Способ определения расхода жидкости в пристенной пленке

 

Использование: техническая физика, определение распределения жидкости между ядром потока и пленкой. Сущность изобретения: отбирают двухфазную пробу через кольцевую щель 12, разделяют ее на жидкостную и газовую (паровую) составляющие, одновременно дополнительно подводят тепловой поток к стенке отводящего помола с помощью нагревателя 5, измеряют температуру стенки термопарой 6 и производят обработку результатов измерений с учетом местоположения точки перегиба на графике зависимости температуры стенки отводящего помола от расхода смеси. 5 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении распределения жидкости между ядром потока и пленкой преимущественно в области дисперсно-кольцевого режима течения. Известен способ определения расхода жидкости в пристенной пленке, заключающийся в синхронном перекрытии потока отсечными клапанами, отделении жидкой фазы от газообразной и последующем определении расхода жидкой фазы [1] Устройство для осуществления способа [1] состоит из участка канала и отсечных клапанов. Основной недостаток способа заключается в том, что измерение расхода жидкости в пристенной пленке возможно лишь тогда, когда вся жидкая фаза находится в пленке, а газовая фаза в ядре, в пристенном слое отсутствует газовая (паровая) фаза. Как правило, при течении двухфазных диабатных потоков жидкая фаза находится как в пристенной пленке, так и в ядре потока, кроме того, в пристенной пленке присутствует паровая фаза. В связи с этим применение метода для определения расхода в пристенной пленке проблематично. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения расхода жидкости в пристенной пленке, заключающийся в отборе двухфазной пробы со стенки канала, разделении ее на жидкостную и газовую составляющие, определении по зависимости G_ж F(G_см) количества жидкости, текущей по внутренней стенке канала, т.е. расхода жидкости в пристенной пленке [2] Основной недостаток способа заключается в следующем. При определении расхода жидкости в пристенной пленке на зависимости G_ж F(G_см) определяют участок, где расход жидкости в отобранной пробе G_ж не зависит от расхода пара (газа) в отобранной пробе (плато) (фиг. 1), расход жидкости G_ж, соответствующий этому участку, равен расходу жидкости в пристенной пленке. Область 1 (фиг. 1) соответствует не полностью отобранной пленке со стенки канала, а в области 3 (фиг. 1) вместе с жидкостью и паром, текущим по стенке канала, отбирается жидкость (в виде капель) и пар, находящиеся в ядре потока. Таким образом, основная трудность при определении G_пл этим способом заключается в определении плато, т. е. участка 2 (фиг. 1). При невысоких паросодержания X=0,15 0,3 (вблизи границы дисперсно-кольцевого режима течения), а также при определении расхода жидкости в пристенной пленке G_пл в адиабатических и двухкомпонентных потоках (воздух-вода) определение на зависимости G_ж f(G_см) плато затруднено. В зависимости от режимных параметров плато может иметь очень малую протяженность (фиг. 2) или практически отсутствовать. В этих случаях определение G_пл затруднено, расход жидкости в пристенной пленке определяется с большой погрешностью (до 50%). Цель изобретения состоит в устранении указанного недостатка, а именно в повышении точности при невысоких газосодержаниях вблизи границы дисперсионно-кольцевого режима течения. Указанная цель достигается тем, что дополнительно подводят тепловой поток к стенке отводящего канала, измеряют температуру стенки отводящего канала, определяют расход жидкости в пристенной пленке путем конкретизации местоположения плато на зависимости G_ж f(G_см) по зависимости T_cт f(G_см), q тепловой поток; q_кр критический тепловой поток; T_ст температура стенки; G_ж расход жидкости в отобранной пробе; L длина; d диаметр трубы; G_пл расход жидкости в пристенной пленке;
G_см расход двухфазной смеси. На фиг. 3 представлен общий вид устройства для осуществления способа. Устройство состоит из подводящего канала 1, отводящего канала 2, камеры отбора 3, фланцевого соединения 4, нагревателя 5, термопары 6, изолятора 7. Подводящий канал 1 служит для подвода двухфазной смеси или ее получения в случае диабатных течений, в последнем случае нагрев смеси происходит путем прямого пропускания тока по стенке трубы (на фиг. 3 показан верхний токопровод 11, нижний токопровод не показан). Отводящий канал служит для отвода двухфазной смеси, камера отбора 3 служит для отбора двухфазной пробы со стенки канала. Отбор смеси проводится с помощью кольцевой щели 12, фланцевые соединения 4 служат для фиксации отводящей 2 и подводящей трубы 1 и камеры отбора 3, а также размера кольцевой щели 12. Нагреватель 5 служит для нагрева участка отводящей трубы 2 после кольцевой щели 12. Для измерения температуры стенки в месте установки нагревателя 5 установлена термопара 6, термопара 6 прижата либо приварена к стенке отводящей трубы 2. Изолятор 7 установлен снаружи нагревателя 5 и служит для защиты электронагревателя от попадания влаги и случайного прикосновения. Рассмотрим процессы, происходящие при определении расхода жидкости в пристенной пленке (фиг. 4). При отборе двухфазной пробы через кольцевую щель 12 часть пристенной пленки уходит через кольцевую щель 12, а другая часть (неотобранная) продолжает течь по стенке отводящего канала 2. При наличии фиксированного теплового потока на стенке отводящего канала 2, который создается нагревателем 5, уровень температуры стенки 2 будет определенным и равным
t_ст= t_см+q/α,
где t_ст температура внутренней поверхности стенки 2;
t_см температура двухфазной смеси;
g плотность теплового потока;
α коэффициент теплоотдачи Вт/м².^oC. При наличии пленки на стенке 2 под нагревателем уровень температуры стенки соответствует теплосъему жидкостью (α = 50-30 кВт/м², °C). Таким образом, при полном отборе пристенной пленки через кольцевую щель 12 на стенке 2 под нагревателем 5 теплосъем изменяется, а температура стенки растет. Характерный вид зависимости T_ст f(G_см) показан на фиг. 5, момент полного отбора пленки со стенки соответствует изменению угла наклона в зависимости T_ст f(G_см) последнее проверено экспериментально. Уровень теплового потока, создаваемый нагревателем, выбирается из условия 0 < g < g_кр. При g=0 практически невозможно выявить различие в уровнях теплосъема жидкостью и газом. При g=g_кр наступает кризис теплоотдачи, пленка срывается и теплосъем осуществляется газом (паром), т.е. в этом случае также невозможно выявить различие в условиях теплосъема при отсутствии и наличии пленки. Длина участка канала от места отбора до конца участка обогрева выбрана из условия 0 <L/d <10. Это связано с тем, что как известно из работ (Субботин В.И. Сорокин Д.Н. Нигматуллин Б.И. и др. Комплексные исследования гидродинамических характеристик дисперсно-кольцевых парожидкостных потоков. Теплообмен, 1978. Советские исследования, М. Наука, 1980) независимо от условий ввода фаз длина канала, при которой расход жидкости в пленке становится равным равновесному, составляет приблизительно 100 d. В наших опытах показано, что длина участка от места полного отбора пленки до места, где появляются ручейки жидкости на стенке (за счет выпадения капель из ядра потока на стенку), составляет L/d <10. При увеличении участка больше этой величины стенка покрывается пленкой жидкости и на участке трубы под нагревателем теплосъем соответствует жидкостному. В этом случае практически невозможно определить момент полного отбора пленки, измеряя температуру стенки. При L/d <10, при условии полного отбора пленки со стенки теплосъем определяется паром (капли не успевают выпасть на стенку). Способ осуществляется следующим образом. В канале (подводящая труба 1) создается двухфазная смесь (путем нагрева или смешения фаз) далее отбирают двухфазную пробу через кольцевую щель 12 и разделяют ее на жидкостную и газовую (паровую) составляющие, одновременно дополнительно подводят тепловой поток к стенке отводящего канала с помощью нагревателя 5 и измеряют температуру стенки 2 термопарой 6. Изменяют расход двухфазной пробы, отбираемой через щели 12, и повторяют весь цикл измерений. В результате получается зависимость G_ж f(G_см). Одновременно строится зависимость T_ст f(G_см), где G_ж расход жидкости в отобранной пробе. Далее строятся совместные зависимости (фиг. 5) G_ж f(G_см) и T_ст f(G_см). Из этих зависимостей определяют расход жидкости в пристенной пленке путем определения точки, где температура стенки отводящего канала изменяет наклон, затем наносят эту точку на зависимость G_ж f(G_см) при G_см idrm и определяют расход жидкости в пристенной пленке (фиг. 5а). В случае ярко выраженного плато на зависимости G_ж f(G_см) привлечение зависимости T_ст f(G_см) практически не изменяет расход G_пл, определенный только на основе зависимости G_ж f(G_см) (фиг. 5б). Пример. Для проверки предлагаемого способа были проведены измерения на трубе внутренним диаметром 10,75 мм, длиной 6 м. Обогрев осуществлялся непосредственным пропусканием электрического тока через стенку. Массовая скорость ρW = 2000 кг/м²·c, давление 7 МПа, температура воды на входе 240^oC. Паросодержание на выходе менялось от 0,3 до 0,6. Высота кольцевой щели 1 мм. Длина участка обогрева 40 мм. Обогрев осуществлялся с помощью нагревателя, выполненного, из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм. Уровень тепловых потоков на участке обогрева до 100 кВт/м², при этом g <g. Проведенные измерения показали, что по сравнению с определением расхода жидкости в пристенной пленке, описанным в прототипе способом, в нашем случае расходы жидкости в пленке определялись точнее примерно на 15 20% Кроме того, применение способа позволяет определить расходы в пленке практически вблизи начала дисперсно-кольцевого режима течения, т.е. границы применяемости способа расширяются. Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысит точность определения расхода в пристенной пленке.

Формула изобретения

Способ определения расхода жидкости в пристенной пленке газожидкостной смеси, включающий многократный отбор различных по величине проб со стенки канала между его подводящей и отводящей частями, разделение каждой пробы на жидкую и газовую составляющие, измерение величины расхода газа в пробе и расхода жидкости и совместную графическую обработку результатов измерений путем определения точки перегиба кривой на графике зависимости расхода жидкости от расхода смеси, по местоположению которой определяют расход жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при невысоких газосодержаниях вблизи границы дисперсно-кольцевого режима течения, дополнительно нагревают участок стенки отводящей части канала, при каждом отборе пробы измеряют температуру нагреваемого участка стенки, а совместную обработку результатов измерений производят с учетом местоположения точки перегиба на графике зависимости температуры стенки отводящего канала от расхода смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5