Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке

 

Изобретение относится к технике для измерения доли испаренного вещества в газожидкостных потоках. Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке, заключающийся в измерении параметров в рассматриваемом объеме газожидкостного потока, образующегося после впрыска жидкости в газовый поток, в котором с целью расширения возможностей и сокращения времени испытаний до начала впрыска жидкости определяют расход газа G™ и в рассматриваемом объеме определяют начальную концентрацию пара в газе кн, после впрыска жидкости замеряют ее начальный расход Сжн. определяют начальную концентрацию жидкости УН (рн Ожн/Сгн). В рассматриваемом объеме определяют текущую k концентрацию пара в газе и по соотношению z(k-kH)/ р () определяют долю z испаренного вещества. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5П5 G 05 0 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Z- — (— — (1+ )+ м Ъ 2 Mr (21) 4454764/26 (22) 04.07.88 (46) 23,08.93. Бюл. ЬЬ 31 (71) Уфимский авиационный институт им.

Серго Орджоникидзе (72) Ю.С.Шаталов, К.M.Èñêàêîâ, В.Ф.Шаякберов и А.В.Середа (56) Авторское свидетельство СССР

l4 1793429, кл, G 05 0 11/00, 1988. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛИ ИСПАРЕННОГО ВЕЩЕСТВА В ГАЗОЖИДКОСТНОМ ПОТОКЕ (57) Изобретение относится к технике для измерения доли испаренного вещества в газожидкостных потоках. Способ определения доли испаренного вещества в гаэожидкостном потоке, заключающийся в

Изобретение отйосится к измерительной технике для определения доли испаренного вещества в газожидкостных потоках и может найти широкое применение при исследовании процессов тепло- и массообмена, а также в процессах химической технологии.

Целью способа определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке является ускорение испытаний, Цель изобретения достигается благодаря тому, что в данном техническом решении не требуется определять статическое давление и температуру газового. потока в испытательном канале до впрыскивания жидкости. Кроме того, не требуется, измерять влажность газовой фазы в испытательном канале при пропуекании через него

„, ЯЦ„„1835537 А1 измерении параметров в рассматриваемом объеме газожидкостного потока, образующегося после впрыска жидкости в газовый по- . ток, в котором с целью расширения возможностей и сокращения времени испытаний до начала впрыска жидкости определяют расход газа Gr> и в рассматриваемом объеме определяют начальную концентрацию пара в газе kH, после впрыска жидкости замеряют ее начальный расход G®, определяют. начальную концентрацию жидкости

pi ((/и =Ожн/Gr ). В рассматриваемом объеме определяют текущую k концентрацию пара в газе и по соотношению z=(k — Кп)/ р, (1 — k) определяют долю z испаренного вещества.

1 ил. газового потока до и после впрыскивания жидкости, а также определять начальную и конечную концентрации пара в газе.

Указанная цель достигается тем, что замеряют полное P*rrc давление парогазовой смеси;.определяют динамический напор

Ь Рпгс парогазовой смеси (Ь Рпрс=Р*пгс — Рс пгс) и по фоРмУле

1 (1 Мж 2+ 2Р Рйгс ж дР

4. Мг . R G2 где R — универсальная газовая постоянная; определяют долю Z испаренного вещества в газожидкостном потоке.

1835537 бгн+Оп pnrcVnrcF. (6) где Чпгс — скорость парогазовой смеси:

F — площадь поперечного сечения канала в месте, где расположен рассматриваемый объем, но оно не позволяет определить долю испаренного вещества в гаэожидкостнам потоке.

Известно, что динамический напор

1О Л Рпгс парогазовой смеси с одной стороны равен разности между полным Р*пгс и статическим Р"пгс давлениями парогазовой смеси, с другой

Ч (1)

k Gn/(Grs+Gn.

° но зто не позволяет определить долю испаренного вещества в газожидкостном потоке.

Огн + Gn

Из (6) Чпгс= и подставив вырарпгс F жение для Vnrc в (7), получим

k-Zp. /(1+Z ); (2) Mr Мж Рйс

Gw +Gn

1 k а }

Mnrc Мж

Mr Мж

k(Mr-М )+М (p ) +(p.) (1+ * )+( г где г

А Grr

2 F ЛРпгс г или

)=О. (9) Мг но это не позволяет определить долю испареннаго вещества в газожидкастном потоке.

Известно, что из уравнения состояния

Менделеева-Клапейрона плотность парогазовой смеси можно определить как

45 ст (1 О) и "пгс ст

Мпгс Prlrc

R Tnrc (4) Мж В

Mr A Mr где Я вЂ” универсальная газовая постоянная, 5О но это не позволяет определить долю испаренного вещества в газожидкостном потоке.

Подставив (3) в (4), получим

55 ст

Mr Мж Рпгс (5)

В т„,,((М вЂ” М )+ M.) Известно уравнение расхода парогазо- Z= . ((1 + ) +

1 1 Мж вой смеси г/}н 2

Безразмерная концентрация k пара в парогазовой смеси определяется как отношение расхода Gn пара к расходу Gnrc парогазовой смеси к-О*н/Gnrc

Расход пара равен разности между начальным О*н и текущим расходами жидкости (Оп-бжн-бж), а расход парогазовой смеси слагается из начального расхода газа

Огн и расхода пара Оп (Опгс=бгн+Оп). С учетом этих замечаний безразмерную концентрацию пара в потоке можно представить в виде

Введя долю испаренного вещества (Е-(Ож*-Ож)/(6*н) или Z=Gn/6*н) и подставив

Оп-2бжн в (1) и разделив числитель и знаменатель полученного выражения на Gr имеем где 1он -6*н/Огн — начальнаЯ концентРациЯ жидкости в газе.

Известно, что молекулярная масса Mnrc парогазовой смеси является функцией от молекулярных масс газа Мг, пара Мп (Mn=.M*) и безразмерной концентрации k пара в газе

2 Р ЛР (8)

Приравняв правые части (5) и (8), имеем

R Trrc (k (Mr — Мж ) + Мж ) 2 Р2 Д Р

С учетом k (2), Gn=ZGxv и г/н=бжн/Огн придем к выражению

Выражение (9) представляет обыкновенное квадратное уравнение, неизвестным в котором является (Z p<). Решив,ого, найдем корень

Zp.=

=- {1+ — )+ — (1 1 Мж 1

Mr 4 (учтено, что доля z испаренного вещества может быть только положительной величиной).

Подставив в (11) (10), получим выражение для определения доли испаренногО вещества в газожидкостном потоке

1835537 t Ми р 2 F Рй с Мж ЛРпгс

4 M

R Grs Тпгс (12)

На чертеже представлена подробная схема испытательного канала и расположение измерительных датчиков на нем.

К входу в испытательный канал подсоединен подводящий патрубок 1, Испытательный канал включает испарительную камеру, состоящую из диффузора 2, цилиндрической части 3 и конфуэора 4; и отводящий патрубок 5, К отводящему патрубку 5 подсо. единена испытуемая лопатка 6, На диффузоре 2 расположено распыливающее устройство (центробежная форсунка) 7, выходное отверстие которого находится во внутренней полости испарительной камеры. Диффузор 2 выполнен с возможностью установки сменного интенсификатора испарения 8, Использовался интенсибикатор испарения 8 сеточного типа.

В испытательном канале, подводящем патрубке 1 и испытуемой лопатке 6 расположены датчики температуры (термопары) Т1 — Т-15, датчики полного давления (P-.1) — (P — 3), датчики статического давления (P — 1) — (P — 3) и регистратор жидкости 9, Термопары (Т вЂ” 1) — (Т вЂ” 6) — хромель-алюмелевые, а термопары (T — 8) — (Т вЂ” 15) — хромель-копелевые.

На испытуемой лопатке 6 расположены датчики температуры (Т-1)-(Т вЂ” 7). В испытательном канале установлены датчики температуры (T-8)-,(Т-14), датчики полного давления (Р— 1) и (P — 2), датчики статического давления (P — 1) и (P — 2) и регистратор жидкости 9. В подводящем патрубке расположены датчик температуры (Т вЂ” 15), датчик полного . давления (P-3) и датчик статического давления (P — 3). Отметим, ч о регистратор . жидкости 9 позволяет фиксировать капли диаметром не менее 30 10 м. Действие ре-6 гистратора 9 основано на электрическом замыкании каплей цепи между двумя электродами, расположенными в непосредственной близости друг от друга.

Способ определения доли испаренного вещества в гаэожидкостном потоке реализуется в испытательном канале следующим образом.

По подводящему патрубку 1 в диффуэор

2 подается газовый поток. С помощью датчика температуры Т-15, датчика полного давления P-3 и датчика статического давления Р— 3 измеряются температура, полное давление и статическое давление газового потока в подводящем пэтрубке 1. По этим параметрам при известной площади поперечного сечения подводящего патрубка

15

40 о определений доли испаренного вещества в

55 определяют массовый расход газа Gr>. После подводящего патрубка 1 газовый поток поступает в диффузор 2. Через распыливающее устройство 7 в диффузоре 2 происходит распыливание жидкости. Расход жидкости определен. По известным расходам жидкости Gxq и газа Gr определяется отношение расхода жидкости к ра ходу газа

В диффузоре 2 происходит смешение распыленной жидкости с газовым потоком.

В результате образуется газожидкостный поток. Процесс испарения начинается также в диффузоре 2. Далее испарение продолжается в цилиндрической части 3, конфуэоре 4 и отводящем патрубке 5. В отводящем патрубке 5 температура потока измеряется с помощью датчиков температуры

Т-8. Т-9 v. Т-12. Температура стенок отводящего патрубка 5 измеряется с помощью датчиков температуры Т вЂ” 10 и Т-11, Полное давление газовой фазы потока измеряется с помощью датчиков полного давления Р*-1 и Р* — 2. Статическое давление газовой фазы потока в отводящем патрубке 5 измерялось помощью датчика статического давления

P-1.

Искомая доля испаренного вещества определялась с использованием показаний датчика температуры Т-12, датчика полного давления Р*-2 и датчика статического давления Рп-1. С помощью датчика температуры Т-12 измерялась температура парогазовой смеси Т, с помощью датчика полного давления Р* — 2 — полное давление парогазовой смеси P*r rc с помощью датчика статического давления Р т-1 — статическое давление парогазовой смеси Р",с.

Ниже показано применение способа газожидкостном потоке в тех случаях, когда происходит полное испарение жидкости, т,е. Z=1. Случай полного испарения выбран потому, что попадание капель на внутреннюю поверхность рабочих лопаток газотурбинных двигателей вызывает большие термические напряжение в местах контакта. которые ведут к трещинообразованию.

Параметры работы испытательного канала следующие: расход воздуха 6 -(10-22)10 кг/с: расход жидкости (воды)

G®<=(0-2,3)10 кг/с; температура воздуха на входе в испытательный канал-T«=523— 623 К; полное давление газовой фазы (воздуха или паровоэдуш ной смеси) в отводящем патрубке 5 P*r«=0,167-0,279

1835537

15 ст

Ь Pnrc=P*nrc — Р (14) 20

45

55

МПа, перепад давления газовой фазы на лопатке л"-1,4-2,2.

Исследование проводилось при варьировании указанных параметров. Отношение расхода жидкости к расходу газа изменялось от 0 до 12%, Мол,м газа (воздуха) Мг-29, а мол.м, жидкости (воды или пара)

М*18.

Как уже отмечалось ранее, полное давление газовой фазы Р*пгс измерялось с помощью датчика полного давления Р*-2, статическое давление Р"пгс — с помощью датчика статического давления Рсг-1 и температура Тп с — с помощью датчика температуры Т-12. Площадь поперечного сечения

F отводящего патрубка 5 замерена ранее.

Динамический напор газовой фазы определим тэк

После подстановки в (12) известных величин RM® и Мг, замеренных значений

Р пгс,Tnrc F u G rH и определенных величин рн и Ь Pnrc рассчитаем искомую долю испаренного вещества. При обработке результатов испытаний с использованием заявляемого технического решения была получено, что полное испарение (Z=1) происходило при отношении расхода жидкости к расходу газа до 5,5 при Tg»=523 К и до

7% при Ти»=623 К.

В этом случае, если в испарительной камере не происходит полное испарение (2<1), то часть жидкости попадает в отводящий патрубок 5, Поскольку скорость потока в отводящем патрубке 5 достаточно высока (30-50 м/с), то дополнительно к взвешеннь!м в газовом потоке каплям происходит интенсивный срыв осевшей на стенки жидкости, Поэтому в газовом потоке, движущемся в отводящем патрубке 5, имеется значительное число взвешенных капель, Электроды регистратора жидкости 9 расположены по оси отводящего патрубка 5

При замыкании электрической цепи между этими электродами налетершими каплями, диаметр которых не меньше размера зазора между электродами. на экране осциллографа появляется сигнал. 8 ходе экспериментов срабатывание регистратора жидкости 9 происходило при отношении расхода жидкости к расходу газа. большем 5,5 при T«=523 К и большем

7,0%.ïðè Ти»=623К. Это совпадает с данными, полученными при использовании заявляемого способа определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке, Жидкость при подводе к.распыливающему устройству нагревалась до температуры, близкой к температуре кипения.

Поэтому при испарении ее тепло от воздуха отбиралось непосредственно на испарение и нагрев образующегося пара. Это позволило использовать известное уравнение теплового баланса. При обработке результатов испытаний использовалось снижение температуры паровоздушной смеси, определяемое как разность между измеренными с помощью датчика температуры Т-12 значениями температуры до и после впрыска жидкости (Л Тпгс=Тпгсlу"и= 0 — Тпгсlфн>0 ).

Способ применим, когда объемная доля жидкой фазы много меньше, чем газовой.

Его можно использовать, если мэ жидкости испаряется лишь одна компонента, а остальные остаются s растворе, Формула. изобретения

Способ определения доли испаренного вещества в газожидкостном потоке. включа- ющий определение начального расхода жидкости, измерение площади. поперечного сечения в испытательном канале. измерение полного давления, статического давления и температуры в газовом потоке до подачи его в испытательный канал с последующим определвнием по этим параметрам расхода газового потока и отношения расхода жидкости к расходу газа, измерение в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впрыскивании жидкости статического давления и температуры, отличающийся тем, что, с целью ускорения испытаний, измеряют полное давление в испытательном канале после впрыскивания жидкости в газовый поток, определяют динамический напор как разность между полным давлением и статическим давлением в испытательном канале, а долю испареннага вещества рассчитывают по формуле

Z- — (— — {1+ )+

1 1 Мж фн 2 Мг l1 („. М )2 2F p сМЛР rc

4 Мг R G2,Т„« где R — универсальная газовая постоянная;

М» и Мг — малярные массы жидкости и газа;

F — площадь поперечного сечения испытательного канала;

Тпгс — температура газовой фазы в испытательном канале при пропускании через него газовога потока и впрыскивании жидкости;

1835537

6 — массовый расход газа. подававмо. го в испытательный канал:

Z — доля испаренного вещества в газожидкостном потоке.

H, ).2, Ц 7-4, 7-Х Я

/аз

Ипил и иларгиия

Составитель А. Кубасов

Техред M.Ìîðãåíòàë ., Корректор; А. Козориз

Редактор А. Козлова

Заказ 2982 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Р"ore — статическое давление газовой фазы в испытательном канале при пропускании через него газового потока и впрыскивании жидкости;

Л Pnrc — динамический напор газовой фазы в испытательном канале при пропусканйи через него газового потока и впрыскивании жидкости; ф — отношение расхода жидкости к

5 расходу газа;