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三通管型分流分相式氣液兩相流體流量計

三通管的相分離特性:三通管是一種***簡單的多通道元件,廣泛應用于工業(yè)和民用管道系統(tǒng)中。它可以將主管流入的流體均勻地或按要求分配到兩個支管中,也可以將兩支管內的流體匯入主管中。對于單相流體,三通管的分配特性和阻力特性相對較為簡單,每一支管所分配的流量多少完全取決于各自的阻力大小。而在兩相流體中,三通管的分配特性就要復雜得多,除了流量分配外,還存在相的分配問題。

  林宗虎〖43〗總結了自 80 年代以來各國學者關于三通管的兩相流分配特性和阻力特性的研究結果。所有結果都表明,不論三通管是 T 型還是 Y 型,
也不論三通管是垂直放置還是水平放置,三通管內都存在明顯的相分離現象,即兩支管內的干度存在較大的差異。而其中尤以側支管垂直放置的 T型三通相分離***為明顯。當側支管垂直向上時,側支管內的干度 X3會高于直通支管內的干度 X2,而當側支管垂直向下時,情況剛好相反。
  針對側支管垂直向上布置的 T-型三通,Seeger〖35〗給出了如下的相分離計算式: 

圖2-1  T-型三通示意圖

圖2-1  T-型三通示意圖
計算公式

式中     X1—主管入口干度 
    X3—側支管內的干度          G3—側支管內的質量流速,Kg/m2s          G1—主管入口質量流速,Kg/m2s
  上式適用于空氣—水兩相流和蒸汽—水兩相流。從式中可以看出,T型三通的相分離現象是十分嚴重的,幾乎接近于完全相分離,即從主管流入的氣體全部流進了側支管,用公式來表示就是: 
計算公式

  從式(2-1)、(2-2)可以看出,側支管內的相對質量流速 G3/G1 愈低,側支管內的干度 X3就愈高。當 G3小到某一臨界值時,X3會升高到 1。再進一步降低 G3,X3將保持等于 1。此時,三通管相當于一個氣體取樣器,相分離特性不再符合式(2-1)。 

  為確定上述 G3的臨界值,Seeger〖35〗了下面的計算式: 
計算公式

式中   G3max,x=1—G3的臨界值,小于該值時 X3等于 1 A—與流型有關的系數,對于細泡狀流 A=0.5,其它流型 A=1 g—重力加速度,
m/s2 D—側支管內徑,
m         ρL—液體密度,Kg/m3         ρG—氣體密度,Kg/m3 

  三通型分流分相式氣液兩相流體流量計組成原理:

  根據三通管的相分離特性,只要側支管內的質量流速 G3小于 G3max,x=1,側支管內的干度 X3就能保持等于 1,從側支管流出的流體就為單相氣體。這樣,就可以在側支管回路內安裝單相氣體流量計,對這部分氣體進行測量,并根據測量結果計算主管入口的兩相流體流量。這就是三通管型氣液兩相流體流量計的基本原理。

  圖 2-2  是三通管型氣液兩相流體流量計組成原理圖。為了擴大測量范圍,提高氣體流量的測量精度,采用了三個相并聯的三通管來分離氣體。側支管(3)的內徑與主管(1)相同。側支 管垂直布置并具有足夠的高度。側支管與集氣管(5)之間通過一個小孔(4)相連通,該小孔的孔徑小于側支管內徑的五分之一。小孔的作用在于增加阻力控制流量,同時也可以防止主管中一些尺寸較大的液滴沖入集氣管內,另外還可以使上升氣流在小孔前形成一個較強的自然旋渦,進一步分離氣體攜帶的水分。節(jié)流孔板(9)的作用在于調節(jié)回路的阻力,改善分流系數的特性,以及調整流量計的測量范圍。
圖2-2 三通管型分流分相式兩相流體流量計1.    2.   3.    4.  5.    6. 主管 直通支管 側支管 小孔 集氣管 氣體測量管7.    8.   9.氣體流量計 匯合三通 節(jié)流孔板

圖2-2 三通管型分流分相式兩相流體流量計1.    2.   3.    4.  5.    6. 主管 直通支管 側支管 小孔 集氣管 氣體測量管7.    8.   9.氣體流量計 匯合三通 節(jié)流孔板
  氣液兩相流體從主管(1)進入流量計,在三通管組內被分成兩部分。一部分經過側支管(3)和小孔(4)變成單相氣體后進入集氣管(5),再經氣體測量管(6)和氣體流量計(7)流入匯合三通(8)。稱這一回路為分流體回路,這一部分氣體為分流體。另一路經過直通支管(2)和節(jié)流孔板(9)流入匯合三通(8)與分流體匯合。稱這一回路為主流體回路,這一部分兩相流體為主流體。兩股流體混合后從匯合三通流向下游管道。 

  為討論方便,定義分流體的流量為 M3,主流體的流量干度為 M2和 X2,主管流入的總流量為 M1,干度為 X1。總分流系數 K 和氣相分流系數 KG分別為: 

計算公式

  根據質量守恒原理還可得到下列關系式: 
計算公式

  測量出分流體流量 M3后,如果已知分流系數 K 和氣相分流系數 KG,就可以根據式(2-4)和(2-5)計算出被測兩相流體的流量或干度。 

總分流系數 K 和氣相分流系數 KG:

  從圖 2-2 可以看出,分流體回路和主流體回路之間為并聯關系。根據并聯回路的性質,分流體回路的總壓降?P3應等于主流體回路的總壓降?P2。依據這一關系就可推導出總分流系數 K 和氣相分流系數 KG。 

  分流體回路的總壓降?P3包括分流體在三通管中的分配壓降?P31,流過小孔的壓力損失?P32,在氣體測量管路上的阻力損失?P33以及流過匯合三通的壓力降?P34。其中?P32和?P33基本上與干度無關,僅取決于分流體的流量大小。?P31和?P34雖然與干度有一定的關系,但由于三通管的流通面積較大,而分流體的流量又較小,所以,?P31和?P34實際上很小,與?P32和?P33相比幾乎可以忽略不計。因此,可以認為分離體回路的總壓降?P3與干度無關,能夠用單相流體的阻力公式進行計算。 

計算公式
式中      ξ3—分流體回路的總阻力系數      A3—氣體測量管的流通截面積,m2           V3—氣體測量管內的氣體流速,m/s
  主流體回路的總壓降?P2主要由三通管的分配壓降?P21、流過孔板的壓降?P22、沿程阻力損失?P23以及在匯合三通上的壓降?P24組成。其中?P22所占比例***大,其余各項相對較小。因此,可以將主回路看作是一個以孔板為主的阻力件。
計算公式
  應用兩相流理論中的分相模型【42】仿照林宗虎公式【57】的推導方法,可以導出主流體回路的兩相流特性關系式: 

式中    θ—分相模型修正系數,取決于氣相和液相的密度比   ?P2G—主流體中的氣相單獨通過主回路時的壓力降,Pa ?P2L—主流體中的液相單獨通過主回路時的壓力降,Pa      根據定義,?P2G和?P2L分別用下列單相流體的公式計算: 

計算公式

式中    ξ2—主流體回路的總阻力系數     A2—主流體回路的流通截面積,m2 
  將式(2-11)和(2-12)代入式(2-10)并整理即可得到?P2的計算式: 
計算公式
將式(2-6)、(2-8)代入式(2-13),并令式(2-13)和(2-9)的等號右邊相等,就可得到總分流系數 K 的計算式: 
計算公式
計算公式

  將式(2-14)代入式(2-5)即可得到氣相分流系數 KG的計算式: 
計算公式
  在結構參數和兩相流體的液相、氣相密度比確定的情況下,系數 C、D均為常數??偡至飨禂?K 與被測兩相流體的干度 X1成線性關系,而氣相分流系數 KG與 X1的倒數成線性關系。 
  在兩相流體的流量干度測量范圍確定的情況下,可以根據式(2-15)和(2-16)設計合理的結構參數,以選配適當的氣體流量計。 

  在實際測量過程中,如果已知干度 X1或者通過其它方法測得干度 X1,就可以根據式(2-14)確定出總分流系數 K,根據式(2-17)或(2-5)確定氣相分流系數 KG。在測量出分流體流量 M3后,應用式(2-4)計算出被測兩相流體的流量 M1,應用式(2-5)計算出被測兩相流體中的氣相流量M1X1。 

  如果已知流量 M1或者能夠通過其它方法測得流量 M1,就可以用式(2-4)計算出總分流系數 K,然后再應用式(2-14)計算出兩相流體的干度 X1??傊趹萌ㄐ头至鞣窒嗍綒庖簝上嗔黧w流量計時,必須已知流量和干度中的一個參數,才能測量出另外一個參數。這說明該三通型分流分相式氣液兩相流體流量計是一種單參數兩相流體流量計。 
  但與其它單參數氣液兩相流體流量計相比,三通管型分流分相式氣液兩相流體流量計中的氣體流量計完全在單相流體的狀態(tài)下工作。因此,它的***大優(yōu)點在于工作可靠性高,流量計選型靈活,可以采用各種高精度寬量程比的氣體流量計,如:渦街流量計、渦輪流量計、熱式質量流量計等。
  從而可以大幅度提高流量干度的測量精度和測量范圍。 

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