Способ определения скорости границы раздела фаз в двухфазном потоке

Сущность: измеряют сигнал u=f(τ), возникающий при взаимодействии двухфазного потока с электроконтактным зондом, размещенным нормально к набегающему двухфазному потоку. На зависимости u=f(τ) определяют точки пересечения фронтов, возникающих при взаимодействии фаз с электроконтактным зондом с уровнем дискриминации, определенным с учетом истинного объемного паросодержания. Скорость границы раздела фаз определяют по соответствующим расчетным формулам. Технический результат: повышение точности. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для определения скоростей фаз в двухфазных потоках.

Известен способ определения скорости границы раздела фаз (паровой фазы) двухфазного потока с помощью сдвоенного электроконтактного зонда, заключающийся в том, что измеряют временной сдвиг, возникающий при прохождении пузырей через электроды первого и второго по ходу движения датчиков, и определяют скорость пузырей на основе зависимости

где W_п - скорость пузырей,

l - расстояние между торцами датчиков,

- временной сдвиг между импульсами разбаланса, м,

u - скорость протяжки ленты осциллографа, м/с,

S - линейный сдвиг между импульсами разбаланса, м (Шанин В.К., Дробков В.П., Кулаков И.В., Халмэ М.В. Экспериментальное исследование скоростей и размеров паровых пузырей в тяговой шахте модели реактора ACT - 500 // Теплоэнергетика, №5, 1988. С.30, [1]).

Основной недостаток времяпролетного способа заключается в низкой его точности. Последнее связано с тем, что определение временного сдвига в высокоскоростном двухфазном потоке весьма сложно. Это связано с тем, что при входе паровой фазы на первый по ходу движения двухфазной смеси зонд и далее на второй по ходу движения зонд образуются свои дополнительные фронты, которые затрудняют интерпретацию моментов взаимодействия пузыря с одним и другим зондом и, соответственно, затрудняют определение времени взаимодействия зондов с пузырем. Кроме того, выбор базового расстояния l не определен, базовое расстояние зависит от режимных параметров и заранее выбор оптимального базового расстояния невозможен. При неверном выборе l возможно замыкание пузырем одновременно двух датчиков. По-видимому, такой способ реализуем в условиях естественной циркуляции при достаточно низких скоростях паровой фазы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения скорости границы раздела фаз в двухфазном потоке, включающий измерение в течение времени экспозиции Т сигнала u=f(τ), возникающего при взаимодействии электроконтактного зонда с двухфазным потоком, определение на зависимости u=f(τ) значений максимальной U_макс и минимальной U_мин амплитуд сигналов, определение на зависимости u=f(τ) точек пересечения t_i и t_i+1 фронтов, возникающих при взаимодействии фаз с электроконтактным зондом, с некоторым предварительно установленным уровнем дискриминации U=U_д.

(Свистунов Е.П., Севастьянов В.К., Шанин В.К., Крюков В.М. Оценка спектра размеров паровых включений методом зондирования // ИФЖ, т.55, № 5, 1988. С.794 [2]).

Основной недостаток способа заключается в том, что точность измерения скорости раздела фаз (паровой фазы) невелика.

Последнее связано с тем, что рост и снижение фронта сигнала определяются при временах t_i и t_i+1, фиг.2, которые в свою очередь определяются как точки пересечения u=f(τ) с уровнем дискриминации u_D. Поскольку u_D выбран произвольно и не отражает условия взаимодействия зонда с двухфазным потоком точки t_i и t_i+1 выбираются неверно. На фиг.1 представлена схема взаимодействия паровых пузырей с чувствительным элементом зонда (а) и соответствующее этому процессу изменение сигналов при питании измерительной цепи переменным током высокой частоты (б, в, г). Уровень дискриминации определяет долю времени, в течение которого паровая фаза присутствует в точке замера. Основной источник погрешностей при определении ϕ (Болтенко Э.А., Болтенко Д.Э. Способ определения истинного объемного паросодержания. Патент РФ № 2186377, Бюл. № 21, 2002 г.) связан с некорректным выбором уровня дискриминации (ϕ - истинное объемное паросодержание). На фиг.1 изображены предельные случаи, когда из-за некорректного выбора уровня дискриминации измерения ϕ становятся практически невозможными (случай в, г). При измерении скорости раздела фаз правильный выбор уровня дискриминации еще более важен. Небольшая ошибка в определении t_i и t_i+1 приводит к значительным ошибкам при определении производной .

Кроме того, при использовании указанной в [2] схеме взаимодействия зонда с двухфазным потоком зонд размещается навстречу потоку, фиг.2. При такой схеме размещения зонда условия взаимодействия паровой фазы при входе в зонд и выходе из него неравноценны и неоднозначны. Последнее видно из фиг.2, заимствованного из [2], стр.795, на котором отчетливо прослеживается несимметричность фронтов, полученных при взаимодействии паровой фазы при входе в зонд и выходе из него.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения скорости границы раздела фаз и повышении представительности результатов, что обеспечивается тем, что взаимодействие электроконтактного зонда с двухфазным потоком проводят при размещении электроконтактного зонда нормально к набегающему двухфазному потоку, уровень дискриминации U_д определяют по местоположению точки перегиба (плато) на зависимости ϕ=f(U_д), построенной на основе многократного вычисления ϕ=(1/Т) ΣΔτ_i, где Т - время экспозиции, ΣΔτ_i - определенное на зависимости u=f(τ) суммарное время взаимодействия электроконтактного зонда с фазой при соответствующем выбранном уровне дискриминации U_д в интервале U_макс - U_мин, ϕ - истинное объемное паросодержание, определенное на временном отрезке, равном времени экспозиции, определяют скорость границы раздела фаз.

W_п=(W₁+W₂)·0,5

скорость границы раздела фаз в процессе прохождения от первого по ходу потока электрода до второго электрода;

скорость границы раздела фаз в процессе выхода из межэлектродного промежутка и потери контакта с первым по ходу движения потока электродом и вторым электродом;

Δ - расстояние между электродами электроконтактного зонда;

W_П - скорость границы раздела фаз (парового включения или капли).

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения скорости границы раздела фаз и повышении представительности результатов, обеспечивается тем, что взаимодействие электроконтактного зонда с двухфазным потоком проводят при размещении электроконтактного зонда нормально к набегающему двухфазному потоку, при этом возможна однозначная интерпретация фронтов, возникающих при входе фазы в межэлектродный промежуток зонда и выходе фазы из него. Как видно из фиг.3, фронты симметричны, что кроме всего прочего свидетельствует о минимальном искажении формы пузырей при взаимодействии с зондом. Цель предлагаемого изобретения достигается также за счет того, что уровень дискриминации определяют наиболее точно, что, в свою очередь, позволяет правильно определить точки пересечения фронтов с уровнем дискриминации и устранить ошибки, возникающие при определении производных.

Дополнительное повышение точности достигается также за счет настройки прибора. В случае пузырькового режима предпочтительно настройку прибора проводить таким образом, чтобы при взаимодействии зонда с несущей фазой (жидкость) имел место максимальный сигнал, т.е. U_макс=U_ж, U_мин=U_п. При капельном режиме предпочтительно иметь настройку прибора так, чтобы при взаимодействии зонда с несущей фазой (пар) имел место максимальный сигнал, т.е. U_макс=U_П, U_мин=U_ж.

На фиг.3. показана зависимость u=f(τ), записанная при взаимодействии водовоздушного потока (барботажный режим) с электроконтактным зондом, а также различные стадии взаимодействия пузыря с зондом (фиг.3 а, б, в).

В качестве электроконтактного зонда использовался зонд, описанный в (Бурлаков В.А., Болтенко Э.А., Джусов Ю.П. Электроконтактный датчик. А.С. СССР, №1250047, Б.И., №14, 1991 г.). Электроконтактный зонд в простейшем случае состоит из внутреннего электрода 1, наружного электрода 2, снабженного удлинительным проводом 3. Электроды разделены диэлектриком 4. Внутренний электрод и удлинительный провод образуют межэлектродный промежуток 5 шириной Δ, фиг.3в.

Способ определения скорости границы раздела фаз осуществляется следующим образом. Размещают электроконтактный зонд так, чтобы двухфазный поток был направлен нормально к электродам электроконтактного зонда. Далее проводят запись сигнала, возникающего при взаимодействии зонда с потоком u=f(τ). В данном случае вторичная аппаратура настроена таким образом, что максимальный сигнал имеет место при взаимодействии зонда с жидкостью (водой), минимальный при взаимодействии зонда с паром. Выбирают время экспозиции Т. Определяют уровень дискриминации U_д.

Для этого многократно определяют истинное объемное паросодержание ϕ при различных уровнях дискриминации U_д, выбранных в интервале U_max - U_min, и определяют оптимальный уровень дискриминации U_допт по местоположению точки перегиба (плато) на зависимости ϕ=f(U_д). На фиг.4 показан пример зависимости ϕ=f(U_д=U/U_max).

Истинное объемное локальное паросодержание ϕ определяется как ϕ=(1/Т) ΣΔτ_i, где Т - время экспозиции, ΣΔτ_i - суммарное время взаимодействия зонда с паровой фазой, определенное по зависимости u=f(τ) при соответствующем выбранном уровне дискриминации. Далее определяют точки пересечения u=f(τ) с уровнем дискриминации U_д=U_допт и определяют скорости границы раздела фаз на основе зависимости

W_П=(W₁+W₂)·0,5

скорость границы раздела фаз в процессе прохождения от первого по ходу электрода до второго электрода;

- скорость прохождения границы раздела фаз в процессе выхода из межэлектродного промежутка и потери контакта с первым по ходу движения потока электродом и вторым электродом;

Δ - расстояние между электродами электроконтактного зонда.

На фиг.3а, б, в показаны характерные моменты взаимодействия пузыря с зондом: фиг.3 а - пузырь начинает взаимодействовать с первым по ходу движения потока электродом и начинает разрывать контакт между электродами, участок на зависимости u=f(τ), отмечен как оа. Пузырь полностью разомкнул электроды, фиг.3 б, участок на зависимости u=f(τ), отмечен как аб. Пузырь выходит из межэлектродного промежутка, фиг.3в, участок на зависимости u=f(τ), отмечен как бо.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим определение скорости раздела фаз (скорость пузырей) в условиях барботажного режима. Для создания такого режима в трубе, выполненной из плексиглаза, диаметром 40 мм устанавливался зонд нормально оси трубы (труба устанавливалась вертикально). Далее от компрессора (марка СХ-1000) в трубу через пористую вставку, установленную в нижней части трубы, подавался воздух. Скорость пузырей измерялась с помощью предлагаемого способа и с помощью видеосъемки движения пузырей с последующей покадровой обработкой снимков. Определение скорости пузырей с помощью видеосъемки дает значение скорости, равное 30 см/с, с помощью предлагаемого способа скорость пузырей (средняя) определена равной 27 см/с, ошибка составляет 10%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять скорость границы раздела фаз с приемлемой точностью. Метод применим для пароводяных потоков высокого давления.

Способ определения скорости границы раздела фаз в двухфазном потоке, включающий измерение в течение времени экспозиции Т сигнала u=f(τ), возникающего при взаимодействии электроконтактного зонда с двухфазным потоком, определение на зависимости u=f(τ) значений максимальной U_макс и минимальной U_мин амплитуд сигналов, определение на зависимости u=f(τ) точек пересечения t_i и t_i+1 фронтов, возникающих при взаимодействии фаз с электроконтактным зондом, с некоторым предварительно установленным уровнем дискриминации U=U_д, отличающийся тем, что взаимодействие электроконтактного зонда с двухфазным потоком проводят при размещении электроконтактного зонда нормально к набегающему двухфазному потоку, уровень дискриминации U_д определяют по местоположению точки перегиба (плато) на зависимости ϕ=f(U_д), построенной на основе многократного вычисления ϕ=(1/T)ΣΔτ_i, где Т время экспозиции, ΣΔτ_i - определенное на зависимости u=f(τ) суммарное время взаимодействия электроконтактного зонда с фазой при соответствующем выбранном уровне дискриминации U_д в интервале U_макс-U_мин, ϕ - истинное объемное паросодержание, определенное на временном отрезке, равном времени экспозиции, определяют скорость границы раздела фаз

W_П=(W₁+W₂)·0,5,

где - скорость границы раздела фаз в процессе прохождения от первого по ходу потока электрода до второго электрода;

- скорость границы раздела фаз в процессе выхода из межэлектродного промежутка и потери контакта с первым по ходу движения потока электродом и вторым электродом;

Δ - расстояние между электродами электроконтактного зонда,

W_п - скорость границы раздела фаз (парового включения или капли).