Способ определения наличия жидкости в движущемся паре или парожидкостной смеси, ее расхода, влажности пара и устройство для его осуществления

 

сОюэ сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕ ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4667865/26 (22) 01.02.89 (46) 30.01.93. Бюл. М 4 (71) Белорусский политехнический институт (72) В.П, Кащеев, B.À. Левадный, В,Н, Сорокин, К.Э. Кащеева, Б;И. Нигматулин и В,А,.

Сычик (56) Берлинер М.А, Измерение влажности, М„ Энергия, 1973.

Заявка Великобритании

N. 1435783, кл. 6 01 N 27/22, 1976. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ

ЖИДКОСТИ В ДВИЖУЩЕМСЯ ПАРЕ ИЛИ

ПАРОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ, ЕЕ РАСХОДА, ВЛАЖНОСТИ ПАРА И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и моИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в системах контроля и автоматического регулирования степени влажности парогазовых сред, в первую очередь в энергетике.

В настоящее время широкое применение получили емкостные датчики влагомеров, представляющие собой воздушные конденсаторы, снабженные вспомогательными устройствами для введения образца, уплотнения его, освобождения конденсатора ит.д.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения влажности и устройство для осуществления способа заключающийся в отборе порции газа, ее с. Ж 17917б5 А1 (я)ю G 01 N 25/60, 27/22, 6 05 D 27/00 жет быть использовано в системах контроля и автоматического регулирования степени влажности парогаэовых сред, в-первую очередь в энергетике. Сущность: способ заключается в том, что поток пара или парожидкостной смеси закручивают, разделяя пар и жидкость,"расширяют"поток в >a- стке с увеличенйым диаметром по сравнению с трубопроводом, часть расширенного потока тормозят, замеряют давления торможения, давления невозмущенного и закрученного потоков, давления на наибольшем и текущем радиусах расширенного потока и по их показаниям судят о количестве (расходе) жидкости в парожидкостной смеси, скорости жидкости в углублении, плотности жидкости и влажности пара (с учетом его расхода), 2 с. и. ф-лы, 2 ил. подогрева, фильтрации и измерения влажности чувствительным элементом;

Этот способ имеет. недостатки, органиФ чески связанные с самим методом измерений — низкая точность (10 — 15%), 4 ограниченные пределы измерения" и ухуд- СЬ шение точности со временем работы иэ-за Ql потери чувствительности элемента.

Цель изобретения состоит в повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения наличия жидкости в движущемся паре или парожидкостной смеси, ее расхода, влажности пара, включающем подачу пара или парожидкостной смеси в измерительный участок, замеры давления на стенке и в потоке и времени изменения давления, поток пара или паро1791765

45

55 жидкостной смеси, согласно изобретению, закручивают, разделяя пар и жидкость, расширяют поток в участке с увеличенным диаметром по сравнению с трубопроводом, часть расширенного потока тормозит, замеряют давления торможения (PTopM) на наибольшем (Рг) и текущем r (Pr) радиусах расширенного потока, невозмущенного (Po) и закрученного (Рг) потоков в трубопроводе и по разйости давлений (Рг — Рг) судят о наличии жидкости в паре, а по скорости бР. (Р - - ) возрастания давления в углублео t нии (после его дренажа), давлениям Ро и P и давлению торможения (Рторм) о количестве (расхода) жидкости в парожидкостной смеси, скорости жидкости в углублении, плотности жидкости и влажности пара (с учетом его расхода).

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве по предлагаемому способу, включающему трубопровод, датчики давления и измеритель времени, согласно изобретению трубопровод выполнен из патрубков двух диаметров с отношением большего к меньшему в пределах 1,2 — 4, причем в патрубке с меньшим диаметром установлен закручиватель, а патрубок большего диаметра снабжен тангенциально располо>кенным патрубком с отношением его диаметра к диаметру меньшего йатруб.; ка в пределах 0,1 — 0,2.

Именно заявленные соотношения раз"меров патрубков и установление закручивателя в патрубке меньшего диаметра, а также снабжение большего патрубка тангенциально расположенным патрубком, обеспечивает, согласно способу, получение наибольшей точности измерений и тем самым достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом, !

На фиг. 1 показано устройство; на фиг, 2 — разрез А-А на фиг. 1, B трубопроводе 1 (его диаметр Оф) установлен закручиватель 2 потока пара парожидкостной смеси, После закручивателя трубопровод имеет участок с увеличенным диаметром (0г) — углубление 3 (его длина i). в к(тором тангенциально расположен патрубок 4, на котором находятся клапан 5 и расходомер 6. Устройство имеет манометры

Мо, М1, Мг М и Мэ. Также имеется измеритель времени.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении через закручиватель влажного пара последний приобретает радиальную скорость, его траектория становится спиральной и разной для пара и жидкости, Жидкость иэ-за ее большей по сравнению с паром плотности отбрасывается на стенку, а затем движется вперед, вращаясь, по стенке трубы тонкой пленкой, заполняя по пути все углубления.

В патрубке 4 (отростке) жидкость эаторможена, Клапан 5 используется для дренажа и определения расхода жидкости расходомером 6.

Манометр Мо показывает давление Ро невозмущенного (неэакрученного) потока, манометр М показывает давление Р> на стенке в закрученном потоке, манометр Мг — давление Рг на дне углубления, манометр

М3 давление Р>ор>, заторможенной в отростке 4 жидкости и манометр Mr — давление

P в потоке на текущем радиусе г углубления.

Физическая сущность изобретений, Давление в углублении складывается из статического (Р, ) и динамического (Рд), определяемого действием центробежной силы вращающейся жидкости. Динамическое давление определяется местоположением точки (г) измерения, плотностью, количеством и скоростью вращения жидкости, радиусом углубления, Это давление изменяется от нуля на радиусе углубления, равном радиусу свободной поверхности жидкости, до максимального на наибольшем диаметре углубления, В точке установки манометром Мг оно будет равно

Рг = P1+ Рд = P> +—

S где F — центробежная сила, S — площадь поверхности углубления на наибольшем диаметре (Ог), В интегральном виде, s предположении псевдо-турбулентного режима течения >кидкости в углублении, т, е. когда скорость по кольцу жидкости остается постоянной, центробежная сила равна:

> R2 ,)„б4аь

mr где аь в — ускорение и масса жидкости на текущем радиусе г, mr — масса диска вращающейся жидкости радиусом от центра углубления до радиуса, пег — масса диска вращающейся жидкости от центра углубления до радиуса свободной поверхности жидкости.

Такой режим течения жидкости сохраняется из-за постоя н ного поступления в углубление жидкости с постоянной скоростью.

Центробежное ускорение (aqe rp.), как известно, равно

17791765 зчтг ацентр =

Г где V — окружная скорость.

Масса элемента жидкости в предположении плоскопараллельности торцевых стенок углубления и выполнения его боковой поверхности в виде кругового цилиндра равна drni - р2л rldr, где р — плотность жидкости, I — ширина боковой стенки. вг г

Отсюда F $ р2д rldr - 2д IV2 г фг - r).

Так как $ = 2л R2i; получаем

2 р (1 -@ — ) „Pg—

При заполнении углубления давление возрастает, поэтому производная давления от времени будет положительной и зависеть при равномерном расходе жидкости от геометрии углубления, После заполнения углубления жидкостью начнется ее слив в трубопровод, давление на дне углубления будет оставаться постоянным, т. е. производная P станет равной нулю. Таким образом, фиксируя значение величины Р во времени, можно установить время (х), требуемое для заполнения углубления, Отсюда определяется расход жидкости р где V — объем углубления.

Пусть в момент времени t после дренажа углубления уровень свободной поверхности в углублении находится на радиусе r, Разность давлений(Рг - Рт), измеренных манометрами М1 и Мг определяется только динамическим давлением вращающейся в углублении жидкоети и составляет P2 - Р1 =

PV (1 ), С появленйем в углублении

Г

R2 вращающегося кольца жидкости эта разность становится больше нуля и служит сигналом, что пар влажный (или газовая смесь содержит жидкую фракцию). В этом случае,,.т, е. для насыщенного пара, его плотность ,о и температура тэ насыщения однозначно определяются давлением(Ро, его показывает манометром Мо). Это же относится и к плотности жидкости.

После дренажа жидкости иэ углубления начнется его заполнение и динамическое давление в нем будет возрастать со скоростью

dP dF оЧ dr

dt Sdt R2 dt на котором установлен манометр МР. Манометр Мг показывает давление P2 (t). За время ht после этого момента в углубление натечет масса жидкости, равная hmr, дав5 ление на дне углубления возрастет на ЬР и станет равным P2(t+ h,t) уровень свободной поверхности переместится ближе к центру на расстояние Ьг, Манометр Mr. который за все время t после начала наполнения

10 углубления показывал одмо и то же значеwe давления, которое примерно равно давлению на манометре Мт, отметит рост давления на какую-то величину ЛРт.

Это позволяет установить, что в момент

15 времени с уровень свободной поверхности прошел через точку установки манометра

Mr, т. е. дает численное значение текущего радиуса r в какой-то момент времени К

Так как ЛР— — -а-, Лтт, то ацент разделив левую и правую часть полученкногь выражения на ht, получим

ЛР ац н. Лпт, В пределе, при ht - О, получаем

d Р ацентда dm

dt S dt

Так как - G, где 6 — расход жидкоопт

dt

30 сти, то можно записать Р— аУЛ вЂ” а- 6, Откуда расход жидкости равен G> = P

S а центр

V2

Неизвестную в этом выражении скорость вращейия жидкости в кольце воды в углублении можно определить из уравнения

40 Бернулли, примененного для заторможенной в тангенциально расположенном патрубке на дне углубления:

45 . Рторм =

Откуда Чз - — ™2 2 Рто м

Рторм можно определить по разности показаний манометров Мз и M2:

ЬРторм = Рторм Р2

Для большей точности измерения, устранения краевого эффекта желательно ма55 нометр Mr установить по середине глубины

Вг + 3 углубления. В этом случае r -, а выражение. для расхода жидкости через углубление приобретает следующий вид:

1791765 с, p SR 2+ R3

Ъ Рторм

Предположим, что через углубление проходит часть (К) жидкости, которой обладает поток в трубопроводе (Go) От = К Go.

Эта величина (К) зависит от многих факторов, в первую очередь от качества работы закручивателя, скорости потока, размеров системы и может быть найдена для каждого конкретного случая экспериментально.

Расход (6 napa) в трубопроводе определяется расходомером, Зная общий расход (О ) жидкости в трубопроводе, можно найти абсолзотную влажность пара; 1 =

Ото

° °

Опара и относительную влажность пара

Степень сухости Х двухфазной системы равНВ Х=Опас)а

Оо + Опара

В изобретении соотношения размеров выбраны по следующим причинам.

Давление на дне углубления (его показывает манометр М2) зависит от диаметра углубления, При малыхдиаметрах, меньших

1,201, динамическое давление незначительно и точность определения (из-за погрешностей приборов) требуемых параметров невелика. с

При диаметрах большого патрубка, большего 4D1, развиваемое давление вели. ко, требуется использование манометров высокого давления, более толстых стенок устройства, что удорожает конструкцию и стоимость определения нужных характеристик, При этом точность измерений из-за использования манометров другого типа— рассчитанных на большее давление, уже не возрастает.

Диаметр патрубка для дренажа жидкости из углубления выбран из следующих соображений, При диаметре патрубка, меньшем

0,1D>, затруднен дренаж углубления {при очень малых его сечениях количество жидкости; поступающей в углубление, может быть больше пропускной способности патрубка). Проходного для жидкости сечения патрубка при его диаметре в пределах(0,1—

0,2) 01 достаточно для быстрого дренажа системы.

При диаметрах патрубка, больших 0,2

01 проявляется воздействие патрубка на поток жидкости в углублении и на точность показаний манометра Мг (что ухудшает точность), к тому >ке удорожается конструкция, Тангенциальное располо>кение патрубка к углублению выбрано потому, что в этом случае давление торможения максимальное (при других расположениях оно меньше на соз а, где а — угол отклонения расположения патрубка от направления движения жидкости), Испытания изобретения были проведены на Электрогорской научно-испытательной станции ВНИИАЭС и на стендах во

ВНИИАМе, Эксперименты йоказалй работоспособность предложенного техйического реше10

Использование предлагаемого способа и устройство позволяет по сравнению с существующими повысить точность измерения, так как погрешность измерения

15 давления образцовым манометром не более жидкость, расширяют поток на участке измерителя с увеличенным диаметром, часть расширейного потока тормозят, измеряют давление торможения на наибольшем и текущем диаметрах потока, невозмущенного и закрученного потоков и по разности давлений на наибольшем диаметре потока и закрученного потока судят о наличии жидкости в паре, по скорости изменения давления на наибольшем диаметре потока после pro тормо>кения, давлениям невозмущенного потока, на текущем радиусе потока и торможения судят о количестве жидкости в парожидкостной смеси, скорости жидкости на йаибольшем диаметре и влажности пара.

2. Устройство для определения наличия жидкости в движущемся паре или парожидкостной смеси, ее расхода, влажности пара, включающее трубопровод, закручиватель потока, датчики давления и измеритель времени, отличающееся тем,что,сцелью повышения точности измерений, трубопровод выполнен из патрубков двух диаметров с отношением большего к меньшему в пре50

55 делах 1,2-4, причем патрубок большего диаметра снабжен тан ген циально расположенным патрубком с отношением

+0,7%, погрешность измерения расхода пара 0,65%, остальные величины дают погрешность не более чем +0,2%, то погрешность измерения величин по изобре20 тению не превышает 1,0%, Формула изобретения

1, Способ определения наличия жидкости в движущемся паре или парожидкостйой смеси, ее расхода, влажности пара, 25 включающий подачу пара или паро>кидкостной смеси B измеритель с предварительным закручиванием потока, измерение давления на стенке измерителя и в потоке и времени изменения давления, отличающийся

30 тем, что, с целью повышения точности измерений, поток пара или парожидкостной смеси после закручивания разделяют на пар и

1791765

Составитель В.Кащеев

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор

Заказ 150 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

его диаметра к диаметру меньшего патрубка в пределах 0,1 — 0,2, измерители давления установлены в меньшем патрубке до и после закручивателя потока, на переходном участке от меньшего к большему диаметру, в большом патрубке и в тангенциально расположенном патрубке.