры до и после впрыска

ЖИДКОСТИ ( Д ТПГС ТПГС/УН 0 -ТПгс/рн 0 ).

Способ применим, когда объемная доля жидкой фазы много меньше, чем газовой. Его можно использовать, если-из жидкости испаряется лишь одна компонента, а ос- тальные остаются в растворе.

Формула, изобретения

Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке, включающий определение начального расхода жидкости, измерение площади.полеречно

сечения в испытательном канале, измерение полного давления, статического давления и температуры в газовом потоке до. подачи его в испытательный канал с последующим определением по этим параметрам

расхода газового потока и отношения расхода жидкости к расходу газа, изме рение в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впрыскивании жидкости статического давления и тегопературы, о т л и ч а ю Щ и и с я тем, что, с целью

ускорения испытаний, измеряют полное

давление в испытательном канале после

впрыскивания жидкости в газовый поток,

определяют динамический- напор как разность между полным давлением и статическим давлением в испытательном канале, а долю испаренного вещества рассчитывают по формуле

45

Z-JLr-lM + + 1 2 VMr }

ч/1 (1 м S2 + 2 РптгсМж ДРпгс ,

4UMr R Г2 Т

КЛэгн I пгс

где R -универсальная газовая постоянная;

Мк и Mr - молярные массы жидкости и газа;

F - площадь поперечного сечения испы- тательного канала;

Tnrc температура газовой фазы в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впрыскивании жидкости;

Р пгс - статическое давление газовой

GTH - массовый расход газа, подаваемого в испытательный канал:

фазы в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впрыскивании жидкости;.у%, - отношение расхода жидкости к

А Рпгс - динамический напор газовой 5 расходу газа: фазы в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впры-2 - доля испаренного вещества в газо- скивании жидкости; жидкостном потоке.

GTH - массовый расход газа, подаваемого в испытательный канал:

у%, - отношение расхода жидкости к

Изобретение относится к технике для измерения доли испаренного вещества в газожидкостных потоках. Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке, заключающийся в измерении параметров в рассматриваемом объеме газожидкостного потока, образующегося после впрыска жидкости в газовый по- ток, в котором с целью расширения возможностей и сокращения времени испытаний до начала впрыска жидкости определяют расход газа G™ и в рассматриваемом объеме определяют начальную концентрацию пара в газе кн, после впрыска жидкости замеряют ее начальный расход Сжн. определяют начальную концентрацию жидкости УН (рн Ожн/Сгн). В рассматриваемом объеме определяют текущую k концентрацию пара в газе и по соотношению z(k-kH)/ р () определяют долю z испаренного вещества. 1 ил.

6 T-U-Z,T-3,T-i,,r-SJ-8

7-7

чъ г-/Лг7 .-

mxv

V

I I -г

V t- / -; - s ft Г-/Л- I / I

73 / т.«л / ;

T-0 T-K Камера испарения

Ът-г

V

т.«л / ;

T-0 T-K Камера испарения