气液两相流(4)

2018-11-29 16:27

两相流动中,流量的测量是一项十分困难的工作。对流量测量而言,目前常采用的方法是直接测量与两相流流量有关的一些参数,然后根据测量得到的参数确定各相流量。此时,流量测量的目的就是要确定气相和液相的质量流量 和 或者是容积流量 和 。它们可以用M、x或V、β来表示,有如下关系:

式中,M为两相混合物总质量流量,x为质量含气率或干度,V为两相混合物总容积流量,β为容积含气率。所以,如果知道了 、 , 、 ,M、x,V、β四组参数中的任何一组,就可以通过计算求出其他组的参数。综上所述,测量两相流的流量必须测出两个参数。若其中一个参数用常规的单相流方法测量,另一个则需用两相流体的测量方法测出,这种情况称为两相流体的单参数测量。若两个参数均不能用常规的方法测出,则成为两相流的双参数测量。

目前两相流流量测量常用的流量计分为容积式和速度式两大类。速度式流量计有皮托管、涡轮流量计、靶式流量计和孔板流量计等。容积式流量计则有椭圆齿轮和刮板式流量计等。

4.1 速度式流量计

4.1.1 皮托管

皮托管是常用的速度式流量计中的一种,它利用测量流体中某一点的全压和静压之间来确定该点的流速。根据伯努利方程,动压 与流速w间的关系为

式中, 表示介质密度;k是由实验确定的系数。

用单支皮托管测速时,由于两相流体在管道截面上速度分布很复杂,影响因素又多,因此皮托管安装位置对测量结果有很大的影响。在实际测量中,为了克服上述缺点,往往是采用多支皮托管组合的方式。

加拿大的Baneriee用多点皮托管和密度计组合来测量汽水混合物的质量流速m获得了较好的效果,实验中他使用了5支皮托管,将它们安装在同一截面上,如图9所示。

图9 用皮托管测量质量流量示意图

1- 孔板流量计(测量水);2-涡轮流量计(测量过热蒸汽);3-皮托管;4-加热器 采用皮托管测量两相流流量结构简单,工作可靠。但由于两相流体在管道截面上分布复杂,使皮托管的测量精度受到影响。

4.1.2 涡轮流量计

涡轮流量计的工作原理是涡轮的转速与流体的流速(流量)呈线性关系。在单向流体流量测量中,涡轮流量计已得到广泛应用。

Rouhani用涡轮流量计测量两相流流量的公式为

(4.1)

式中, 是涡轮角速度;k是由标定确定的系数; 是汽水混合物的比容,可按下式计算:

(4.2)

在管内装一个小涡轮,小涡轮的每个叶片上有一小磁铁。传感器装在管外,当磁铁经过时就发出一个信号,由此可求出涡轮的转速。当x已知,空泡率 通过测量或计算求得,在工质参数一定的情况下,就可以根据式(4.1)和式(4.2)求出两相混合物的总质量流量。

4.1.3 靶式流量计

靶式流量计的工作原理是在管道中心放置一圆形靶,靶与管道之间形成环形通道。流体经过靶时,对靶产生作用力,其力和流速之间呈一定的比例关系。通过应变片检测力的大小,即可确定流量。图10是两相流测量中常用的多孔圆形靶和圆形筛网状靶。

图10 靶式流量计中靶的形状

计算靶式流量计流量的公式为

当管道面积A、靶面积 及比例系数k一定时,用γ射线衰减器测出两相流的密度 ,由应变片测出靶上所受的力F,便可由上式确定两相流的流量。

对于单相流,不同形状的靶的比例系数k的试验值见表2,表中 ,即管道中装靶后的流通面积。

表2 靶式流量计的比例系数

通常都采用将涡轮流量计和靶式流量计组合在一起的组合式测量装置,如图11所示。图中有两块均流板,其作用是使通过靶式流量计后的流动能变成均匀流,这样涡轮流量计就能测得准确。环形间隙阻抗空泡仪可以用来测量空泡率。

图11 组合式流量计

4.1.4 孔板流量计

利用节流件来测量两相流的流量必须寻求通过节流件的两相流压降、含气率和气液混合物总流量三者之间的关系。为了得到这种关系,不同研究者提出了各种模型,其中最主要的

是均相模型和分相模型。均相模型假定气液两相是以混合的很均匀的状况流过孔板,分相流动模型则假定气液两相流是以完全分开的形式流过孔板。

(1) 应用孔板进行单参数测量

应用差压法进行气液两相流单参数测量的方式之一是在管道中装设一个孔板,根据气液两相流体流过孔板时所产生的压降,可自相应的计算式中算得气液两相流的流量或气相质量流量。

两相流体流过孔板的过程是一个变截面流动的过程,如图12所示,其实际的流动通道类似于一个Laval喷管,由收缩流段和扩展流段两部分组成。

图12 两相流流过孔板

从截面1-1到截面C-C,流体的压力能几乎全部转变成了动能,因此两截面的动能之差则近似等于两截面之间的压差。如果采用均相模型,并假定两相流体流过孔板时干度及物性的变化可以忽略,则有

其中

(4.4)

(4.3)

根据质量守恒方程:

式中

(4.5)

(4.6)

其中,

称为收缩比; 称为孔板截面比。

将式(4.5)、(4.6)代入(4.3)得

(4.7)

关于收缩比 ,Chisholm曾提出一个计算式

(4.8)

将式(4.4)及式(4.8)代入式(4.7)得到

(4.9)

流体的可压缩性对两相流体流过孔板的特性是由较大影响的,尤其当干度及质量流速较高、孔板截面比较小时,可压缩性的影响不容忽略。因此,在式(4.9)中引入一个考虑压缩性等影响因素的修正系数K,则

(4.10)

若干度已知,则

(2)应用双孔板进行双参数测量

利用双参数测量,气液两相在无需分离的情况下即能同时测出混合物质量流量及气相质量流量含量。日本学者世古口言彦曾采用两块串联布置的圆缺孔板和两块串联布置的偏心孔板进行空气和水的混合物在管道中流动时的双参数测量试验,试验设备如图13所示。

(4.11)

图13 应用双孔板测量的试验设备

4.2 容积式流量计

容积式流量计中最常用的是齿轮流量计,它的工作原理是测量单位时间内经仪表排出的固定容积c的数目。如果单位时间内排出n个固定容积数,则流体的容积流量为 。

椭圆齿轮流量计的工作原理如图14所示。一对互相啮合的椭圆齿轮在流体差压的作用


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