一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置及方法

摘要

本发明提出一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置及方法，属于热工测量技术领域，包括绝对压力传感器和温度传感器，绝对压力传感器和温度传感器均垂直管道壁插入管道内，二者的插入深度等于管道的半径长度；所述绝对压力传感器测得管道的总绝对压力，温度传感器测得管道内饱和蒸汽温度，绝对压力传感器和温度传感器均与微处理器连接，微处理器根据饱和蒸汽温度计算得到饱和蒸汽压，再根据管道的总绝对压力计算管道中的不凝性气体分压和不凝性气体浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及热工测量技术领域，特别是涉及一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

气液两相体系指的是有着液态和气态两部分物质的体系。在体系的参数发生变化时，物质会发生相变。物质发生相变可以在不改变体系温度的情况下，吸收或放出热量，相变传热有着表面传热系数高的优点，被广泛应用于换热器中，如回路热管等。

回路热管是由蒸发器、冷凝器和蒸汽-液体管线组成的换热器。在蒸发器中，液体工质被热源加热蒸发成蒸汽，通过上升管线，来到冷凝器；在冷凝器中，冷源使工质蒸气冷凝变成液体，通过下降管线，回到蒸发器，形成一个完整的循环回路。回路热管通过工质的相变，进行高效的换热，工质流动的驱动力由重力提供，在能保持冷热源温度差的情况下，不需要外界输入能量也能工作。

回路热管内会存在有少量从外部进入的不凝性气体(空气)，不凝性气体不会随着工质一同相变，因此在冷凝器中，不凝性气体会在管内壁形成额外的热阻，降低冷凝器的换热效率，进而降低回路热管的总换热效率，使之不能达到工作需求，在个别应用场合，有可能产生重大安全隐患，因此需要对回路热管内气体中不凝性气体的含量进行测量。

发明人发现，目前测量气液两相流体系内不凝性气体浓度，一般用蒸汽质量检测仪测量。蒸汽质量检测仪测量不凝性气体的原理是，将蒸汽通过支管引入一个容器中，在容器中将蒸汽冷凝，测量冷凝后的液体体积和气体体积，进而得出蒸汽中不凝性气体的浓度。

蒸汽质量检测仪主要适用于常压以上的系统，回路热管系统是一个封闭系统，加入工质时需要将系统内抽真空，当回路热管未投入使用时，系统内部为负压，无法使用蒸汽质量检测仪；蒸汽质量检测仪需要将系统内的工质部分抽出，对回路热管的气液分界面有所影响，进而影响换热性能；而且蒸汽质量检测仪无法实时测量不凝性气体浓度，在使用上并不方便。

而在空调制冷系统中，通常通过停机测量冷凝器出口温度的方法检测是否混入了不凝性气体。当与环境温度接近时，记录冷凝器内部压力，与环境温度下的饱和压力对比，若冷凝器内压力较高，则系统内有不凝性气体。这种方法从测量上来说较为粗糙，只能获得定性的结果，且同样无法在线测量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置及方法，利用温度传感器测量饱和蒸气温度，微处理器根据饱和蒸汽温度计算得到饱和蒸气压，并利用绝对压力传感器测得气液两相体系的总绝对压力值，微处理器可以根据总绝对压力值和饱和蒸气压计算获得不凝性气体的分压，并根据不凝性气体的分压计算得到不凝性气体的浓度，解决了现有气液两相体系内不凝性气体浓度的测量装置无法在线测量的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提出一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置，包括绝对压力传感器和温度传感器，绝对压力传感器和温度传感器均垂直管道壁插入管道内，二者的插入深度等于管道的半径长度；所述绝对压力传感器测得管道的总绝对压力，温度传感器测得管道内饱和蒸汽温度，绝对压力传感器和温度传感器均与微处理器连接，微处理器根据饱和蒸汽温度计算得到饱和蒸汽压，再根据管道的总绝对压力计算管道中的不凝性气体分压和不凝性气体浓度。

作为进一步的技术方案，所述微处理器利用温度传感器测得的数据和饱和蒸气压线来计算管道中工质的饱和蒸气压。

作为进一步的技术方案，所述绝对压力传感器和温度传感器沿管道径向的方向平行布置并紧密贴合。

作为进一步的技术方案，所述温度传感器位于靠近工质流体来流方向的一侧。

作为进一步的技术方案，所述管道侧部设置延伸管路，绝对压力传感器和温度传感器均设置于延伸管路内。

作为进一步的技术方案，所述绝对压力传感器和温度传感器均沿延伸管路的轴向设置。

作为进一步的技术方案，所述绝对压力传感器和温度传感器通过法兰固定于延伸管路的端部。

第二方面，本发明提出一种采用如上所述的在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置的测量方法，包括以下步骤：

根据温度传感器测得管道内饱和蒸汽温度T，计算得出管道的饱和压力Pvapor；

由绝对压力传感器测得管道的总绝对压力P0-管道的饱和压力Pvapor，得到不凝性气体的分压Pair，再计算得到不凝性气体的体积浓度C；

利用理想气体状态方程，就可以求出标准状态下，不凝性气体的分压Pa_std和标准状态下不凝性气体的体积浓度C＇；

以标准状态下不凝性气体分压作为设定值，将不凝性气体的分压Pair和设定值进行比较，若不凝性气体的分压Pair高于设定值，对管道进行维护。

作为进一步的技术方案，首先根据克拉柏龙-克劳修斯方程，利用饱和蒸汽温度T计算出饱和压力Pvapor，总绝对压力P0减去饱和压力Pvapor，得到不凝性气体的分压Pair；

然后利用道尔顿分压定律计算得到不凝性气体的体积浓度C为：

C＝Pair/P0*100％。

作为进一步的技术方案，根据饱和蒸汽温度T、不凝性气体的分压Pair，利用理想气体状态方程，得到标准状态下不凝性气体的分压Pa_std：

Pa_std＝(273.15+20)/(273.15+T)*Pair；

再利用道尔顿分压定律计算得到标准状态下不凝性气体的体积浓度C＇：

C＇＝Pa_std/P0*100％。

上述本发明的有益效果如下：

本发明利用温度传感器测量饱和蒸气温度，并利用绝对压力传感器测得气液两相体系的总绝对压力值，通过绝对压力传感器、温度传感器以及微处理器的共同配合，利用管道内蒸汽的总压力以及蒸汽温度即可计算出不凝性气体的分压及体积浓度，传感器的使用无需进行工质的抽取，可直接在管道或容器内在线进行测量，操作更加方便，且精度更高。

本发明绝对压力传感器和温度传感器均垂直管道壁插入管道内，插入深度为管道的半径，这样可以减小管道壁面对静压力和饱和蒸汽温度测量的影响，保证测得数据的准确性。

本发明绝对压力传感器和温度传感器沿管道径向的方向平行布置并紧密贴合，使得二者测得的数据尽可能为同一位置的数据，保证了数据的可靠性。

本发明将温度传感器安装在靠近工质流体来流方向的一侧，温度传感器比绝对压力传感器更靠近来流方向，使得温度传感器与工质流体间的换热系数尽可能大，能够避免绝对压力传感器的影响，使得温度传感器对流体温度的变化反应更加灵敏，进一步保证了所测数据的精度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置的整体结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、管道；2、绝对压力传感器；3、温度传感器；4、微处理器；5、法兰；6、数据线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，目前测量气液两相流体系内不凝性气体浓度的装置，由于回路热管系统在未投入使用时系统内部为负压，导致无法抽取工质，且强行抽取会对回路热管的气液分界面有所影响，无法在线测量，而对冷凝器出口温度进行测量的方法无法做到精确测量等问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置及方法。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种在线测量气液两相体系不凝性气体浓度的装置，能够用于管内流体为饱和蒸汽，且需要检测蒸汽内不凝性气体含量的场合，该装置包括：绝对压力传感器2、温度传感器3以及微处理器4。

其中，液相可以为任何液体，气相可以为任何不凝结性气体。

绝对压力传感器2和温度传感器3分别通过数据线6与微处理器4连接，从而将测得的数据传输通过数据线6传输到微处理器4中，微处理器4将所得数据进行处理计算。

其中，绝对压力传感器2主要用于测得管道或容器内布置测点位置处的静压，所测得的静压为管道或容器内的总绝对压力。

温度传感器3主要用于测得管道或容器内布置测点位置处的温度，所测得温度为管道或容器内饱和蒸汽温度，微处理器4可以根据接收到的饱和蒸汽温度计算得到蒸汽的饱和压力。

本实施例中，温度传感器3采用的是热电阻温度传感器，在其他实施例中也可以采用热电偶等其他类型的温度传感器，这里不做过多的限制。

绝对压力传感器2和温度传感器3均垂直管道壁插入管道1内，来测量管道内流体的静压力和饱和蒸汽温度，插入深度等于管道的半径长度，这样可以减小管道壁面对静压力和饱和蒸汽温度测量的影响，保证测得数据的准确性。

具体的，绝对压力传感器2和温度传感器3沿管道1径向的方向平行布置并紧密贴合，插入管道内后利用法兰5实现位置的固定，且温度传感器3位于靠近工质流体来流方向的一侧。

绝对压力传感器2和温度传感器3均与管道1内来流方向相垂直设置；具体设置时，可在管道1侧部设置延伸管路，绝对压力传感器、温度传感器设置于延伸管路内，且二者沿延伸管路的轴向设置，法兰固定于延伸管路的端部。绝对压力传感器、温度传感器由延伸管路延伸至管道1内一半直径的位置。

绝对压力传感器2和温度传感器3紧密贴合的设置使得二者测得的数据尽可能为同一位置的数据，保证了数据的可靠性；温度传感器3比绝对压力传感器2更靠近来流方向，使得温度传感器3与工质流体间的换热系数尽可能大，能够避免绝对压力传感器2的影响，使得温度传感器2对流体温度的变化反应更加灵敏，进一步保证了测得数据的精度。

可以理解的是，在其他实施例中，绝对压力传感器2和温度传感器3与管道之间还可以通过螺纹、焊接或沟槽等方式进行连接，只要能够实现传感器位置的固定即可，这里不做过多限制。

微处理器4主要用于接收来自绝对压力传感器2和温度传感器3传输的静压力和饱和蒸汽温度数据，并对所接收的数据进行处理并计算得到。

其中，微处理器4中储存有工质的饱和蒸气压曲线上的数据点，点与点之间的数据由线性计算得出，以此来得出工质的饱和蒸气压，且微处理器4还可以利用饱和蒸气压数据计算出分段线性的饱和蒸气压线，且微处理器4还可以修改储存在其中的饱和蒸气压数据。

微处理器4利用温度传感器3测得的数据和饱和蒸气压线来计算被测系统管道或容器中工质的饱和蒸气压。

进一步的，微处理器4可以利用绝对压力传感器2测得的数据和计算出的被测系统管道或容器中工质的饱和蒸气压，计算出被测系统管道或容器中的不凝性气体分压和不凝性气体浓度。

在本实施例中，微处理器4包括数字显示记录器，数字显示记录器主要用于将微处理器4的运算结果记录并对外呈现。

具体的，数字显示记录器可以显示时间、被测系统管道或容器中工质的温度、蒸气的总压力、饱和蒸气压、不凝性气体压力和不凝性气体的浓度；且可以记录、实时向外传输数据，也可以导出已储存的数据。

数字显示记录器也可以做为界面，修改微处理器4内的工质饱和蒸气压曲线以及相关显示和硬件的设置。

通过绝对压力传感器2、温度传感器3以及微处理器4的共同配合，利用管道1内蒸汽的总压力以及温度即可计算出不凝性气体的分压及体积浓度，传感器的使用无需进行工质的抽取，可直接在管道或容器内进行测量，操作更加方便，且精度更高。

实施例2

本申请的另一典型实施例中，提供了一种在线测量气液两相体系中不凝性气体浓度的方法，使用了实施例1所述的测量装置，具体如下：

在一个气液两相体系中，某一温度下，当液相不再发生蒸发时，气液两相体系达到相平衡，则称该体系达到了“饱和状态”，该状态下的压力为“饱和压力”。

因此，本实施例利用绝对压力传感器2对管道1或容器内工质的总绝对压力(以下简称总压力)进行测量，总压力P0由两部分组成：蒸气的饱和压力Pvapor和不凝性气体的分压Pair；温度传感器3的测量值为饱和蒸气温度T。

微处理器4可以利用绝对压力传感器2测得的总压力P0和温度传感器3测得的蒸气温度T来计算温度T下不凝性气体的分压Pair和不凝性气体的体积浓度C。

首先根据克拉柏龙-克劳修斯方程，利用饱和蒸汽温度T可以计算出饱和压力Pvapor，总压力P0减去饱和压力Pvapor，就可以得到不凝性气体的分压Pair；

然后利用道尔顿分压定律就可以计算得到不凝性气体的体积浓度C为：

C＝Pair/P0*100％ (1)

对于同一工质，不同温度下的饱和压力是不同的，即一个温度对应一个饱和压力。

另外，利用理想气体状态方程，就可以求出标准状态下，不凝性气体的分压Pa_std：

Pa_std＝(273.15+20)/(273.15+T)*Pair (2)

再利用道尔顿分压定律就可以计算得到标准状态下不凝性气体的体积浓度C＇：

C＇＝Pa_std/P0*100％ (3)

因不凝性气体越大，对两相回路系统换热的不利影响越强，为了确保两相回路换热性能，不凝性气体含量不能超过一定限值；

本方案，先通过实测压力和根据温度T计算得到水蒸汽的饱和压力计算得到实测不凝性气体的分压，再利用理想气体状态方程计算标准状态下不凝性气体分压，可以定量确定两相回路系统内不凝性气体的含量，以标准状态下不凝性气体分压作为设定值，再将两次得到的数据进行比较，由此，若不凝性气体含量低于设定值则不需进行操作和维护，若高于设定值，则需对管道进行抽真空等维护操作。

例如：对于空气-水系统，总压力P0为0.1MPa时，不同温度下的不凝性气体含量如下表1所示。

表1总压为0.1MPa时，空气-水系统在不同温度下的不凝性气体含量

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。