Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА И МАССОВОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА И МАССОВОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА И МАССОВОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2164341
Класс(ы) патента: G01F1/86
Номер заявки: 98122835/28
Дата подачи заявки: 18.12.1998
Дата публикации: 20.03.2001
Заявитель(и): Ивановская государственная архитектурно-строительная академия
Автор(ы): Елин Н.Н.; Кормашова Е.Р.
Патентообладатель(и): Елин Николай Николаевич; Кормашова Елена Руфимовна
Описание изобретения: 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 ϕп,ϕж, 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;
ρп1,ρж1- плотность пара и жидкости;
Ωд- 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;
iж1, iж2 - энтальпии насыщенной жидкости при давлении p1 и p2;
ρп2,ρж2- плотность пара и жидкости при давлении p2 перед второй диафрагмой;
εi- 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 Ω1,Ω2,Ω3,Ω4- площадь живых сечений участков 1, 2, 3, 4 соответственно, 2;
p1, p2, p3, p4 - давление на участках 1, 2, 3, 4 соответственно, Па;
h1-2, h3-4 - потери напора на участках 1-2 и 3-4, м;
хж, хп - расходные массовые влагосодержание и паросодержание потока, безразмерная;
хп = 1-хж
βж1,βж2,βж3,βж4- расходные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
βп1,βп2,βп3,βп4- расходные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
ϕж1,ϕж2,ϕж3,ϕж4- истинные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
ϕп1,ϕп2,ϕп3,ϕп4- истинные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная;
v1, v2, v3, v4 - удельные объемы смеси, м3/кг, определяемые из выражений
v1 = хжvж1 + хпvп1;
v2 = хжvж2 + хпvп2;
v3 = хжvж3 + хпvп3;
v4 = хжvж4 + хпvп4;
где vж1, vж2, vж3, vж4 - удельные объемы жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, м3/кг;
vп1, vп2, vп3, vп4 - удельные объемы пара в сечениях 1, 2, 3, 4, м3/кг;
M1-2 = M3-4 = M - массовый расход парожидкостного потока, кг/с.
Неизвестные величины: h1-2, h3-4, M, xп.
Измеренные величины: Δ p1-2, Δp3-4, 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 ϕж,ϕп - 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 βж<0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле
ϕж= 2,1(100βж)0,5/K. (6)
где
K - безразмерный комплекс, определяемый как (Re · We0,5)1/3;
Wсм - скорость смеси, м/с;
δ- поверхностное натяжение, H/м;
ρж,ρп- плотность жидкости и пара, кг/м3;
Re - число Рейнольдса, безразмерное, Re = ρжWсмD/μж;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
μж- динамическая вязкость жидкости, Па·с;
We - число Вебера, безразмерное, We = δ/g(ρж- ρп)D2.
При W ≥ 3,3 и βж>0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле
ϕж= 5,5·(100·βж)0,5/V. (7)
где V - безразмерный комплекс, определяемый как (Re · Fr)1/3;
Fr - число Фруда, безразмерное, Fr = Wсм2/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
ϕж= 370·βж/V·10-S+ ϕ0ж(1-10-S). (8)
где S = 600·βж/V;
ϕ0ж- истинная объемная концентрация жидкости при пробковом режиме течения
ϕ0ж= 1-Kμ[1-exp(-4,4(Fr/Fra)0,5)]·βп, (9)
где Kμ- коэффициент, зависящий от приведенной вязкости;
μ*- приведенная вязкость, μ*= μпж;
при μ*≅ 0,01, Kμ = 0,35+1,4μ0*,25;
при μ*> 0,01, Kμ = 0,77+0,23μ0*,5;
при μ*≅ 0,001, Fra= 1150μ0*,79;
при μ*> 0,001, Fra= 9,8μ0*,1.
Fra - автомодельное значение критерия Фруда, зависящее от приведенной вязкости.
Истинная объемная концентрация пара
ϕп= 1-ϕж. (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.
Формула изобретения: 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.