Материал: Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Ш m

м)

Рис. 103. Структуры парожидкостного потока в вертикаль­ ной трубе (а— и) и газожидкостного потока в горизонтальной трубе (к— п)

виде кольцевого слоя вдоль стенок, а в средней части еще сохра­ няется дисперсионно-капельная структура. Такую переходную структуру называют дисперсионно-кольцевой (рис. 103, в). При дальнейшем увеличении доли жидкости в смеси наступает пол­ ностью расслоенное течение, которое в вертикальной трубе имеет кольцевую структуру (рис. 103, г), центральная часть заполнена одним паром или газом. В горизонтальной трубе при расслоен­ ном течении нет кольцевого слоя жидкости. Последняя под дей­ ствием сил тяжести все в большей мере опускается вниз и дви­ жется по нижней части трубы, а в верхней ее части перемещают­ ся пар или газ вместе с еще не осевшими каплями жидкости (рис. 103, к). С увеличением скорости потока и одновременным возрастанием доли жидкости на поверхности раздела фаз начи­ нают возникать волновые гребни (рис. 103, л и м). Они растут с увеличением скорости и начинают рассекать на отдельные час­

242

ти поток пара или газа, движущийся в центре вертикальной трубы (рис. 103, д) или в верхней части горизонтальной трубы (рис. 103, м).

ных пробок или пузырей, перекрывающих полностью или частич­ но сечение трубы. Их частота (от доли 1 Гц до 4 -5 Гц) зависит от скорости потока vc, или, точнее, от числа Фруда Fr = v2c/(gD) (где g — ускорение силы тяжести; D — диаметр трубы), и от расход­ ного газосодержания р0. При дальнейшем росте доли жидкости газовые пробки уменьшаются в размере, переходя частично в мел­ кие газовые пузыри. Возникает пузырьково-снарядная структу­ ра (рис. 103, ж и о), которая затем переходит в пузырьковую. В вертикальной трубе пузырьки распределены равномерно по се­ чению (рис. 103, з), а в горизонтальной они движутся в верхней части (рис. 103, п).

При увеличении доли газа в смеси имеем обратную картину перехода от жидкостного однофазного потока (рис. 103, и) к пу­ зырьковой (рис. 103, з и л), пузырьково-снарядной (рис. 103, ж и о) и пробоковой или снарядной структуре (рис. 103, е и к). При дальней­ шем увеличении газосодержания в потоке, сопровождающемся обычно увеличением средней скорости газа, происходит переход от пробковой структуры к расслоенному течению, вначале с вол­ нами на границе раздела фаз (рис. 103, л и м). Амплитуда этих волн уменьшается по мере увеличения доли газа тем раньше, чем меньше средняя скорость потока, и поверхность раздела фаз ста­ новится гладкой (рис. 103, к). Затем наступает дисперсная струк­ тура (рис. 103, б) и при полном отсутствии жидкости образуется однофазный поток (рис. 103, а).

В промышленных трубопроводах наиболее распространена пробковая структура потока. Подробнее о структуре двухфазных потоков см. в работах [9, 11,15, 20, 23, 34].

11.2. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ РАСХОДОМЕРАМИ С СУЖАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Было выполнено много работ по применению расходомеров с сужающими устройствами для измерения расхода различных двухфазных веществ: водогрунтовой смеси [14,16], влажного пара [1, 8, 22], смеси твердой фазы с газом [18, 24], а также нефтегазо­ вых и водовоздушных потоков [12]. Из этих работ следует, что расходомеры с сужающими устройствами не универсальное сред­ ство для измерения расхода любых двухфазных веществ, при любом соотношении легкой и тяжелой фаз. Но эти расходомеры пригодны в определенных условиях при правильном выборе под­ ходящего типа сужающего устройства.

243

16*

Фаза, имеющая большую плотность, ускоряется в сужающем устройстве медленнее, чем легкая, вследствие действия сил инер­ ции. Это приводит к увеличению концентрации тяжелой фазы

вначальной части сужающего устройства. Затем при дальней­ шем расширении потока скорость его тяжелой фазы снижается меньше, чем легкой, и первоначальная концентрация фаз восста­ навливается. Поэтому неправильно определять расход по извест­ ной формуле для однофазного вещества, подставляя в нее истин­ ную рс или расходную рс#р плотность смеси. Чем короче осевая длина, на которой происходит ускорение потока, тем меньшая часть потенциальной энергии или, иначе, перепада давления за­ трачивается на ускорение тяжелой фазы. У диафрагмы эта длина минимальна. У таких веществ, как пылеугольная смесь или влаж­ ный насыщенный пар, имеющих большую разность плотностей тяжелой и легкой фаз при небольшой объемной концентрации тяжелой фазы, перепад давления почти целиком или во всяком случае в основной своей части будет затрачиваться на ускорение легкой фазы и почти не будет реагировать на присутствие тяже­ лой фазы. Поэтому диафрагма может дать хорошие результаты при измерении сухой (более легкой) части влажного пара, что и представляет при измерении его расхода основной интерес. Но по перепаду, создаваемому диафрагмой, трудно судить о расходе твердой фракции (угля, цемента и т. п.), переносимой воздуш­ ным потоком. Для этой цели лучше всего подходит труба Венту­ ри, имеющая относительно длинный участок, на котором проис­ ходит сужение потока. Сопло занимает промежуточное положе­ ние между диафрагмой и трубой Вентури.

Пренебрегая небольшой начальной разницей скоростей фаз

втрубе до диафрагмы и считая, что весь перепад давления в по­ следней затрачивается только на ускорение легкой фазы, можно получить [8] следующее уравнение для определения массового расхода двухфазной смеси:

где k = (1 - Л тГ0,5; Лт — истинная массовая концентрация тяже­ лого компонента; рс — истинная плотность смеси 1.

Эта формула справедлива, когда плотность тяжелой фазы рт во много раз больше плотности рл легкой фазы, т. е. при рт » рс и когда rjm не слишком велика (r|m< 0,2+0,3). От известной форму­ лы расхода для однофазного вещества она отличается лишь мно­ жителем &, который может быть представлен в виде

К= 1 + «Лт.*

*В одной зарубежной работе [ 4 6 ] со ссылкой на нашу работу [ 1 4 ] приведена

неправильная модификация формулы (86), по которой построен график зависимо­ сти множителя к от влажности пара Т]т . В связи с этим там же предлагается для множителя к неверная формула к - 1 + 1 , 1 1 5 r ) m .

244

где a = rim1[(l-r|m1) - l] .

При возрастании г\тот 0,02 до 0,2, т. е. в 10 раз, коэффициент а увеличивается только от 0,5 до 0,59.

Прирл« р тимеемрл*рс(1 -Г|т)и>следовательно, fcp°>5 =[рл/( 1 -

- т}т )]0’5. Подставляя это значение йр*?’5 в формулу (86), получа-

ем Я.т ~ Я.тлИХ ~ Л т)» где

Эта формула наглядно указывает, что при сделанных допуще­ ниях перепад давления, создаваемый диафрагмой, затрачивается лишь на ускорение легкой фазы. Для определения ее расхода не требует­ ся измерения Т]т , т. е. степени влажности пара.

Справедливость формул (86) и (87) была подтверждена опыта­ ми с влажным паром [1], при которых расход воды, подаваемой в слабо перегретый пар, и сконденсированного пара определяли с помощью мерных баков. Опыты проводили на трубе с внутренним диаметром 69 мм при давлении пара от 0,2 до 0,5 МПа и различ­ ной влажности пара, доходившей до 50 % . Испытывали диафраг­ мы и сопла с различными значениями относительной площади т. В результате обработки данных 70 опытов с диафрагмами, имев­ шими т , равными 0,1, 0,2, 0,3 и 0,4, была получена [8] формула для поправочного множителя:

справедливая при г\т < 0,3, т. е. при влажности пара до 30 % . Среднеквадратическое отклонение a = 0,56 % . Полученная экспе­ риментально формула (88) для множителя k согласуется с теоре­ тической формулой для feT и дает среднее значение к = 0,56, соот­ ветствующее теоретическим границам для k от 0,5 до 0,59. Об­ работка экспериментальных данных зарубежных опытов Чисхолма [22] также подтверждает справедливость теоретической форму­ лы. Это видно из табл. 28, где даны значения множителя k по теоретической формуле, экспериментальной формуле (88) и рабо­ те Чисхолма. Опыты с соплами дали менее определенные резуль-

Таблица 28 Значения поправочного множителя к прн измерении влажного пара

245

таты. Таким образом, для измерения расхода сухой части влажного пара при влажности не более 20-30 % следует ре­ комендовать применение стандартных диафрагм. Подобная рекомендация на основании работ [1, 8] дана в правилах РД 50-213-80.

му газожидкостные смеси характеризу­ ются обычно не массовыми, а объемными концентрациями фаз. При этом значения концентраций жидкости и газа вполне соиз­ меримы друг с другом, а в ряде случаев объемная концентрация жидкости превосходит объемную концентрацию газа. В этих ус­ ловиях очень трудно делать выводы о степени различия ускоре­ ния одной фазы от другой при проходе через диафрагму и остает­ ся лишь экспериментальный путь определения пригодности по­ следней для измерения расхода газожидкостных смесей при раз­ личных значениях объемных концентраций жидкости и газа. По­ добные эксперименты были выполнены в Грозненском нефтяном институте [12]. На водовоздушных смесях испытывали диафраг­ мы с т , равными 0,1, 0,2, 0,3 и 0,5, на трубе, имевшей!) = 50 мм, при давлении после диафрагмы 0,14 МПа. Объемное содержание воз­ духа Р0 равно 0,2, 0,4, 0,6,0,8, 0,9, 0,95 и 0,98. Кроме того, испыты­ вали диафрагмы с т = 0,1 и т = 0,425 на нефтегазовой смеси, имевшей Р0 = 0,85, при давлении после диафрагмы 1,7 МПа.

Результаты испытаний показали, что объемный расход смеси

где k — поправочный множитель, зависящий от Р0, Ap/Pi, т и свойств вещества смеси; рс. р — расходная плотность смеси.

На рис. 104 приведена зависимость k от Р при различных т . Кривые 1 -4 о т н о с я т с я к воздуховодяным, а 5 -6 — к нефтегазо­ вым смесям. С увеличением р0 коэффициент k возрастает снача­ ла незначительно, а потом все более стремительно, достигая мак­ симума при Р0 = 0,95-5-0,98, после чего резко падает. Характер кривых в этой последней части соответствует формуле для kT, из которой следует, что по мере уменьшения цт , т. е. по мере увели­

246