СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ В УСЛОВИЯХ БЫСТРО МЕНЯЮЩЕГОСЯ ДАВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING FLOW RATE OF TWO-PHASE MEDIUM IN FAST-CHANGING PRESSURE CONDITIONS

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 (ρ) 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.
i
i
i
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 ρ=f(P, T) - 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
СМ
S
где (pW)* - массовая скорость смеси в режиме критического истечения через нагрузочное сопротивление, ρ* - плотность среды в режиме критического истечения при температуре Т, P - 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
1
2
где h, h, 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.
CM
CM
Данному значению энтальпии смеси h соответствует вполне определенное давление насыщения перед сопротивлением нагрузки. При увеличении коэффициента инжекции U величина h 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.
CM
9
При уменьшении коэффициента инжекции U величина h увеличивается и давление насыщения возрастает. Когда это давление становится равным давлению Р, 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.