[發(fā)明專利]氣液兩相流起旋分相式電容含水率測(cè)量裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710465822.0
• 申請(qǐng)日: 2017-06-19
• 公開（公告）號(hào): CN107422000A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張濤;徐英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/22
• 分類號(hào): G01N27/22
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 程毓英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣液兩相流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于含水率測(cè)量的測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

氣液兩相流廣泛存在于自然界及工業(yè)過程中，如石油、化工、冶金、核能、航空航天等領(lǐng)域。近幾十年來，人們對(duì)氣液兩相流中的含液率計(jì)量提出了越來越高的要求。然而已有的研究成果表明，由于氣液兩相流的流動(dòng)復(fù)雜性導(dǎo)致流型的多樣性，要實(shí)現(xiàn)氣、液兩相流量的準(zhǔn)確測(cè)量，特別是液相為水時(shí)的含水率的測(cè)量還具有很大的難度。目前常用的含水率的手段為基于分離器的技術(shù)、示蹤技術(shù)、射線技術(shù)和電容技術(shù)。基于分離器的測(cè)量技術(shù)存在體積龐大笨重、造價(jià)高、管理及運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)；示蹤技術(shù)需要在管道在線開孔取樣，利用上下游示蹤劑濃度的變化反應(yīng)液相含率，往往在安全性和取樣代表性方面存在問題。伽馬射線是相對(duì)較成熟的含液率測(cè)量方法，但由于其具有放射性，安全管理成為其推廣使用的一大障礙。電容層析成像被廣泛用于可視化流動(dòng)形態(tài)相分布測(cè)量，但目前理論上軟場(chǎng)問題尚仍未解決，系統(tǒng)在空間分辨率改善方面存在著較大困難。此外，國內(nèi)外科研工作者已經(jīng)在多相流相含率的測(cè)量展開了大量的工作，在優(yōu)化電容器結(jié)構(gòu)及其激勵(lì)模式方面均積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，然而在面對(duì)相含率測(cè)量時(shí)，學(xué)者們都意識(shí)到流動(dòng)形態(tài)的重要性，但受到諸多因素的影響，兩相流動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，電容傳感器的響應(yīng)仍舊強(qiáng)烈的依賴于相介質(zhì)空間分布，給相含率的測(cè)量帶來了很大難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種測(cè)量準(zhǔn)確度高的含水率測(cè)量裝置，利用電容變化的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)含水率的測(cè)量，且不受氣液兩相流動(dòng)型態(tài)的影響。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種氣液兩相流起旋分相式電容含水率測(cè)量裝置，包括兩個(gè)組成部分：其一是位于上部的起旋分相單元，包括外管壁和固定在其中部的螺旋葉片，螺旋葉片和外管壁之間的空間稱之為第一兩相介質(zhì)流動(dòng)空間；其二為位于下部的電容測(cè)量單元，包括作為外電極的金屬管壁和固定在其中部的內(nèi)電極，在內(nèi)電極外覆蓋有絕緣層，金屬管壁與絕緣層之間的空間稱之為第二兩相介質(zhì)流動(dòng)空間，兩個(gè)兩相介質(zhì)流動(dòng)空間相互連通；在外管壁上設(shè)有與流體切向入口管路相連的開口，流體切向入口管路的切向角度與螺旋葉片的螺旋升角相同，使得流體沿切向角度進(jìn)入起旋分相單元。

優(yōu)選地，螺旋升角10°～30°。螺旋葉片的螺旋圈數(shù)設(shè)計(jì)為0.5～10圈。螺旋葉片的內(nèi)緣半徑、外緣半徑比例為1:2～1:5。設(shè)流體切向入口管路內(nèi)徑為D，外管壁內(nèi)徑設(shè)計(jì)為1D～6D。電容測(cè)量單元的內(nèi)電極和外電極的直徑比為1:2～1:10之間。電容測(cè)量單元的長(zhǎng)度為2D～8D。起旋分相單元和電容測(cè)量單元的長(zhǎng)度比例為1:1～1:5。流體切向入口管路的長(zhǎng)度大于3D。

與現(xiàn)有電容含水率測(cè)量技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)氣液兩相流經(jīng)過水平管段后，切向進(jìn)入起旋分相單元，利用葉片的連續(xù)導(dǎo)向作用，改變氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài)，由于氣液兩相的密度差別很大，在離心力的作用下，液相受到的離心力遠(yuǎn)大于氣相，故液相更易穿過氣相到達(dá)管壁，實(shí)現(xiàn)氣液分相分布流動(dòng)，即液相沿管壁流動(dòng)，氣相集中在中心區(qū)域，使得上游來流隨機(jī)的氣液兩相流在起旋器內(nèi)被強(qiáng)制改變成氣液分相分布的規(guī)則旋轉(zhuǎn)流。本單元實(shí)現(xiàn)了即便來流的氣液兩相流流型不同，也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的流型調(diào)整，為后續(xù)電容測(cè)量不受流型影響奠定了基礎(chǔ)。

(2)氣液兩相進(jìn)入到電容測(cè)量單元時(shí)，旋轉(zhuǎn)的液相以液膜的形式附著于管壁，與金屬管壁共同構(gòu)成外電極，氣、水兩相比例的變化直接影響管壁上等效液膜厚度的變化，含水率增加則液膜變厚，反之液膜變薄，從而影響內(nèi)、外電極的間距，導(dǎo)致電容器的電容值變化。本單元保證了電容與含水率唯一相關(guān)性

本發(fā)明給出的氣液兩相流起旋分相式電容含水率測(cè)量裝置具有以下的有益效果：

其一，無需分離，不依賴放射性技術(shù)和示蹤技術(shù)、層析成像對(duì)氣液含水率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠；

其二，利用電容傳感器直接測(cè)量含水率，電容測(cè)量精度高，含水率測(cè)量的準(zhǔn)確度好；

其三，也是最大效益，基于起旋分相單元的電容含水率測(cè)量傳感器不再受氣液兩相流流型的影響。

附圖說明

圖1氣液兩相流起旋分相式電容含水率測(cè)量裝置

附圖說明如下：1-流體切向入口管路，2-起旋分相單元外管壁，3-起旋螺旋葉片，4-螺旋葉片支撐體， 5-電容傳感器內(nèi)電極，6-絕緣層，7-電容傳感器外電極，8-電容檢測(cè)單元，9-連接法蘭

圖2電容測(cè)量值Cm與體積含水率β_l的實(shí)驗(yàn)測(cè)試關(guān)系