способ измерения расхода двухфазной среды в условиях быстро меняющегося давления

Формула изобретения

Способ измерения расхода двухфазной среды в условиях меняющегося массового паросодержания в диапазоне 0 х 1, заключающийся в том, что среду, меняющую массовое паросодержание, предварительно подают на инжектор, отличающийся тем, что одновременно с этой средой на инжектор подают холодную среду, на струях которой конденсируется паровая фаза двухфазной среды, далее в инжекторе давление смеси повышается до давления, превышающего давление вскипания смеси, и которое автономно лимитируется сопротивлением нагрузки, а расход двухфазной среды определяется как разность расходов смеси и холодной среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения расхода двухфазных сред и может быть использовано в тех отраслях, где необходимо измерять расход двухфазной смеси (например, пар и вода).

Известные устройства (см., например Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества», Л.: «Машиностроение», 1975, с.10-15) для измерения расхода, содержащие измерительную диафрагму, дифманометр и устройство для считывания разности сигнала, реализующие вычисление расхода по формуле

для данной задачи непригодны из-за сложности (или невозможности) определения плотности потока ( ) при измерении расхода двухфазных сред.

Непригодно для решения поставленной задачи и устройство, содержащее трубопровод с измерительной диафрагмой, датчиками давления и с установленной в нем по оси перед диафрагмой измерительной трубкой, заполненной жидкостью с известной плотностью и снабженной датчиком давления (см., например, А.С. РФ № 3160 за

1996 г.). К недостаткам этого устройства следует отнести следующее. При быстром изменении давления измеряемая среда в области двухфазного состояния находится в метастабильном состоянии, что в значительной мере влияет на точность определения плотности и соответственно расхода.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для измерения расхода, содержащее трубопровод с измерительной диафрагмой, снабженный датчиками давления и установленными на нем импульсными нейтронными генераторами и детекторами для регистрации нейтронного потока (см., например, А.С. СССР № 1717963 по кл. G01F 1/78 за 1989 г.). Недостатком этого технического решения при высокой точности определения расхода является сложность аппаратной реализации, связанная с обеспечением радиационной безопасности и дороговизной измерительного комплекса.

Задачей настоящего технического решения является устранение перечисленных выше недостатков и получение достаточно точной информации.

Эта задача решается благодаря тому, что в предлагаемом способе паровую фазу двухфазной среды предварительно конденсируют в инжекторе на струях холодной среды, а давление смеси за инжектором автономно поддерживается благодаря нагрузочному сопротивлению на уровне, превышающем давление вскипания смеси.

На чертеже показана упрощенная схема для определения расхода двухфазной среды в условиях быстроменяющегося ее давления.

Основными элементами схемы являются: линия двухфазной среды 1; линия холодной среды 2 с диафрагмой 3, датчиками давления 4, термопарой 5; инжектор 6; напорная линия инжектора 7 с диафрагмой 8, датчиками давления 9 термопарой 10 и нагрузочным сопротивлением 11.

Схема работает следующим образом. Двухфазная среда по линии 1 и холодная среда по линии 2 поступают одновременно на инжектор 6. В инжекторе паровая фаза двухфазной среды конденсируется на струях холодной, а кинетическая энергия образовавшейся смеси в инжекторе преобразуется в потенциальную энергию давления, которое превышает благодаря сопротивлению нагрузки давление вскипания смеси.

В процессе работы схемы фиксируют показания датчиков давления и термопар в линиях холодной среды и смеси и по данным измерениям производят вычисления соответствующих расходов по формуле 1, где _i=f(P_i, T_i) - плотность соответствующей среды.

Расход двухфазной среды определяется, как разность расходов смеси и холодной воды

Для автономного лимитирования давления на выходе из инжектора на уровне, превышающем давление вскипания смеси при быстром изменении давления в линии 1, необходимо, чтобы режим истечения через нагрузочное сопротивление был критическим. В этом случае, давление смеси за инжектором при истечении в атмосферу определяется по формуле

где (pW)* - массовая скорость смеси в режиме критического истечения через нагрузочное сопротивление, * - плотность среды в режиме критического истечения при температуре Т_СМ, P_S - давление насыщения при температуре среды в линии 2.

Отметим условия, ограничивающие работу предлагаемого способа, вытекающие из уравнения сохранения энергии в тепловой форме для инжектора.

Преобразуя это выражение относительно расхода среды в линии 1, получим выражение

где h₁, h₂, соответственно, энтальпии в линии 1 и линии 2, a U (коэффициент инжекции) - относительный расход холодной воды в линии 2 по отношению к расходу среды в линии 1.

Данному значению энтальпии смеси h _CM соответствует вполне определенное давление насыщения перед сопротивлением нагрузки. При увеличении коэффициента инжекции U величина h_CM снижается, следовательно, и давление насыщения снижается. Когда это давление становится равным давлению насыщения при температуре воды в линии 2 имеет место предельный режим. Дальнейшее увеличение значения U может привести к срыву работы инжектора. В этом случае предлагаемый способ для измерения расхода двухфазной среды неприменим.

При уменьшении коэффициента инжекции U величина h_CM увеличивается и давление насыщения возрастает. Когда это давление становится равным давлению Р₉, найденному по уравнению 3, имеет место 2-й критический режим. Дальнейшее снижение коэффициента инжекции приводит к срыву работы инжектора. И в этом случае предлагаемый способ для измерения расхода двухфазной смеси неприменим.

Проведенные испытания способа при определении расхода потока двухфазной среды в условиях быстрого изменения ее давления показали его пригодность в диапазоне изменения массовых паросодержаний 0 х 1.