Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения истинного объемного паросодержания

Изобретение относится к измерительной технике, к исследованию характеристик парожидкостных потоков в свободных и загруженных проницаемой внутренней насадкой каналах под давлением.

Уровень техники

Аналогом служит известный метод отсечки потока, который состоит в быстром одновременном закрытии двух клапанов на некотором участке канала с последующим измерением содержания фаз, преимущественно жидкой. Одно из описаний метода приведено на стр.109 в пособии А.А. Малышев, В.О. Мамченко, К.В. Киссер. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладоагентов, Учеб.-метод. пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 116 с. Этот метод применяется для воздушно - водяных и других газожидкостных потоков при отсутствии межфазных переходов, меняющих массовое и объемное соотношение фаз в процессе измерения. Использование известного метода приводится в ряде публикаций: Сахаров В.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в вертикальных трубах и промысловых подъемниках. М.: Изд-во Нефть и газ, 2004. 398 с.; Эксплуатация и технология разработки нефтяных и газовых месторождений. / Авт.: И.Д Амелин, Р.С. Андриасов, Ш.К. Гиматудинов и др.М., Недра, 1978. 356 с.; Хьюит Дж., Холл-Тэйлор Н. Кольцевые двухфазные течения. Пер. с англ. М., Энергия,1974. 408 с. Содержание жидкой фазы после перекрытия потока находится измерением гидростатического давления столба жидкости либо занимаемого ею объема. Недостатком известного способа определения газосодержания в потоке является то, что он не применим к “горячим” парожидкостным потокам, для которых любое изменение давления и температуры смеси после отсечки потока в процессе измерения ведет к изменению исходного соотношения жидкой и парообразной фаз вследствие межфазного массообмена. Предлагаемый способ исключает этот недостаток тем, что он основан на действии закона сохранения всей массы пароводяной смеси в отсекаемом объеме в процессе измерения.

Раскрытие сущности изобретения

В изобретении реализуется способ определения истинного объемного паросодержания, являющегося основной характеристикой парожидкостного потока, посредством вспомогательного измерения объема добавочной воды, замещающей разность объемов паровой фазы и ее жидкого конденсата. На основе закона сохранения массы вещества на контрольном участке получена формула связи величины истинного объемного паросодержания с измеренным объемом добавочной воды.

После достижения установившегося режима движения пароводяного потока на участке трубопровода 1 с помощью датчиков давления 2 и датчика температуры 3 (см.Фигура) производят измерение давления и температуры потока на отсекаемом участке 1. Датчики давления 4 и 5 используются для дополнительного контроля давления до и после перекрываемого участка. Затем отсекаемый участок 1 одновременно перекрывается синхронизированными быстродействующими клапанами 6 и 7. Пароводяной поток при этом отклоняется от измерительной линии и направляется через открываемый клапан 8 по байпасной линии (см. Фигура). Следующим шагом является внешнее охлаждение отсекаемого объема до полной конденсации в нем паровой фазы. Принудительное охлаждение отсекаемого объема осуществляется создаваемым с помощью вентилятора направленным воздушным или капельно-воздушным потоком. Процесс конденсации пара сопровождается падением давления и созданием разрежения в отсеченном объеме 1. При падении давления ниже атмосферного, открывается вентиль 9 (см. Фигура), установленный на линии соединения отсекаемого объема 1 с мерным сосудом 10, заполненным водой. Вода под действием атмосферного давления из мерного сосуда 10 поступает в исследуемый объем 1 до полной конденсации содержащегося в нем пара. По известным свободному объему отсекаемого участка 1 и измеренному объему добавочной воды можно определить среднее истинное объемное паросодержание в отсекаемом потоке. Для этого используются следующие уравнения баланса масс.

Масса пароводяной смеси М в отсекаемой части потока:

где - свободный объем отсекаемого участка ( или объем пористого пространства на участке для канала с пористой внутренней структурой, например, в виде плотной упаковки шаровых частиц );

, - плотности пара и воды на линии насыщения при рабочем давлении p₁ в потоке;

ϕ - истинное объемное паросодержание в потоке при рабочем давлении p₁.

После конденсации пара и охлаждения жидкости до температуры t_2, меньшей температуры насыщения, для этой же массы будет справедливо следующее равенство:

где - объем добавочной воды;

- плотность воды при конечной температуре смешения t₂.

Приравнивая (1) и (2) получаем формулу для определения среднего истинного объемного паросодержания в потоке под рабочим давлением p₁:

. (3)

Метод применим для измерения истинного объемного паросодержания в каналах со свободным проходным сечением, а также каналах, содержащих проницаемые насадки, например, в виде упаковок твердых частиц. Способ реализован на физической установке “Высокотемпературный контур” Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН для измерения истинного объемного паросодержания при движении двухфазного потока в канале, заполненном неподвижными твердыми шаровыми частицами, а также свободном от них.

Краткое описание чертежей

На Фигуре показана схема измерения истинного объемного паросодержания. Схема измерения включает в себя: участок трубопровода 1 с быстродействующими отсечными клапанами 6 и 7, байпасную линию с краном 8, мерный сосуд 10 с известным объемом воды, подключаемый к отсекаемому участку при помощи вентиля 9, измерители давления 4 и 5 до и после отсекаемого участка, измеритель давления 2 в отсекаемом участке 1, измеритель температуры 3 в отсекаемом участке 1.

Осуществление изобретения

Порядок осуществления способа измерения истинного объемного паросодержания следующий:

1. В исходном состоянии краны 6,7 открыты для беспрепятственного движения потока пароводяной смеси, кран 8 и вентиль 9 закрыты, мерный сосуд 10 заполнен водой до начального контрольного уровня.

2. Предварительно определен свободный объем отсекаемого участка 1.

3. Производится измерение давления p₁ (датчик 2) и температуры t₁ (датчик 3) парожидкостного потока в канале. По данным измерений и таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара определяются плотности паровой и жидкой фаз в потоке.

4. Выполняется одновременное закрытие отсечных клапанов 6, 7 и открытие клапана 8.

5. В отличие от известного метода отсечки потока, в котором используется последующее гравитационное разделение фаз с измерением объемов жидкой и газовой составляющих смеси, в предлагаемом методе после закрытия отсечных клапанов используется перевод всей смеси в жидкое состояние путем принудительного охлаждения отсеченного участка 1. Охлаждение парожидкостной смеси вызывает конденсацию паровой фазы, сопровождаемую понижением давления в отсеченном объеме.

Образующийся конденсат при этом стекает вниз и смешивается с содержащейся в исходной двухфазной смеси жидкой компонентой.

6. После снижения давления ниже атмосферного открывается вентиль 9, и производится заполнение отсеченного участка добавочной водой, приводящее к полной конденсации содержащегося в нем пара.

7. Фиксируются конечный уровень в мерном сосуде 10 и определяется объем добавочной воды V_доб.

8. Измеряются конечная температура смешения t₂ и давление p₂ при помощи датчиков давления 2 и температуры 3 внутри отсеченного участка 1, и с помощью таблицы теплофизических свойств воды определяется ее плотность ρ₂.

9. Полученные величины подставляются в формулу (3) для нахождения истинного объемного паросодержания ϕ в исследуемом двухфазном потоке.