|
(21), (22) Заявка: 98122835/28, 18.12.1998
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
18.12.1998
(43) Дата публикации заявки: 27.09.2000
(45) Опубликовано: 20.03.2001
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
SU 1580171 А1, 23.07.1990. FR 2386021 А1, 27.10.1978. SU 277319 А, 22.07.1970.
Адрес для переписки:
153045, г.Иваново, ул. Академическая 14, кв.36, Кормашовой Е.Р.
|
(71) Заявитель(и):
Ивановская государственная архитектурно-строительная академия
(72) Автор(ы):
Елин Н.Н., Кормашова Е.Р.
(73) Патентообладатель(и):
Елин Николай Николаевич, Кормашова Елена Руфимовна
|
(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА И МАССОВОГО ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА
(57) Реферат:
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.
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 п, ж, коэффициент сжатия струи 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; p1– перепад давления на первой диафрагме; п1, ж1– плотность пара и жидкости; д– площадь проходного сечения диафрагмы; m – модуль измерительной диафрагмы; x1, x2 – расходное массовое паросодержание потока перед соответствующей диафрагмой, определяемое из соотношений   где p2 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; п2, ж2– плотность пара и жидкости при давлении p2 перед второй диафрагмой; i– 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 , 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 1, 2, 3, 4– 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 ж1, ж2, ж3, ж4– расходные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная; п1, п2, п3, п4– расходные объемные концентрации пара в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная; ж1, ж2, ж3, ж4– истинные объемные концентрации жидкости в сечениях 1, 2, 3, 4, безразмерная; п1, п2, п3, п4– 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: p1-2, p3-4, p1, p3, t1, t3.
Задано: 1, 2, 3, 4. Для расчета физических и термодинамических свойств пара и жидкости используются известные зависимости (например, для пароводяной смеси [3], а для расчета объемных концентрацией фаз ж, п – 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 ж<0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле ж= 2,1(100 ж)0,5/K. (6) где  K – безразмерный комплекс, определяемый как (Re We0,5)1/3; Wсм – скорость смеси, м/с; – поверхностное натяжение, H/м; ж, п– плотность жидкости и пара, кг/м3; Re – число Рейнольдса, безразмерное, Re = жWсмD/ ж; D – внутренний диаметр трубопровода, м; ж– динамическая вязкость жидкости, Па с; We – число Вебера, безразмерное, We = /g( ж– п)D2. При W 3,3 и ж>0,002 истинная объемная концентрация жидкости рассчитывается по формуле ж= 5,5 (100 ж)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 ж= 370 ж/V 10-S+ 0ж(1-10-S). (8) где S = 600 ж/V; 0ж– истинная объемная концентрация жидкости при пробковом режиме течения 0ж= 1-K [1-exp(-4,4(Fr/Fra)0,5)] п, (9) где K – коэффициент, зависящий от приведенной вязкости; *– приведенная вязкость, *= п/ ж; при * 0,01, K = 0,35+1,4 0*,25; при *> 0,01, K = 0,77+0,23 0*,5; при * 0,001, Fra= 1150 0*,79; при *> 0,001, Fra= 9,8 0*,1. Fra – автомодельное значение критерия Фруда, зависящее от приведенной вязкости.
Истинная объемная концентрация пара п= 1- ж. (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.
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.
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 19.12.2001
Номер и год публикации бюллетеня: 11-2003
Извещение опубликовано: 20.04.2003
|
|