一种测量气-液两相流系统带液量的装置及方法

摘要

本发明公开了一种测量气-液两相流系统带液量的装置及方法，在气-液两相流工质系统出口安置加热功率可调的加热模块对系统出口气-液两相流工质进行加热，调节加热模块加热功率使得加热模块出口工质达到气相饱和状态，利用温度和压力传感器对加热后的工质进行状态判断。当加热模块出口工质状态为气相饱和态或过热态时，结合所消耗的加热功率、系统工质质量流量及工质汽化潜热，利用热力学关系式判断出工质中液相部分份额。此种气-液两相流带液量测量的方法克服了现有光学法无法应用于低温领域、测试时间长、数据量大、装置复杂昂贵的缺点，具有适应极端条件、装置简单、便于实现、测量范围广和稳定性好等优点。

说明书

技术领域

本发明属于气液两相流工质份额测量技术领域，涉及一种测量气-液两相 流系统带液量的装置及测量方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，越来越多的工程技术领域中出现或使用到了 两相流，工程技术上常见的两相流动主要有气-固、液-固和气-液等。气相可 以是连续的形式或是离散的气泡；液相也可以是连续的形式或是离散的液滴； 固相则多是以微小的颗粒或固块的形式出现。而其中气-液两相流中的带液量 的测量往往成为应用的重点和难点所在。

气液两相流的流动类型有很多，它不仅与流动过程的热力状态有关（加 热或冷却，压缩或膨胀），而且还和流动部分所处的几何形状有关（垂直或水 平，静止或运动）。当带液量达到5%~8%时，由于液滴的尺寸较小，气液两 相流以雾状流的形式存在；当带液量达到10%~20%时，液滴尺寸由于二次成 核而增大，出现液团流。

目前已有的气-液两相流带液量测量方法：基于米氏散射理论的光学测量 法。该方法需要一套光源及分光光度计光学系统、探测器、将探测器及光学 系统横向连接起来的管子及电源模块构成。在测试时，当气-液混合工质流经 探测器头部的通道时，光学测试系统一端发射的光源经过气-液两相流，其另 外一端的分光光度计测试经两相流工质散射后的光。分析散射光的光谱对两 相流动带液量判定。此种方法所需设备十分复杂且造假昂贵；由于其安装较 为繁杂，不适宜应用在条件较为恶劣的工业现场及制冷低温领域极端条件下； 测试过程复杂，耗费时间较长。

气-液两相流动许多应用场合接近于工业现场，要求测试系统能够准确快 速的得到测量结果。这就要求气-液两相流系统带液量的测试方法具有测试装 置简单，测试过程简洁快速，最重要的是易于实现。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种测量气-液两相流系统带液量的装置及 方法，具有测量装置结构简单、测量过程简洁、准确快速、测量范围广、对 使用环境不敏感等优点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种测量气-液两相流系统带液量的装置，包括：

加热模块：设于气-液两相流系统出口，对气-液两相工质进行加热，以 输出气态饱和或气相过热状态的工质；

压力测量模块：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的压力；

温度测量模块：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的温度；

流量测量模块：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的流量；

数据处理及显示模块：根据压力测量模块和温度测量模块所反映的加热 模块输出工质的状态，结合加热模块出口工质的质量流量和此时的加热功率 进行运算处理，获得气-液两相流系统的带液量并将结果进行显示。

所述的加热模块的加热功率可调，调节其加热功率使工质在加热模块出 口达到气相饱和或气相过热状态，并将此时加热模块的加热功率传输到数据 处理及显示模块。

所述的压力测量模块和温度测量模块能够将其检测到的压力信号和温度 信号转换成数字信号，并进行显示。

所述的加热模块为电加热装置。

所述的压力测量模块为压力传感器，温度测量模块为温度传感器，所述 的流量测量模块为质量流量测量模块或体积流量测量模块。

所述的压力传感器为压敏电阻压力传感器，温度传感器为热电偶传感器 或铂电阻传感器，质量流量测量模块为质量流量计，体积流量测量模块为体 积流量计。

加热模块输出气态饱状态的工质时，数据处理及显示模块获得气-液两相 流系统的带液量的计算为：α＝W/(m·γ)；其中α为带液量，γ为气-液两相流系 统工质在加热模块出口压力P下的气化潜热，W为加热功率，m为加热模块 出口工质的质量流量。

加热模块输出气相过热状态的工质时，数据处理及显示模块获得气-液两 相流系统的带液量的计算为：α＝[W-m(h-h_o)]/(m·γ)；其中α为带液量，γ为气- 液两相流系统工质在加热模块出口压力P下的气化潜热，W为加热功率，m 为加热模块出口工质的质量流量，h为加热模块出口过热气体工质对应状态 参数（T、P）下的比焓，h_o为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P 下对应饱和状态气体工质的比焓。

一种测量气-液两相流系统的带液量的方法，包括以下步骤：

1）在气-液两相流系统的出口设置加热功率可调的加热模块对气-液两相 工质进行加热，通过调节加热模块的加热功率使得输出气态饱和或气相过热 状态的工质；

2）在加热模块的出口设置压力测量模块和温度测量模块分别测量加热模 块出口工质的温度T和压力P，判断其是否达到气相饱和或气相过热状态；如 果工质在加热模块出口仍处于气液两相状态，则增大加热功率，直到工质在 加热模块出口达到气相饱和或气相过热状态，记录此时的加热功率W；

在加热模块的出口设置流量测量模块，测量加热模块出口工质的流量；

3）数据处理及显示模块根据压力测量模块和温度测量模块所反映的加热 模块输出工质的状态，通过以下计算得到气-液两相流系统的带液量：

当加热模块出口工质为气相饱和状态时，带液量α＝W/(m·γ)；其中α为带 液量，γ为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P下的气化潜热，W为 加热功率，m为加热模块出口工质的质量流量；

当加热模块出口工质为气相过热时，带液量α＝[W-m(h-h_o)]/(m·γ)；α为带 液量，γ为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P下的气化潜热，W为加 热功率，m为加热模块出口工质的质量流量，h为加热模块出口过热气体工质 对应状态参数（T、P）下的比焓，h_o为气-液两相流系统工质在加热模块出口 压力P下对应饱和状态气体工质的比焓。

所述的加热模块的加热功率的调整为：

首先，根据气-液两相流工质所能达到的最大带液量，计算出液相成分由 液相转化为气相所需的理论热量；

然后，以理论加热量为基准，加热模块对气-液两相工质进行加热，测量 加热模块出口工质的温度T和压力P，判断气流是否达到气相饱和或气相过 热状态；

如果工质在加热模块出口工质达到气相饱和或过热状态，记录此时加热 功率W；如果工质在加热模块出口工质仍处于气液两相状态，则增大加热功 率，直到工质在加热模块出口工质达到气相饱和或气相过热状态，记录加热 功率W。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的测量气-液两相流系统带液量的装置及方法，通过在气-液 两相流工质系统出口安置加热模块对系统出口气-液两相流工质进行加热，调 节加热模块加热功率使得加热模块出口工质达到气相饱和状态，检测加热模 块出口工质的温度和压力对加热后的工质进行状态判断。当加热模块出口工 质状态为气相饱和态或过热态时，结合所消耗的加热功率、系统工质质量流 量及工质汽化潜热，利用热力学关系式判断出工质中液相部分份额。

由于本发明采用工质变化的热力学关系对工质中液相部分份额进行测 量，只需要加热器模块、温度压力传感器及流量测量模块，与现有光学测量 法需要高昂、复杂的测量设备且无法应用于复杂、极端工作环境相比，具有 结构简单、不需要复杂昂贵仪器、系统连接方便、适应于复杂、极端工况和 适应大带液量系统的优势。而且具有数据量小、测量过程简洁快速的优势。

本发明提供的测量气-液两相流系统带液量的装置及方法，克服了现有光 学法测量无法应用于低温领域、测量时间长、数据量大、装置复杂昂贵的缺 点，具有适应极端条件、装置简单、便于实现、测量范围广和稳定性好等优 点。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

其中，1为气-液两相流系统、2为加热模块、3流量测量模块、4为压力 测量模块、5为温度测量模块、6为数据处理及显示模块。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

参见图1，一种测量气-液两相流系统带液量的装置，包括：

加热模块2：设于气-液两相流系统1的出口，对气-液两相工质进行加热， 以输出气态饱和或气相过热状态的工质；

压力测量模块4：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的压力；

温度测量模块5：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的温度；

流量测量模块3：设于加热模块出口，测量加热模块出口工质的流量；

数据处理及显示模块6：根据压力测量模块和温度测量模块所反映的加 热模块输出工质的状态，结合加热模块出口工质的质量流量和此时的加热功 率进行运算处理，获得气-液两相流系统的带液量并将结果进行显示。

具体的所述的加热模块的加热功率可调，调节其加热功率使工质在加热 模块出口达到气相饱和或气相过热状态，并将此时加热模块的加热功率传输 到数据处理及显示模块，以便于计算。

加热模块为电加热模块，或者具有类似加热功率可调的加热设备。

压力测量模块和温度测量模块能够将其检测到的压力信号和温度信号成 数字信号，并进行显示。

实现上述功能的压力测量模块和温度测量模块具有多种方式，比较常见 的是压力传感器和温度传感器；压力传感器可以为压敏电阻压力传感器或具 有压力测量功能的其他测量装置；温度传感器可以为热电偶、铂电阻等具有 温度测量功能的其他测量装置。

由于在计算时需要工质的质量流量，所以流量测量模块为质量流量测量 模块，或者采用体积流量测量模块或相同功能的流量测量装置，然后将其测 量结果转换成质量流量。所以可以采用质量流量计，也可采用体积流量计。

所提供的测量气-液两相流系统的带液量的方法，包括以下步骤：

1）搭建测量平台

在气-液两相流系统的出口设置加热功率可调的加热模块对气-液两相工 质进行加热，通过调节加热模块的加热功率使得输出气态饱和或气相过热状 态的工质；

2）在加热模块的出口设置压力传感器和温度传感器分别测量加热模块出 口工质的温度T和压力P，判断其是否达到气相饱和或气相过热状态；如果工 质在加热模块出口仍处于气液两相状态，则增大加热功率，直到工质在加热 模块出口达到气相饱和或气相过热状态，记录加热功率W；

在加热模块的出口设置流量测量模块，测量加热模块出口工质的流量；

3）数据处理及显示模块根据压力测量模块和温度测量模块所反映的加热 模块输出工质的状态，通过计算得到气-液两相流系统的带液量。

具体的操作为：

首先搭建测量平台，包括位于气-液两相流系统出口加热功率可调的加热 模块；布置于加热模块出口的工质质量流量测量模块；布置于加热模块出口 的压力传感器；布置于加热模块出口的温度传感器；数据处理及显示模块。

然后确定加热模块的加热功率：

先根据气-液两相流工质可能达到的最大带液量计算出液相成分由液相 转化为气相所需加入的理论热量；第二，以理论加热量为基准，对气-液两相 工质进行加热，测量加热模块出口气流的温度T和压力P，判断气流是否达 到气相饱和或气相过热状态；第三，如果工质在加热模块出口达到气相饱和 或过热状态，记录此时加热功率W；如果工质在加热模块出口仍处于气液两 相状态，则增大加热功率，直到工质在加热模块出口达到气相饱和或气相过 热状态，记录加热功率W。

最后带液量确定：

通过工质质量流量测量模块获取加热模块出口气态饱和或气相过热状态 工质的质量流量m，结合加热功率W、工质加热模块出口气相饱和状态参数 质量流量m，工质流经加热模块是一个近似等压过程，因此带液量可以用以 下方式求得；

1）当加热模块出口气体状态为气相饱和状态时用如下公式计算：

利用等式α＝W/(m·γ)；

其中，α为带液量，γ为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P下的 气化潜热；W为加热功率，m为加热模块出口工质的质量流量；

某种工质的工质气化潜热，可根据物性图表或物性查询软件获得，一个 压力对应一个气化潜热。

2）当加热模块出口气体状态为气相过热时用如下公式计算：

利用等式α＝[W-m(h-h_o)]/(m·γ)；

其中，α为带液量，γ为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P下的 气化潜热，W为加热功率，m为加热模块出口工质的质量流量，h为加热模 块出口过热气体工质对应状态参数（T、P）下的比焓，（T、P）为加热模块 出口气体状态参数；过热气体比焓可以通过已知的（T、P）查询相关物性图 表或物性查询软件获得，如果（T、P）确定，那么过热气体比焓就可以确定； h_o为气-液两相流系统工质在加热模块出口压力P下对应饱和状态气体工质 的比焓，h_o-饱和状态的比焓，只需要知道压力P即可根据物性图表或者物性 查询软件获得，跟温度T无关。

下面给出具体的测量实施例。

实施例1

在带液低温空气透平膨胀机后安装两相流系统带液量测量装置；系统 工质为含氧量35%富氧空气；调节加热功率W，根据加热模块出口工质状态 参数确定其达到气相饱和状态（P=0.133MPa，T＝86.25K），记录加热功率 W＝2517.7W；质量流量测量模块获得系统工质质量流量m=0.175kg·s^-1；工质 的气化潜热205.48kJ·kg^-1；根据α＝W/(m·γ)=2517.7/(0.175·205.48×10³)=0.07， 可得膨胀机出口气液两相流的带液量为7%。

实施例2

在带液低温空气透平膨胀机后安装两相流系统带液量测量装置；系统工 质为含氧量35%富氧空气；调节加热功率W，根据加热模块出口工质状态参 数确定其达到气相过热状态（P=0.133MPa，T＝90.25K，h=85.67kJ/kg，h_o=81.29 kJ/kg），记录加热功率W＝3284.2W；质量流量测量模块获得系统工质质量流 量m=0.175kg·s^-1；工质的气化潜热205.48kJ·kg^-1；根据α＝[W-m(h-h_o)]/(m·γ)= [3284.2-0.175×(85.67×10³-81.29×10³)]/(0.175·205.48×10³)=0.07，可得膨胀 机出口气液两相流带液量为7%。

以上实施实例仅用于说明本发明的优选方式，但本发明并不局限于上述 实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保 护的技术方案范围内。