Способ определения газосодержания в жидкости

 

Изобретение относится к способам измерения газосодержания в жидкости и может быть использовано, например, в системах топливоподачи ракетных и авиационных двигателей. При осуществлении способа перед заполнением исследуемой жидкостью в мерной емкости, предназначенной для проведения исследований, создают разрежение, измеряют остаточное давление и температуру в мерной емкости, разделение на газообразную и жидкую фазы осуществляют путем принудительной вибрации до прекращения газовыделения из исследуемой жидкости, измеряют давление и температуру выделившегося из жидкости газа, а также температуру жидкости в мерной емкости, измеряют температуру и давление в гидравлическом контуре для заполнения мерной емкости исследуемой жидкостью, объем заливаемой в мерную емкость исследуемой жидкости и объем газа над свободной поверхностью этой жидкости и из заданных соотношений рассчитывают объемное и массовое газосодержание жидкости. Использование предлагаемого способа определения газосодержания в жидкости обеспечивает достоверность и точность получаемых результатов, особенно необходимых в авиационно-ракетной технике. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения газосодержания в жидкости и может быть использовано, например, в системах топливоподачи ракетных и авиационных двигателей.

Известен "Способ и устройство оперативного контроля концентрации газовой фазы нерастворенного газа в потоке жидкости", патент РФ № 2188407 от 19.03.2001 г., где при непрерывном и постоянном по величине расходе газожидкостной среды через U-образный сосуд, в "левой" части которого в результате физико-механического разделения фаз в течение фиксированного времени, в верхней части происходит падение уровня жидкости со скоростью, прямо пропорциональной объемной доле газовой фазы в теплоносителе. Уровнемером контролируют изменение этого уровня, выдают аналоговый сигнал на предусилитель, через микропроцессор выдаются управляющие сигналы, а после регулирования цикла измерения и цикла подготовки к измерениям производят контроль концентрации газовой фазы нерастворенного газа в потоке жидкости.

Недостатком данного технического решения является громоздкость схемы устройства, большое число сложных и дорогостоящих приборов. Кроме того, скорость течения жидкости в U-образном сосуде должна быть постоянной, а само течение должно происходить под давлением газа, выделяющегося из жидкости через ее свободную поверхность в "левой" части сосуда. Поскольку расходомер не регулирует, а лишь контролирует расход пробы, то скорость жидкости будет переменной, так как зависит от переменности столбов жидкости в "левой" и "правой" частях сосуда. Мало вероятно, чтобы выделившийся газ, содержащийся в подавляющем количестве обычных жидкостей, например в водопроводной воде, был способен сколько-нибудь заметно вытеснить жидкость; также неясно, почему скапливающийся газ не выходит вовне через канал расходомера.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является "Способ определения концентрации газов", патент РФ №2047856 от 18.09.89 г., в котором разделение газонасыщенной жидкости на жидкую и газовую фазы производят в уравновешенных мерных объемах, выполненных в виде сифона, в которые подают термостабилизированную жидкость, прошедшую и не прошедшую газонасыщение. При этом концентрацию газов определяют путем сравнения веса мерных объемов.

Недостатком данного способа является низкая точность определения концентрации газов по причине того, что при тарировании устройства требуется газонасыщенная жидкость с заранее известной концентрацией газа, однако неизвестно, как ее можно определить со значительно большей точностью как эталонную, в сравнении с концентрацией газа в испытуемой жидкости. Кроме того, вес растворяемого газа в испытуемой жидкости настолько мал, что для определения разности весов дегазированной и газонасыщенной жидкостей необходимо высокочувствительное весовое устройство, на показания которого неизбежно будут накладываться технологические погрешности многих механических элементов устройства.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и точности определения газосодержания жидкости.

Технический результат достигается тем, что перед заполнением исследуемой жидкостью в мерной емкости, предназначенной для проведения исследований, создают разряжение, измеряют остаточное давление и температуру в мерной емкости, разделение на газообразную и жидкую фазы осуществляют путем принудительной вибрации до прекращения газовыделения из исследуемой жидкости, измеряют давление и температуру выделившегося из жидкости газа, а также температуру жидкости в мерной емкости, измеряют температуру и давление в гидравлическом контуре для заполнения мерной емкости исследуемой жидкостью, обьем заливаемой в мерную емкость исследуемой жидкости и обьем газа над свободной поверхностью этой жидкости и из соотношений расчитывают объемное и массовое газосодержание жидкости.

На фиг.1 изображена схема устройства, которое является совокупностью элементов, реализующего способ определения газосодержания в жидкости.

На фиг.2 показана графическая зависимость массового газосодержания в жидкости от времени ее дегазации.

Устройство для определения газосодержания в жидкости, изображенное на чертеже, содержит мерную емкость 1 с водомерным стеклом 2, соединенную с гидравлическим контуром (емкостью) 3 и с вакуум-насосом 4. К мерной емкости 1 подсоединены мановакуумметр 5 для контроля разрежения в ней, насос 6 глубокого вакуума и U-образный манометр 7. На мерной емкости 1 установлен вибратор 8, а в ее полость встроены термопары 9 и 10. На соединительных линиях имеются регулировочные краны 11, 12, 13, 14, 15, 16. К контуру 3 присоединены манометр 17 и термопара 18.

Заявляемый способ определения газосодержания в жидкости реализуется следующим образом.

Открывают кран 13 и вакуум-насосом 4 создают разрежение в мерной емкости 1, предельно малое давление в мерной емкости 1 фиксируют мановакуумметром 5, закрывают кран 13, открывают краны 11 и 15 и посредством насоса 6 глубокого вакуума вакуумируют обе трубки манометра 7 до момента, когда перестают выделяться пузырьки газа из манометрической жидкости. Это означает, что в обеих трубках образовался практически полный вакуум. Затем закрывают краны 11 и 15 и открывают кран 12, сообщая мерную емкость 1 с правой трубкой манометра 7. Поскольку в левой трубке манометра 7 давление практически равно нулю, то на манометре 7 образуется перепад Δ h₁, соответствующий остаточному давлению p₁ в мерной емкости 1, измеряют в ней температуру T₁ термопарой 9, открывают кран 14, сообщая гидравлический контур (емкость) 3 с мерной емкостью 1 и контролируя давление в ней мановакуумметром 5.

После заполнения мерной емкости 1 жидкостью из контура примерно наполовину (избыток сливают краном 16) кран 14 закрывают и мерную емкость 1 подвергают сотрясению вибратором 8 до тех пор, пока не прекратится газовыделение из залитой в мерную емкость 1 жидкости. Этот момент определяют по состоянию жидкости в водомерном стекле 2. Выделившийся газ повышает давление в мерной емкости 1 до величины Р₂, которую также фиксируют перепадом Δ h₂ на манометре 7. Кран 12 закрывают и измеряют температуру Т₂ газа и Т_ж2 жидкости в мерной емкости 1 термопарами 9 и 10 соответственно; измеряют температуру Т _к в контуре термопарой 18 и давление р_к манометром 17.

По полученным данным определяют величины:

где m₁ - масса газа, оставшегося в мерной емкости 1 после создания в нем разрежения;

V₁ - [м ³]суммарный объем бачка 1, соединительной линии с краном 12 и воспринимающей газ правой трубки U-образного манометра 7;

p₁ - [Па] давление исходное;

р₁ =Δ h₁ ρ _м; где ρ _м - [кг/м³ ] плотность жидкости в U-образном манометре 7;

Δ h₁- [Дж/кг] разность уровней жидкости в U-образном манометре;

R - [Дж/кг· К] газовая постоянная;

P_S1 - [Пa] давление насыщенного пара (определяют в зависимости от температуры Т₁);

где m₂ - [кг] масса газа в мерной емкости 1 после заполнения ее жидкостью и принудительной ее вибрации;

V_ж - [м³] объем жидкости, взятой из контура 3 к залитой в мерную емкость 1;

V₂ - [м³] объем газа в мерной емкости 1 над свободной поверхностью жидкости;

p₁ и Т₂ - давление [Па] и температура [К] газа в мерной емкости 1 после заполнения ее жидкостью и принудительной ее вибрации;

p_S2 - [Па] давление насыщенного пара (определяют по таблицам в зависимости от температуры Т₂).

где m₃ - масса газа, растворенного в жидкости, заливаемой в мерную емкость 1 в условиях контура 3, откуда заливают жидкость;

δ _к - определяемая объемная доля газа, растворенного в жидкости;

р_к, Т_к - давление и температура в контуре;

p_SK - [Па] давление насыщенного пара в контуре (определяют по таблицам в зависимости от температуры Т_к).

где m₄ - масса газа, оставшегося растворенным в жидкости, находящейся в мерной емкости 1;

δ _пр- объемная доля газа, растворенного в этой жидкости при предельной степени насыщения;

χ ₂(Т_2ж) - коэффициент Генри (определяют по таблице в зависимости от температуры Т_2ж).

Δ m=m₂-m₁=m₃-m₄

где Δ m - масса выделившегося в мерной емкости газа. После подстановки значений m_1-4 из выражений (1)-(4) вычисляют объемную долю газа.

а затем вычисляют массовое газосодержание

где ρ _ж - [кг/м³] плотность жидкости (определяют по таблицам в зависимости от температуры Т_2ж).

На фиг.2 приведена графическая зависимость экспериментальных данных, а в тексте - таблица опытных данных по определению массовой концентрации газа в воде посредством заявляемого способа.

На фиг.2 дана зависимость массового газосодержания m_к в жидкости от времени τ ее предварительной дегазации. Точка (-• -) обозначает газосодержание в воде городского водопровода, а точки (--о, □ , х--) относятся к воде, предварительно дегазированной путем распыла ее струйками диаметром 4, 6, 8 мм соответственно в специальном дегазаторе (на фигуре не показан) с последующей заливкой воды в контур, откуда ее отбирают для опыта. Точка (--Δ --) соответствует газосодержанию в прокипяченой воде.

В качестве исходной (калибровочной) жидкости в данном случае берется водопроводная вода с известным по справочным табличным данным газосодержанием. Оно, как видно из экспериментальной зависимости фиг.2, практически совпадает с полученным значением в опыте.

Подтвердим это примером экспериментального определения массового газосодержания в водопроводной воде, которое заранее известно. Испытания проводились при следующих исходных данных.

Давление р₁=10⁵Па;

Температура окружающей среды Т₁=293К;

Отношение объемов V₁ /V_ж=0,5;

Плотность воды ρ _ж ≈ 1000кг/м³.

Поскольку заполнение бачка жидкостью, затем сотрясения бачка и другие подготовительные работы требуют некоторого времени, то температуры T₁ и Т₂ остаточного газа и газа, выделившегося в бачке после заполнения его жидкостью, выравниваются до того, как начинается сам опыт (различие в температурах не превышает 0,5 К, то есть T₁=T₂=T. В этом случае формула для массового газосодержания приобретает вид:

Так как давление повышается пропорционально уменьшению объема, то при весьма малом давлении p_s, как это имеет место для воды, первые два члена взаимно уничтожаются и формула для упрощается:

При указанных исходных данных величина коэффициента Генри согласно табличным данным равна 1,26*10^-7. Тогда:

Как видно из графической зависимости на фиг.2 (точка -• -), в заявляемом способе погрешность практически нулевая.

Приводим таблицу опытных данных по определению массовой концентрации воздуха в воде посредством предлагаемого способа.

Предлагаемый способ определения газосодержания в жидкости обеспечивает достоверность получаемых результатов, особенно необходимых в авиационно-ракетной технике, а именно применительно к авиационно-ракетным топливам с большой газопоглотительной способностью, а также при экспериментальных исследованиях насосов для получения предельно-срывных характеристик.

Формула изобретения

Способ определения газосодержания жидкости, включающий заполнение исследуемой жидкостью мерной емкости и ее разделение на газообразную и жидкую фазы, отличающийся тем, что перед заполнением исследуемой жидкостью в мерной емкости создают разрежение, измеряют U-образным манометром остаточное давление и температуру в мерной емкости, разделение на газообразную и жидкую фазы осуществляют путем принудительной вибрации до прекращения газовыделения из исследуемой жидкости, измеряют U-образным манометром давление и температуру выделившегося из жидкости газа, а также температуру жидкости в мерной емкости, измеряют температуру и давление в гидравлическом контуре для заполнения мерной емкости исследуемой жидкостью, объем заливаемой в мерную емкость исследуемой жидкости и объем газа над свободной поверхностью этой жидкости, рассчитывают объемное и массовое газосодержание жидкости из соотношений

где δ _к - объемное газосодержание в жидкости;

- массовое газосодержание жидкости, [кг/кг];

m₃ - масса газа, растворенного в жидкости, [кг];

m_ж - масса жидкости, заливаемой в мерную емкость, [кг];

ρ _ж - плотность жидкости, определяемая по таблицам в зависимости от температуры после принудительной вибрации, [кг/м ³];

V₁ - суммарный объем мерной емкости и соединительной линии с воспринимающей газ трубкой U-образного манометра, [м³];

R - газовая постоянная, [Дж/кг·К];

P₁ - остаточное давление в мерной емкости после создания в ней разрежения, [Па];

T₁ - температура газа, оставшегося в мерной емкости после создания в ней разрежения, [К];

P_s1 - давление насыщенного пара в мерной емкости после создания в ней разрежения, определяемое по таблицам в зависимости от температуры T₁, [Па];

V _ж - объем жидкости, залитой из гидравлического контура в мерную емкость, [м³];

V₂ - объем газа в мерной емкости над свободной поверхностью жидкости, [м ³];

Р₂ и Т₂ - давление и температура газа в мерной емкости после заполнения ее жидкостью и принудительной ее вибрации, [Па] и [К];

P_s2 - давление насыщенного пара в емкости после заполнения ее жидкостью и принудительной вибрации, определяемое по таблицам в зависимости от температуры Т₂, [Па];

Т_ж2 - температура жидкости в мерной емкости после принудительной вибрации, [К];

P_к и Т_к - давление и температура в гидравлическом контуре, [Па] и [К];

P_sk - давление насыщенного пара в гидравлической контуре, определяемое по таблицам в зависимости от температуры Т_к, [Па];

χ ₂ - коэффициент Генри, определяемый по таблицам в зависимости от температуры Т_2ж.

РИСУНКИ