Способ определения параметров двухфазных потоков сплошных сред и устройство для его осуществления

Способ определения параметров двухфазных потоков сплошных сред и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: в измерительной технике, в способах и устройствах для измерения непосредственно в транспортных магистралях и трубопроводах характеристик потоков газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпанентных смесей, используемых или возникающих в процессе работы агрегатов в тепловой и ядерной энергетике, нефтехимии, криогенной технике, технология переработки и потребления природного и сниженного газов, а также в других технологиях, где применяются потоки поляризуемых сплошныйх сред. Сущность изобретения: производят непрерывные замеры температуры, давления, плотности и расхода в потоках сплошных сред, в заданном участке движения потока с неизвестным фазовым составом создают последовательно расположенные зоны заданной геометрии с концентрированными в них сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными полями с параллельным и/или поперечным к направлению движения среды векторами электрического поля,измеряют в этих полях резонансные частоты, зависящие от фазового состояния движущихся в них сред, определяют по значениям этих частот величены продольной и поперечной диэлектрической проницаемости потока, по которым определяют объемное содержание компонента с низкой плотностью и компонента с высокой плотностью, определяют по значению низкой плотности эффективные диэлектрическую проницаемость, плотность и энтальпию потока измеряемой среды, измеряют в зонах с концентрированными СВЧ электромагнитными полями авто- или взаимокорреляционные функции резонансных частот, возникающих в движущейся измеряемой среде, определяют по этим функциям совместно с измерением эффективной плотности массовый расход измеряемой среды, а совместно с измерением энтальпии величину тепла , аккумулированного в потоке. 2 с.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к способам и устройствам для измерения непосредственно в транспортных магистралях и трубопроводах характеристик потоков газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей, используемых или возникающих в процессе работы агрегатов в тепловой и ядерной энергетике, нефтехимии, криогенной технике, технологиях переработки и потребления природного и сжиженного газов, а также в других технологиях, где применяются потоки поляризуемых сплошных сред.

Для обоснованного управления и контроля за такими потоками необходимо знание различных характеристик течения, в том числе плотности среды в случае двухфазных или многокомпонентных потоков, их массового расхода, аккумулируемого в двух или многофазном потоке тепла, и других характеристик, измерение которых в настоящее время освоено и используется лишь для однофазных сред и практически не поддается определению в случае, если движущаяся среда многофазная.

Известен способ определения плотности сплошной среды на основе измерения его диэлектрической проницаемости _эф. Такие измерения проводятся путем помещения исследуемой многокомпонентной среды в электрическое поле, емкость которого изменяется в зависимости от концентрации компонентов измеряемой среды. Например, пусть V₁ объем одного из компонентов исследуемой среды с диэлектрической проницаемостью ₁, V₂ объем другого компонента с диэлектрической проницаемостью ₂, тогда их объемная концентрация выражается с помощью соотношений ₁= ; (1) ₂= 1-₁, (2) а эффективная диэлектрическая проницаемость _{эф 1 1} + _{2 2 1 1} + ( 1 ₁ ) _{2 2 1} ( _{2 1} ) (3) Известна также однозначная связь диэлектрической проницаемости с плотностью поляризуемых сред, определяемая для неполярных сред уравнением Клазиуса -Сассотти (Сканави Г.И. Физика диэлектриков, область слабых полей) и для полярных сред, например для воды и водяного пара, международным уравнением (Мартынова О. И. Теплоэнергетика, 1977). Способ устанавливает посредством этих зависимостей меру изменения диэлектрических проницаемостей в средах с разными ₁ и ₂ и позволяет в ряде частных случаев определить эффективную плотность среды, помещаемой в электрическое поле с электрической емкостью С.

Определение плотности среды позволяет при известных давлении и температуре восстановить основные теплофизические характеристики вещества, помещенного в электрическое поле, а размещение зон с концентрированными электрическими полями одной вслед за другой вдоль по направлению перемещения среды позволяет определять ее массовый расход (см. например, Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков, Л. Машиностроение, 1982).

Принципиальным недостатком способа является неоднозначность определения плотности в двухфазных или многокомпонентных средах в связи с зависимостью емкости электрического поля или, что то же самое, диэлектрической проницаемости объема среды от пространственного распределения первой и второй фаз. По этой причине при одной и той же плотности среды _эф и при одной и той же концентрации фаз ₁ и ₂величина _эф может принимать различные значения. При этом погрешность в определении _эф по измененному значению максимальна для полярных сред.

Известны устройства для измерения расхода и плотности различных сред. Например, известно устройство для измерения расхода и плотности угольно-воздушной среды, содержащее первичный преобразователь в виде двух электроемкостных элементов, установленных по потоку друг за другом на фиксированном расстоянии. Емкостные элементы представляют собой алюминиевые обкладки на внешней поверхности керамической трубы, внутри которой движется угольно-воздушная смесь. Каждый емкостный элемент включен в контур генератора высокой частоты. Выход генератора через частотно-аналоговый преобразователь подается в корреляционную схему измерения расхода (Корреляционный расходомер. Nacagava Toshio, Madsatshita Shigetada Keiso instorumentation, 1982, 25, N 11, с. 39-42).

Недостатком этого устройства является высокая погрешность изменения скорости в воздушно-угольном потоке из-за указанных недостатков способа и существенной неоднородности электрического поля в электроемкостных элементах описанной конструкции. Помимо этого, опыт указывает на низкую чувствительность таких элементов при их использовании для измерения расхода.

Известны способ и устройство для определения параметров двухфазных потоков сплошных сред, основанные на непрерывном измерении параметров электромагнитного поля в потоке газа, жидкостей (авт.св. СССР N 1719973, кл. G 01 N 22/00, 1992).

Целью изобретения является создание универсального способа и ряда устройств для измерения на его основе характеристик потоков поляризуемых газов, жидкостей, их двухфазных или многокомпонентных смесей. Способ и устройство по изобретению обладают повышенной точностью, простотой и надежностью, при этом устройство устанавливается непосредственно в транспортные магистрали или любые другие коммуникации, где движется измеряемая среда, и не загромождает их живое сечение.

Цель достигается тем, что динамический контроль и управление процессами энергообмена и энергопреобразования в движущихся сплошных поляризуемых средах, основанные на непрерывном измерении температуры, давления, плотности и расхода в потоках газов, жидкостей, их двухфазных и многокомпонентных смесях с неизвестным фазовым составом и гомогенно или негомогенно распределенными компонентами с относительно низкой (индекс 1) и относительно высокой (индекс 2) плотностями, осуществляют путем создания вдоль по потоку измеряемой среды зон с концентрированными в них сверхвысокочастотными (СВЧ) электромагнитными полями, с параллельными или поперечными к направлению движения среды векторами электрического поля, возбуждают в этих зонах СВЧ-колебания электромагнитного поля и измеряют резонансные частоты f_р этих колебаний в потоке измеряемой поляризуемой среды, по измеренным значениям частот определяют величины продольной и поперечной диэлектрических проницаемостей потока движущейся среды согласно соотношениям = K+(₂-₁) ; (4) = K , (5) где ₁ и ₂ табличные значения диэлектрических проницаемостей компонентов измеряемой среды с низкой и высокой плотностями, соответствующими измеренным в потоке температуре и давлению, Ки К- передаточные функции электромагнитных полей, определяемые в процессе заполнения измеряемой средой зон с концентрированными СВЧ-полями; f/f_p- резонансные частоты сверхчастотных колебаний в измеряемой среде; f, f, f₁ и f₂ резонансные частоты СВЧ-колебаний продольного и поперечного электрических полей, возникающие в случае заполнения зон с концентрированным электромагнитным полем компонентом измеряемой среды, обладающим низкой плотностью, и компонентом измеряемой среды, обладающим высокой плотностью, определяют по величинам и объемное содержание -компоненты с низкой плотностью и объемное содержание (1- )-компоненты с высокой плотностью, используя соотношения , (6) где ; ^* , а коэффициент А определяют из равенства A , используя значение , определяют эффективные диэлектрическую проницаемость, плотность и энтальпию (индекс эф) в потоке измеряемой среды по соотношениям _эф B+, (7) где B (2-3)₂+(3-1)₁} _{эф 1} + ( 1 ) ₂ (8) i_эф= i+(1-) i₂, (9) измеряют авто- или взаимокорреляционные функции резонансных частот, возникающих в последовательно расположенных зонах со сверхчастотными магнитными полями при перемещении в этих зонах потока измеряемой среды, определяют по этим функциям массовый расход измеряемой среды, обеспечивающий определение тепла, аккумулированного в потоке, степень равновесности фаз в нем и осуществляют на основании полученных данных обоснованные контроль за процессами энергообмена и энергопреобразования и управление ими. Помимо этого, в резонаторах создают последовательно расположенные зоны с поперечными и продольными относительно направления движения среды электрическими полями, измеряют в этих зонах значения и и автокорреляционную функцию и по ее параметрам определяют расход измеряемой среды. Аналогично этому в потоке создают последовательно расположенные зоны с произвольно направленными электрическими полями, измеряют в этих зонах автокорреляционную функцию между резонансными частотами и по ее параметрам определяют расход измеряемой среды.

Этот способ позволяет также определить степень равновесия в движущейся многофазной среде между температурой, давлением и эффективной плотностью путем сравнения измеренных значений диэлектрической проницаемости _эф, плотности _эф и энтальпии i_эф с их значениями на линии насыщения в измеряемой среде при тех же температуре и давлении. Разность значений этих параметров определяет степень неравновесности фаз в среде.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что на обтекаемых границах зон, где возбуждают продольные или поперечные к направлению потока СВЧ электромагнитные поля, частицам измеряемой среды придают траектории движения, обеспечивающие на обтекаемых границах самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих приповерхностную массу измеряемой среды в ядро ее течения в резонаторе, чем предотвращают осаждение на граничных поверхностях различных примесей из потока и снижают на этих поверхностях толщину пленок компонентов измеряемой среды. Кроме этого, возможность определения эффективной плотности в потоках при энергообмене и энергопреобразовании обеспечивает контроль параметров среды и управления ее движением в координатах плотность-давление или плотность-температура.

Обоснованием правомерности предлагаемого способа являются следующие соображения. Рассмотрим вначале смесь двух компонентов, находящуюся в статическом состоянии (состояние покоя). Пусть эта смесь состоит из пара и жидкости, обладающих диэлектрическими проницаемостями при заданных температуре и давлении ₁ и ₂ соответственно. При этом всегда ₂ > > ₁ при любых паросодержащих в интервале 0 1. Предположим вначале, что смесь полностью расслоена, т. е. имеется четкая граница, отделяющая объем пара V₁ от объема жидкости V₂. В этом случае электрические емкости этих объемов образуют либо последовательное, либо параллельное соединение в объеме конденсатора в зависимости от того, как в электрическом поле ориентирована граница между объемами V₁ и V₂. В случае границы между объемами V₁ и V₂, ориентированной параллельно направлению электрического поля, обозначим диэлектрическую проницаемость такой полностью расслоенной среды через (фиг.1). Тогда из соотношений работы = ₁+(1-)₂. (10) В случае границы между объемами V₁ и V₂, ориентированной перпендикулярно направлению электрического поля в конденсаторе, обозначим диэлектрическую проницаемость в такой полностью расслоенной среде через (фиг.2). Тогда из соотношений работы _см .(11) Если граница между объемами имеет нечеткую форму и объемы паровой и жидкой фаз распределены произвольно, диэлектрическая проницаемость такой смеси _см ограничена известным неравенством Винера: _{см см}.(12) На фиг.3 для случая ₂ 81 и ₁ 1,0006 представлены вычисленные значения (крестики) и _см (точки) в зависимости от паросодержания 0.1. Эти значения совпадают при 0 и 1, а в промежутке различаются между собой, охватывая область возможных значений _см в соответствии с неравенством Винера.

В интервале значений от нуля до единицы (0 1) измеренная величина _см зависит не только от паросодержания, но и от пространственного распределения жидкой и паровой фаз.

Для статически однородного распределения паровой или жидкой фазы в резонаторе, т.е. при распределении, когда для любых наперед выбранных элементарных объемов, малых по сравнению с объемом резонатора, значение ^*_см выражается одной и той же величиной в пределах статического допуска.

Из известных соотношений работы для статически однородной смеси ее диэлектрическая проницаемость однозначна вычисляется из соотношения Максвелла-Одолевского: ^* B+ , (13) где B (2-3)₂+(3-1)₁} Эти значения ^* однозначно располагаются между значениями диэлектрической проницаемости полностью расслоенных смесей и _см В реальных условиях на поток, как правило, накладываются дополнительные возмущения, которые нарушают расслоенную структуру течения и могут вызывать нестационарные условия в зоне измерений, при которых и не равны нулю. Это обстоятельство приводит к требованию, чтобы за время пребывания потока в резонаторе его стационарность сохранилась, т.е. источники нагрева должны быть удалены от зоны измерения настолько, чтобы температура и давление в фазах ₁ и ₂ выравнивались и поток можно было считать равновесным. В этом случае в диаграмме состояний пар жидкость можно однозначно определять величины ₁ и ₂, пользуясь кривой насыщения. С другйо стороны, измерение температуры Т и давления Р в протекающей среде позволяет при одновременном измерении ее диэлектрической проницаемости устанавливать степень равновесности среды. Это отличает измерение в потоке от измерений в статистике и приводит к значениям диэлектрической проницаемости в емкостном измерителе с параллельным () электрическим полем - а с помощью емкостного измерителя с перпендикулярным () электрическим полем . Эти величины отличаются от и , определяемых соотношениями (10) и (11) полностью расслоенных жидкости и пара, зависящих от в статике.

Рассмотрим потоки, для которых стационарность в указанном смысле сохраняется за время t где l длина измерительного участка, составляющая, как правило, величину 0,1 м; V скорость потока в резонаторе, составляющая, как правило, величину V 1 м/с. Другими словами поток должен сохранять стационарность за времена t 0,1 с.

Примем к рассмотрению трехслойную модель течения в резонаторе: слой чистого пара с объемной долей ; слой чистой жидкости с объемной долей ; слой статистически однородной парожидкостной смеси с объемной долей , где и объемные доли однородно перемешанных жидкостей и паровой фаз; V полный объем смеси в резонаторе V V₁ + V₂. Такая модель представляется практически универсальной, ибо в объеме парожидкостной смеси всегда есть участки чистой жидкости и чистого пара, разделенные границей их смеси.

Введем определение паросодержания перемешанной части потока = , (14) которое аналогично паросодержанию смеси, определенному соотношением (1), но относится к зоне течения, где пар и жидкость перемешаны. Пользуясь этим определением, а также соотношениями (11), (12) и (13), причем в выражении (13) заменено на ', с учетом изложенного можно записать = ₁+(1-)₂+ (^*₁-₁)+ (^*₁-₂); ¹ + + + . (15) Из выражения (14) получим , (16) тогда )' ((17) Приводимая система двух уравнений содержит три неизвестных и '. Величины ₂, ₁определяются по диаграмме состояния для измеренных температуры Т и давления Р среды, а величины и измеряют с помощью указанных емкостных датчиков. Решение системы (17) возможно только в том случае, если число неизвестных уменьшается до двух и становится равным числу уравнений. Такая процедура может быть выполнена, если произвести анализ этой системы. Зададимся для примера измерением жидкости, содержащей пар в качестве второй фазы. Пусть ₁ 1,0006; ₂ 81. Зададимся всевозможными значениями и в интервалах 0 1 и 0 1, 0. На фиг.3 для случая 0,5 крестиками представлены результаты вычисления а точками _, в зависимости от ' и . В верхней части фиг.4 крестики соединяют значения с равными , а точки в нижней части значения при равных величинах . Из фиг.4 следует, что все линии начинаются при значении ' 1, т.е. V₂ 0 по определению (см. соотношение 17), когда течение полностью расслоено, а величины = и = максимально отличаются друг от друга. Из всего многообразия вариантов смеси рассмотрим случай, при котором . Линии на фиг.4, характеризующие такой режим, с уменьшением величины ' сближаются и смыкаются в точке, где - = ^*,а ' 0,5. Легко видеть, что замыкающие линии охватывают и ограничивают некоторую зону, заштрихованную на фиг.4. Внутри этой зоны ни при каких комбинациях фаз в стационарном, в указанном смысле, потоке не могут находиться значения и . Остальные линии проходят вне замыкающих кривых и сближаются с уменьшением '. Незамыкающиеся линии и оканчиваются, как только величина при заданной величине становится равной Эти окончания незамыкающихся линий ограничивают вторую запрещенную зону, также заштрихованную на фиг.4. Из рассмотрения фиг.4 и дальнейшего анализа системы (17) следует, что в стационарных потоках всегда выполняется соотношение Винера: > ^* , а равенство этих величин = ^* достигается только тогда, когда ' Благодаря наличию первой и второй запрещенных зон, выполнению неравенства Винера для стационарных потоков, а также тому, что линии и пространственно разнесены и представлены непересекающимися кривыми, появляется возможность спроектировать значения и на замыкающиеся линии, где т.е. не потерять информацию об истинном паросодержании . При этом ' принимает значения ' , 1. Так как на замыкающихся линиях справедливо соотношение ,то при этом отображенные на замыкающиеся линии значения ' превращаются в модельно определенные значения , равные , изменяющиеся в интервале 1. Такое модельное приближение при любой комбинации жидкой и паровой фаз в стационарном потоке позволяет точно определить искомую величину истинного паросодержания . В этом легко убедиться, подставив в систему уравнений (17) значения и ' . Подобная подстановка позволяет однозначно определить искомые и , преобразовав эту систему уравнений в следующий алгоритм: ^* A (18) и далее, пользуясь соотношениями (18) или данными работы, получаем _{см 1} + ( 1 ) ₂; i_см= i₁+(1-) i₂, где _{1 2 1 2}, i₁, i₂ известны из диаграммы состояния смеси для измеренных температуры Т и давления Р в потоке.

Изложенные соображения создают необходимые и достаточные условия определения с помощью предлагаемого способа основных характерик теплоносителей непосредственно в магистралях энергетических или технологических установок. В подтверждение этого укажем, что в период 1982-1989 г. в ИАЭ им. И.В.Курчатова (г.Москва) произведены многочисленные исследования временных вариаций величин _см при различных режимах двухфазного потока гелия, охлаждавшего сверхпроводящие обмотки блоков магнита установки Т-15. Режимы течения отличались уровнем теплопритоков из обмотки в систему охлаждения и зависели от уровня электрического тока в ней. В зоне измерения характеристик гелия наблюдались вариации плотности, типичные для теплоэнергетических объектов. Период этих вариаций, отмеченный по измерениям значений _см, изменялся в диапазоне 0,1< t< 300 с. Характерные времена вариаций диэлектрической проницаемости не превышали величины 0,1% 20% Доля изменения _см, приходящаяся на отрезок времени, равный t составляет 110^-5% т.е. ничтожно мала по сравнению с .

Таким образом, в емкостном измерителе реальный нестационарный поток теплоносителя воспринимается стационарным и к нему применимы все соотношения, определяющие предлагаемый способ. При этом нестационарность потока воспринимается как временная вариация результатов измерений. Легко убедиться, что в общем случае нестационарного потока, когда в нем существуют перемешанные и не перемешанные области течения, емкостный измеритель всегда воспринимает поток стационарным. Действительно пусть в момент времени t поток состоит из стационарных слоев, а вслед за этим в нем появляются зоны, в которых _см больше или меньше предыдущего значения. Эти зоны перемещаются вмете с потоком и воспринимаются как скачок диэлектрической проницаемости на фоне ее стационарного значения для остальных слоев. Дальнейшие рассуждения не отличаются от рассмотренного ранее экспериментального случая. Исключения могут составлять отдельные отрезки времени t, когда через емкостный измеритель проходит фронт очень резкой неоднородности плотности в потоке, например большой паровой пузырь. В этом случае одно измерение длительностью 10^-1 с отчетливо фиксирует прохождение пузыря.

Потоки с продольной и поперечной нестационарностью, когда при 0 имеем 0 и 0 исключение погрешности измерений обеспечивается двумя обстоятельствами: величина вариации _см за период времени t бесконечно мала; как только оканчивается период t, эта бесконечно малая величина вариации вливается в стационарный фон и следующий цикл вариации не складывается с предыдущим, а протекает на фоне стационарного потока в виде бесконечно малого возмущения. Закономерность, о которой идет речь, заключается в обнаруженном замечательном свойстве емкостных измерений с параллельным и перпендикулярным к направлению потока СВЧ-полями: всегда воспринимать поток однородно перемешанным в продольном направлении, т.е. стационарным.

Кроме того, цель достигается тем, что устройство для осуществления способа содержит расположенные в потоке измеряемой среды датчики темпера