Способ определения истинного объёмного газосодержания

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Способ заключается в том, что в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок, характеризующийся диаметром, длиной, коэффициентом потерь на трение и суммарным коэффициентом местных потерь давления, измеряют объемный расход, температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание по измеренным параметрам. Технический результат - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

 

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно, к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Изобретение может быть использовано для определения содержания газа в других двухфазных газовых эмульсиях для управления различными технологическими процессами.

Величина объемного содержания газа в масловоздушной эмульсии необходима для расчета ее плотности, используемой при решении задач, касающихся определения параметров газожидкостных сред. Как правило, требуется долговременное непрерывное измерение в реальном времени значения истинного объемного газосодержания двухфазного потока на различных режимах работы оборудования.

Способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии основаны на различных физических принципах и направлены на измерение истинного газосодержания в сечении трубопровода, в локальной пробе или в объеме участка трубопровода.

Известны способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии, связанные с отбором проб газовой эмульсии и их анализом (газохроматографический, десорбционно-термокондуктометрический, манометрический и др.), однако эти способы требуют специального оборудования, времени для анализа, то есть не обеспечивают получение оперативной информации, и часто имеют низкую точность измерений.

Известен способ определения истинного объемного газосодержания потока газовой эмульсии, в котором возбуждают акустические колебания в газожидкостной среде (RU 2115116, 1998). Недостатком данного способа является изменение гидродинамического режима потока и сложность его реализации в трубопроводах маленького диаметра, например, в топливной или масляной системе двигателей.

Известен способ измерения истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода по ослаблению ионизирующего излучения (SU 1022002, 1983). Использование указанного способа ограничено требованиями техники безопасности и его применение возможно только в отношении газовых эмульсий, не содержащих нечувствительные к инфракрасному излучению азот, кислород, гелий, аргон, криптон, ксенон.

Известен способ определения объемного газосодержания в газожидкостной среде в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру, давление и скорость потока между двумя сечениями участка и рассчитывают объемное газосодержание по уравнению состояния идеального газа, принимая двухфазную газожидкостную систему как смесь идеального сжимаемого газа и несжимаемой жидкости (US 6847898, 2005). Недостатком известного технического решения является низкая точность определения термодинамических характеристик эмульсии, таких как скорость звука, показатель адиабаты и др. В частности, расчет скорости звука в водовоздушной эмульсии без учета сжимаемости жидкой фазы составляет 330 м/с, а с учетом сжимаемости - 25 м/с, что подтверждается ее экспериментальным измерением.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является техническое решение (RU 152854, 2015), направленное на определение истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок и определяют истинное объемное газосодержание в сечении на входе в измерительный участок.

Недостатком известного технического решения является необходимость использования метода последовательных приближений при решении двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными для расчета объемного газосодержания. Указанный метод требует существенных затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания и может не обеспечить получения достоверного результата.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в сокращении затрат времени на определение истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в определении величины истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.

Технический результат достигается за счет того, что в способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром dтр, длиной lтр, коэффициентом λтр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζм местных потерь давления, измеряют объемный расход Qизм, температуру Тэм и давление Рэм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔРизм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание αэм в сечении на входе в измерительный участок по следующему соотношению:

где:

ρж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм;

Кт.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м4;

ρг - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм, причем:

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность признаков, характеризующая изобретение, позволяет определять величину истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени на основе измерения гидродинамических характеристик потока - давления, перепада давления, температуры и объемного расхода газовой эмульсии и применения соотношения учитывающего геометрические характеристики трубопровода и характеристики потока газовой эмульсии.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе.

Способ измерения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии основан на законе сохранения массы, согласно которому при течении газовой эмульсии в трубопроводе массовый расход и массовое газосодержание не изменяются по его длине.

В способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром dтp, длиной lтр, коэффициентом λтр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζм местных потерь давления, измеряют объемный расход Qизм, температуру Тэм и давление Рэм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔРизм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание αэм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению:

где:

ρж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм;

Кт,тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м4;

ρг - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм, причем:

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.

На первом этапе заявленного способа выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром dтp, длиной lтр, коэффициентом λтр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζм местных потерь давления.

В частности, длина участка может составлять не менее семи размеров его диаметра. Для повышения точности измерения перепада давлений длину участка целесообразно выбирать максимально возможной.

Величины коэффициентов λтр и ζм могут определяться по известным соотношениям (см., например, И.Е. Идельчик, «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», 3-е издание, Москва, «Машиностроение», 1992, с. 10-11, 29-32). В частности, коэффициент λтр может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:

λтр=64/Re.

Местные потери давления возникают, в частности, из-за сужения потока на входе в трубопровод и расширения на выходе из него, а также поворотов трубопровода.

На втором этапе измеряют объемный расход Qизм, температуру Тэм и давление Рэм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, и перепад ΔРизм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка.

Значения плотности ρж масла и плотности ρг воздуха могут быть определены по одномерным или двумерным табличным данным или известным аналитическим выражениям:

ρж=f1эм, Тэм),

ρг=f2э, Тэм),

где:

f1эм, Тэм) - функция, выражающая зависимость ρж от Рэм и Тэм;

f2эм, Тэм) - функция, выражающая зависимость ρг от Рэм и Тэм.

На третьем этапе определяют истинное объемное газосодержание αэм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению (1).

Как известно, характер течения в трубопроводах микропузырьковых газожидкостных сред, к которым относится и двухфазная масловоздушная эмульсия, ничем не отличается от характера течения однофазной жидкости (см., например, статью Б.В. Бошенятова «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6, с. 160). Следовательно, величина массового расхода может быть определена из формулы Дарси - Вейсбаха для расчета потерь давления из-за трения эмульсии о стенки трубопровода, которая после перехода от объемного расхода к массовому и учета потерь давления на местных сопротивлениях в трубопроводе имеет следующий вид:

где:

Рэм.н и Рэм.к - величина давления соответственно на входе и выходе измерительного участка;

Gтp - величина массового расхода;

ρэм - плотность эмульсии на входе в участок трубопровода;

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода, равная:

Соотношение (2) показывает, что величина Gтp может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔРизм давления в участке трубопровода, равной разности величин давлений на его входе и выходе, и характеристикам измерительного участка (геометрическим данным и коэффициентам потерь).

Величина Gтp может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Qизм и плотности ρэм эмульсии по соотношению:

Так как величина массового расхода одинакова для потока эмульсии в трубопроводе, то подставляя соотношение (3) в соотношение (2) получим следующее равенство:

откуда соотношение для расчета плотности эмульсии имеет вид:

причем

В соотношение (4) входят только известные характеристики трубопровода и измеренные значения перепада ΔРизм давления и объемного расхода Qизм.

Подставляя в соотношение (4) известное выражение для плотности эмульсии:

ρэм=(1-αэмжэмρг,

получим соотношение:

ρжт.трΔРизм/Q2измэмжг),

из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:

αэмжт.трΔРизм/Q2изм)/(ρжг).

Таким образом, используя измеренные объемный расход Qизм эмульсии и перепад ΔРизм давления в участке трубопровода длиной lтр и диаметром dтр, а также рассчитанные текущие значения плотности ρж масла и плотности ρг воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания αэм потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).

Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания αэм прямым вычислением, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата -сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

Для расчета потерь давления в трубопроводе справедлив принцип аддитивности и, в частном случае, в соотношение (2) могут быть добавлены величины потерь давления, обусловленные влиянием вязкости эмульсии на ламинарном режиме течения. Величина этих потерь прямо пропорциональна коэффициенту динамической вязкости ηэм эмульсии и массовому расходу. С учетом этого, соотношение (2) принимает следующий вид:

В известной литературе имеются соотношения различного вида для расчета вязкости двухфазных эмульсий в функции объемного газосодержания. На основании обработки экспериментальных данных в указанной выше работе (Б.В. Бошенятов «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6) на стр. 159 указано соотношение:

ηэм1(1+k1αэм),

где:

η1 - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы (масла) эмульсии, Па⋅с;

k1 - постоянный коэффициент, равный 1.

С учетом соотношения (4) выражение для расчета αэм принимает следующий вид:

αэм=(ρжт.трΔРизм/Q2измв.тр/Qизм)/(ρжгв.тр/Qизм),

где Кв.тр - коэффициент, имеющий размерность кг⋅с-1, причем

Полученное соотношение показывает, что с увеличением вязкости жидкой фазы объемное газосодержание возрастает.

Заявленный способ может быть осуществлен с помощью измерительной системы для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии. Система включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено устройство для измерения объемного расхода и датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления, измеряющий разность давлений между входом и выходом измерительного участка, и электронный вычислительный блок, подключенный к электрическим выходам устройства для измерения объемного расхода и всех датчиков, и выполненный с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по информации с датчиков и устройства для измерения объемного расхода.

В качестве устройства для измерения объемного расхода может быть использован датчик объемного расхода или электроприводной насос-измеритель, в контроллере которого содержится алгоритм определения объемного расхода по предварительно полученной экспериментальной зависимости объемного расхода через насос от частоты вращения насоса и перепада давления на нем.

Необходимость использования в предлагаемом способе только четырех простых средств измерения (устройство для измерения объемного расхода, датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления) повышает возможность практической его реализации в конструкциях измерительных систем.

Решение проблемы определения объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии особенно актуально для систем смазки газотурбинных двигателей (ГТД). В опорах ГТД образуется устойчивая масловоздушная эмульсия, которая откачивается насосами в маслобак (Гулиенко А.И. и др. Особенности рабочего процесса в масляной полости опор ротора газотурбинного двигателя // VI Международная НТК «Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня». Сборник избранных докладов. - М.: «Граница», 2016, - с. 38-46.). Информация о содержании воздуха в масловоздушной эмульсии позволяет достоверно рассчитать потери давления в тракте откачки, величину гидравлической мощности откачивающих насосов и другие параметры, на основании которых определяются диаметр трубопроводов, мощность электропривода для вращения насосов и др.

Способ может быть использован для определения величины истинного объемного газосодержания αэм потока двухфазной масловоздушной эмульсии на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной эмульсии из опор роторов ГТД.

В качестве дополнительного технического результата при осуществлении заявленного способа также повышается точность и достоверность определения величины истинного объемного газосодержания αэм, поскольку прямое вычисление с учетом потерь давления на трение в отличие от метода последовательных вычислений гарантирует сходимость процесса расчета, например, при скачках давления в трубопроводе.

Способ определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром dтр, длиной lтр, коэффициентом λтр потерь на трение, суммарным коэффициентом ζм местных потерь давления, измеряют объемный расход Qизм, температуру Тэм и давление Рэм масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔРизм давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание αэм в сечении на входе в измерительный участок по соотношению:

αэм=(ρжт.трΔPизм/Q2изм)/(ρжг),

где:

ρж - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм;

Кт.тр - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м4;

ρг - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Тэм и Рэм, причем:

Fтp - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, предназначено для контроля влагосодержания продукции нефтедобывающих скважин и может быть использовано при получении информации для систем регулирования добычи продукции на нефтяных месторождениях.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для измерения плотности любых жидких сред, в том числе и химически активных, в широком диапазоне температур с высокой точностью и меньшими затратами времени.

Изобретение относится к устройствам для определения влагосодержания и может быть использовано в газодобывающей промышленности для оценки эффективности работы сепарационного и абсорбционного оборудования.

Мультифазный поточный влагомер относится к области измерительной техники и может быть использован для определения количества воды, содержащейся во взаимно несмешивающихся с ней нефтепродуктах и свободном нефтяном или природном газах.

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к изучению физических свойств грунтов, и может быть использовано для определения характеристик пористости грунта при компрессионных испытаниях образцов в условиях невозможности бокового расширения.

Изобретение относится к измерению свойств флюида, более конкретно к определению плотности флюида с применением плотномера, содержащего одиночный магнит. Прибор (300) для определения свойств флюида содержит трубку (304) для приема флюида, одиночный магнит (302), прикрепленный к трубке, и единственную обмотку (306), намотанную вокруг одиночного магнита.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования физических и физико-химических свойств пластовых углеводородных систем в исследовательской практике, в нефтяной и других отраслях промышленности.

Способ относится к неразрушающим методам производственного контроля и может найти применение при анализе различных волоконных материалов в промышленности. Способ реализуется следующим образом.

Изобретение относится к области исследований или анализа защитных свойств сорбентов, поглощающих пары органических веществ по принципу физической адсорбции, весовым способом.

Изобретение относится к медицине, диагностике, оценке эффективности препаратов для лечения остеопороза. Диагностику остеопороза и контроль его динамики проводят рентгенабсорбционным методом на остеометре, причем за диагностический критерий остеопороза принимают наличие полостных образований в трабекулярных отделах костей, по динамике закрытия которых судят об эффективности препарата или препаратов.

Группа изобретений относится к технической физике, в частности к определению параметров металлических расплавов путем фотометрии силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава, и может быть использована в лабораторных исследованиях, на металлургических предприятиях, в вузах.

Изобретение относится к области фотометрии жидких сред. Концентратомер жидких сред содержит источник излучения, кювету, фильтр низких частот, усилитель, интегратор, задающий генератор.

Изобретение относится к области оптических измерений. Дифференциальный измеритель оптической плотности жидкой среды включает светонепроницаемый корпус, излучатель света, две идентичные проточные измерительные кюветы с патрубками для ввода и вывода жидкости излучатель, оптические окна для ввода и вывода излучения, фотоприемники сигналов измерительных каналов, дифференциальный усилитель.

Изобретение относится к технической физике, а именно к определению физико-химических параметров металлических расплавов путем измерения плотности и поверхностного натяжения неподвижно лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава посредством фотоэлектронной объемометрии.

Изобретение относится к области исследования жидкостей и может быть использовано для определения сжимаемости жидкостей в широком интервале давлений и температур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения момента возникновения пробоины на крыле летательного аппарата при воздействии средств поражения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам для исследования плотности жидкостей пикнометрическим методом. .

Изобретение относится к авиационной промышленности и может быть использовано при исследовании различных летательных аппаратов в гидродинамических трубах, а также в различных отраслях промышленности народного хозяйства, где необходимо исследовать "возмущенный" поток жидкости.

Изобретение относится к авиационной промышленности и может быть использовано при исследовании различных летательных аппаратов в гидродинамических трубах, а также в различных отраслях народного хозяйства, где необходимо исследовать турбулентности жидкостей в трубопроводах или замкнутых помещениях.

Изобретение относится к способам определения термобарических параметров (температуры и давления) образования гидратов в многокомпонентной смеси типа нефтяных или природных газов.

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Способ заключается в том, что в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок, характеризующийся диаметром, длиной, коэффициентом потерь на трение и суммарным коэффициентом местных потерь давления, измеряют объемный расход, температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание по измеренным параметрам. Технический результат - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.

Наверх