Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

Если концентрация одной из фаз мала, то получим дисперс­ ную или пузырьковую структуру, при которой капли жидкости (или пузырьки пара) равномерно распределены в паре (или жид­ кости). С увеличением доли жидкости начинается расслоение фаз

ипоявление раздельного течения. При вертикальной трубе жид­ кость все в большей степени располагается в виде кольцевого слоя вдоль стенок, а в средней части еще сохраняется дисперсионно­ капельная структура. Такую переходную структуру называют дисперсно-кольцевой. При дальнейшем увеличении доли жидко­ сти в смеси наступает полностью расслоенное течение, которое в вертикальной трубе имеет кольцевую структуру, центральная часть заполнена одним паром или газом. В горизонтальной трубе при расслоенном течении нет кольцевого слоя жидкости. Послед­ няя под действием сил тяжести все в большей мере опускается вниз и движется по нижней части трубы, а в верхней ее части перемещаются пар или газ вместе с еще не осевшими каплями жидкости. С увеличением скорости поток и одновременным воз­ растанием доли жидкости на поверхности раздела фаз начинают возникать волновые гребни. Они растут с увеличением скорости

иначинают рассекать на отдельные части поток пара или газа, движущийся в центре вертикальной трубы или в верхней части горизонтальной трубы. Так возникает пробковая или снарядная структура потока. Здесь пар или газ перемещается в виде отдель­ ных пробок или пузырей, перекрывающих полностью или час­ тично сечение трубы. Их частота (от доли 1 Гц до 4 -5 Гц) зависит от скорости потока 1>с, или, точнее, от числа Фруда Fr - v^/gD (где g — ускорение силы тяжести; D — диаметр трубы), и от расходного газосодержания Р0. При дальнейшем росте доли жид­ кости газовые пробки уменьшаются в размере, переходя частич­ но в мелкие газовые пузыри. Возникает пузырьково-снарядная структура, которая затем переходит в пузырьковую. В вертикаль­ ной трубе пузырьки распределены равномерно по сечению, а в го­ ризонтальной они движутся в верхней части.

При увеличении доли газа в смеси имеем обратную картину перехода от жидкостного однофазного потока к пузырьковой, пузырьково-снарядной и пробковой или снарядной структуре. При дальнейшем увеличении газосодержания в потоке, сопровождаю­ щемся обычно увеличением средней скорости газа, происходит переход от пробковой структуры к расслоенному течению, внача­ ле с волнами на границе раздела фаз. Амплитуда этих волн умень­ шается по мере увеличения доли газа тем раньше, чем меньше средняя скорость потока, и поверхность раздела фаз становится гладкой. Затем наступает дисперсная структура и при полном

отсутствии жидкости образуется однофазный поток.

В промышленных трубопроводах наиболее распространена проб­ ковая структура потока. Подробнее о структуре двухфазных по­ токов см. в работах [013, 18, 25] и в кн. 1.

231

12.2. ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ИЛИ СКОРОСТИ ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ

Одновременное измерение объемного расхода или средней ско­ рости потока совместно с измерением его плотности с успехом применяют для определения массового расхода однофазных сред, а также для многокомпонентных смесей, если все компоненты находятся в одной фазе.

Для двухфазных веществ положение осложняется различием в скоростях отдельных фаз. Тем не менее данный метод измере­ ния расхода находит применение при гидро- и пневмотранспорте. В этих случаях обычная цель измерения — определение массово­ го расхода твердого компонента QT м, транспортируемого водой или воздухом. Если допустить равенство скоростей тяжелого и легкого компонентов смеси, то для определения QT мчерез объем­ ный расход QQ с смеси имеем зависимость

® т. м ^мРс^о. с*

Подставляя в нее значения Лм = рт (рс - Рл)/Рс (рт - рл), получим

и легкой фаз, путем измерения Q0 с и плотности смеси рс можно найти расход QT м твердого компонента. Данное уравнение спра­ ведливо при сильном измельчении твердого компонента, когда его скорость L>T очень близка к скорости легкой фазы ил. Для угольного порошка, транспортируемого воздухом [45], при раз­ мере частиц 5, 10, 20, 40, 60 и 80 мкм отношение v /\)л (% ) будет соответственно равно 99,7, 99,6, 99,4, 99,2, 98,6 и 97,8. Следова­ тельно, если размер частиц не превышает 50 мкм, то скорость vT отличается от ил не более, чем на 1 % . С увеличением диаметра трубы и скорости потока vT становится еще ближе к 1>л. Но при значительных размерах твердых частиц возникает заметное раз­ личие скоростей vT и 1>л, причем с увеличением концентрации твердой фазы эта разница сперва возрастает, а затем падает [43].

В случае существенной разницы скоростей 1>т и vn расход QT м надо определять по формуле

® Т . М “ ^ (Р с Р л ) ® 0 . С V T / V C*

Можно вместо объемного расхода смеси Q0 измерять среднюю скорость твердой фазы ит, например с помощью корреляционного метода. Тогда не надо знать соотношения скоростей vT/vcy и иско­ мый расход QT м определяется по формуле

« т . с = * < Р с - Р л Я Ч .

где F — площадь поперечного сечения трубопровода.

232

Для определения QT с по любой из последних формул нужно знать плотности рт и рл. Плотность легкой фазы рл — воды или воздуха — обычно известна с достаточной точностью. Необходи­ мая же точность определения рт зависит от отношения рт/рл- Чем это отношение меньше, тем точнее надо измерять рт. Так, чтобы дополнительная погрешность измерения QT м не была выше 1 % при рт/рл, равном 1,5, 2 и 3, надо измерять р_ с погрешностью, не превышающей 0,5, 1 и 2 % соответственно. Для угольных пульп, имеющих рт/рл = 1,3, следует измерять рт с погрешностью не более 0,3 % с тем, чтобы погрешность QT м не возросла более, чем на 1 % .

Другой возможный источник погрешности — присутствие газа

впульпе. Такую смесь надо рассматривать как трехфазную и при­ менять к ней особые методы измерения.

Измерять Q0 с нужно на вертикальной трубе во избежание кон­ центрации твердой фазы в нижней части трубы и возможного нарушения осевой симметрии потока, а также равномерности элек­ трической проводимости по его сечению. Опасность этих явлений возрастает с увеличением размеров частиц твердой фазы.

Испытания, проведенные во ВНИИгидроуголь, на вертикаль­ ной трубе диаметром 50 мм показали, что при измерении расхода угольной, глинистой, гравийной и песчаной пульп погрешность электромагнитного расходомера оказалась в пределах класса при­ бора (±1,5 %). При горизонтальном расположении преобразовате­ ля расхода погрешность оказалась значительно большей и возра­ стающей с увеличением концентрации твердой фазы и уменьше­ нием скорости пульпы. Кроме того, погрешность зависела от рас­ положения электродов.

Учитывая высокую абразивность многих пульп, в ДонУГИ были разработаны [21, 22] конструкции преобразователей расхода со сменной внутренней гильзой из абразивостойкого непроводящего материала, а при больших давлениях в трубе магнитную систему

вэлектроизоляционном компаунде размещали внутри корпуса преобразователя. В необходимых случаях обеспечивалась и взрывобезопасность конструкции. В конструкциях разработанных во ВНИИгидроуголь, преобразователь имеет внутреннее полиурета­ новое каучуковое покрытие.

Для измерения плотности рс угольных и рудных пульп чаще других применяют весовые плотномеры, основанные на неболь­ шом провисании горизонтального участка трубы, имеющего уп­ ругие подвески и соединенного гибкими манжетами с трубопро­ водом. Известны конструкции весовых плотномеров СКВ САУ, ДонУГИ [22] и Гипроуглеавтоматизации. Перемещение подвиж­ ного участка трубы преобразуется в электрический сигнал, по­ ступающий вместе с сигналом от электромагнитного преобразо­ вателя расхода в счетно-решающую схему. Обычно преобразова­ тель плотности работает по компенсационной схеме, при которой подвижной участок трубы возвращается в исходное положение

233

с помощью реверсивного двигателя, изменяющего натяжение урав­ новешивающей пружины или же ток в обмотке электромагнита силовой компенсации. ВНИИгидроуголь для измерения плотнос­ ти применял радиоизотопный плотномер ПР-1024П, снабженный преобразователем положения движка реохорда в сигнал постоян­ ного тока.

Для измерения расхода смеси воздуха с твердой фазой, в част­ ности пылеугольного топлива, был исследован [45] ультразвуко­ вой метод. При этом частота ультразвуковых колебаний выбира­ лась небольшой, с тем чтобы получить длину волны на порядок больше самых крупных частиц твердой фазы. Этим избегают ослаб­ ления акустической волны при ее рассеивании твердыми частица­ ми. В работе [45] акустические колебания имели частоту 40 кГц и длину волны 10 мм. На рис. 132 показана схема установки для измерения расхода QT м твердой фракции с применением ультра­ звукового преобразователя расхода. Последний состоит из гене­ ратора 3, двух излучающих 4 и двух приемных 14 пьезоэлемен­ тов, соединенных с фазометрическим устройством 12 и измерите­ лем 11 объемного расхода или средней скорости потока. Для из­ мерения плотности имеются: источник I и детектор (3-излучения 2, Р-счетчик 5, температурный компенсатор б, связанный с тер­ мопреобразователем 13ублок линеаризации 7 и измеритель плот­ ности или концентрации 8. Перемножение сигналов объемного расхода и плотности дает сигнал, пропорциональный расходу QT м твердой фазы, поступающий на его преобразователь 9 и измери­ тель 10. Применение радиоизотопного измерителя плотности не­ обязательно. Логичнее при ультразвуковом методе измерения рас­ хода иметь и ультразвуковой корректор на плотность среды, тем более, что схемы ультразвуковых массовых расходомеров раз­ работаны (см. гл. 16). При установке в трубу элементов пре­ образователей расхода и плотности следует иметь в виду, что пос­ ле введения твердых частиц в воздушный поток нужен учас­ ток разгона для достижения ими установившейся скорости. Длина этого участка возрастает с увеличением размера частиц. Для частиц не более 200 мкм длина участка не превышает 5 м.

234

Рис. 133. Схема использования расходомеров для контроля влажного пара, где G1 - G2 = G3 + М

потому что нет необходимости в устройстве, создающем искусст­ венную неоднородность или метки (например, тепловые) в пото­ ке. В двухфазном потоке неизбежные флуктуации концентрации отдельных фаз имеют случайный характер и могут служить для определения корреляционной функции. Корреляционный метод измерения с успехом применяли для измерения скорости движе­ ния твердой фазы как при пневмотранспорте порошкообразных (мука, цемент), так и гранулометрических сыпучих веществ, на­ пример пшеницы [33, гл. 9: 17], а также для измерения расхода водопесчаной пульпы [гл. 9: 4]. Имеется даже работа [гл. 9: 24] по применению корреляционного метода для измерения расхода воздуховодяной смеси в трубе диаметром 50,8 мм. Объемную кон­ центрацию ср0 воздуха в смеси меняли от 0,6 до 43,6 % . При не­ больших газосодержаниях (при ф0 < 10 %), когда воздух хорошо диспергирован в воде, точность измерения объемного расхода смеси была весьма хорошей. С помощью корреляционного метода вмес­ те с измерением скорости твердой фазы vTили объемного расхода смеси Q0 с надо измерять ее плотность. Для этой цели в упомяну­ тых работах применяли ультразвуковые, емкостные, иониза­ ционные и другие виды преобразователей плотности.

Иногда двухфазную среду, например влажный пар, разделяют на разные фазы в сепараторе [29]. Определение границы перехода насыщенного пара во влажный затруднено рядом факторов, опи­ санных в работе [23] и др.

На рис. 133 показан сепаратор 4, откуда сухая часть пара ис­ пользуется, пройдя через расходомер 3 с СУ или другой, по на­ значению, а конденсат из сепаратора отводят через водосчетчик 5 либо поставщику либо для отопления или горячего водоснабже­ ния. Это экономичнее позволяет использовать влажный пар.

С точки зрения учета тепловой мощности и расхода влажного пара практически в большинстве случаев необходимо наряду с другими параметрами измерять и влажность пара. Одним из вариантов такого измерения может быть периодическое опреде­ ление влажности пара по количеству измеренной «сухой» части пара одним расходомером-счетчиком 3 и слитого из сепаратора конденсата водосчетчиком 5. Тогда влажность пара определяют по формуле

G3 + M ’ где G — масса пара; М — масса воды.

235