CN101738230B - 低速热流体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种低速热流体流量计。包括沿流体流动方向设置在待测流体管道上的导热单元和流体温度检测单元，所述导热单元和流体温度检测单元水平安装在待测流体流过的管道中，并且导热单元设置在上游，流体温度检测单元设置在下游。本发明结构简单，检修方便，适合高温、高压、大管径、低流速流体的流量测量。本发明没有转动部件，运行可靠，且流动阻力非常小。本发明即可用于高温液体的流量测量，也可以用于高温气体的流量测量。

Description

低速热流体流量计

技术领域

本发明涉及的是一种流量计，特别是一种基于导热原理的低速热流体流量计。

背景技术

随着核能技术的日益成熟，尤其是非能动技术的发展，越来越多的中小型特种动力趋向于采用具有自然循环能力的核动力系统。在这种核动力系统中，反应堆不仅需要在额定功率工况下运行，也常常需要在低功率条件下运行，使冷却剂长时间处于低流速流动状态，这给流量测量带来很大困难，对反应堆的安全构成潜在威胁。

对于流量测量技术，世界各国根据实际需要，展开了广泛深入的研究，研制了种类繁多的流量测量仪表。对于具有高温、高压和强放射性特点的反应堆一回路系统而言，目前比较适合的流量测量仪表主要是节流式流量测量装置，但这类仪表的测量范围比较窄，尤其是在流速很低时会因压差过小而带来很大的误差，甚至无法测量。专利申请号为200710018047.0的专利文件中公开的“冷热式流量计及其测量方法”，提出了一种用于热流体流量测量的热式流量计，是利用导热杆的自然散热，通过测量流体温度、导热杆下端温度和导热杆上端温度来计算流体的流量。由于导热杆上端温度受到外部环境温度和换热条件的强烈影响，而外部自然环境温度和换热条件一般是不稳定的，具有多变性，使得该项测量技术很难测得一个稳定的流量，甚至失去流量测量功能。专利申请号为99256144.2、03820416.9等文件中公开的其他形式的热式流量计，都需要设置微型电加热器，一般适合于气体和微小流量测量，不适合水工质和大流量测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于高温、高压、低流速热流体流量测量的低速热流体流量计。

本发明的目的是这样实现的：

包括沿流体流动方向设置在待测流体管道上的导热单元和流体温度检测单元，所述导热单元和流体温度检测单元水平安装在待测流体流过的管道中，并且导热单元设置在上游，流体温度检测单元设置在下游。

所述的流量计流体温度检测单元为测量待测流体温度t_f的具有不锈钢护套的铠装热电偶，所述铠装热电偶插入深度至待测流体管道轴线。

所述的流量计导热单元由插入待测流体管道的感温柱、与感温柱相连的导热柱、与导热柱相连的集热片、与集热片相连的制冷式温度控制器、与制冷式温度控制器相连的散热器及风扇组成，感温柱和导热柱外包覆不锈钢包壳，在包壳和感温柱之间填充石墨，在包壳和导热柱之间填充绝热材料，在感温柱的前端和末端分别埋设一支用于测量对应位置的温度t_w1和t_w2的微细铠装热电偶。

所述的制冷式温度控制器由半导体制冷片和温度控制器组成，制冷片的制冷面与集热片紧密接触，排热面与冷却器底面紧密接触，温度控制器的控制信号取自t_w2，通过自动调节制冷片的制冷功率，使t_w2保持稳定低温。

本发明的感温柱、导热柱和集热片一般采用纯铜制成，也可以采用银、铝等其它热的良导体材料。三者之间可以是焊接连接，也可以是螺纹连接，或制成一体。

本发明的所述的感温柱与包壳之间填充石墨是为了适当减小传入感温柱的热量，又排出其中滞留的空气。导热柱和包壳之间填充绝热材料是为了阻隔管道壁和环境与导热柱之间的热量交换。

所述的导热单元和流体温度检测单元水平插入管道，流体横向绕流导热单元的感温柱和流体温度测量单元。由传热学知识可知，这时有下式成立：

$t_f-t_{w1}=\frac{t_f-t_{w2}}{\mathrm{ch}(\sqrt{4h/{\mathrm{\λ}}_{w}d}\·H)}---\left(1\right)$

其中， $h=C_1\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d}{\left(\frac{\mathrm{\ρud}}{\mathrm{\μ}}\right)}^n{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}---\left(2\right)$

由式(1)、式(2)联立求解，得到：

$u=C_2\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρd}}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_w{d}^2{\mathrm{arch}}^2\left(\frac{t_f-t_{w2}}{t_f-t_{w1}}\right)}{4{\mathrm{\λ}}_f{H}^2{\mathrm{Pr}}^{1/3}}\right)}^{1/n}---\left(3\right)$

于是可以得到流体的质量流量为：

$G=\mathrm{Au\ρ}=C_2\frac{{\mathrm{A\μ}}_f}{d}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_w{d}^2{\mathrm{arch}}^2\left(\frac{t_f-t_{w2}}{t_f-t_{w1}}\right)}{4{\mathrm{\λ}}_f{H}^2{\mathrm{Pr}}_f^{1/3}}\right)}^{1/n}---\left(4\right)$

式中，A为流道横截面积；μ_f为流体动力粘度；λ_w、λ_f分别为感温柱和流体的导热系数；h为感温柱外侧的绕流对流换热系数；Pr_f为流体的普朗特数；d为感温柱直径；H为感温柱长度，C₂、n为待定系数，需要通过实验获得。

由式(4)可知，由于d、H为预先确定的几何参数，μ_f、λ_w、λ_f、Pr_f等物性参数在流体温度确定时也是已知数，因此，只要测得流体温度t_f、感温柱前端温度t_w1和感温柱后端温度t_w2即可求得流体流量。为了提高测量精度和保持测量结果稳定，应尽量提高温差(t_f-t_w1)和(t_f-t_w2)并保持t_w2温度稳定，为此，在本发明中，导热柱的设计直径远大于感温柱直径，并将导热柱依次与集热片、制冷式温度控制器、散热器和风扇相联，使t_w2保持稳定低温状态，进而避免外部环境对流量测量的影响。

由是(1)、式(2)可知，随着流速u的降低，绕流对流换热系数h下降，相应的换热温差(t_f-t_w1)增加，进而使流速u的测量精度提高，因此本发明非常适合于低流速流量测量。

与现有流量计相比，本发明具有如下优点：

1、本发明结构简单，检修方便，适合高温、高压、大管径、低流速流体的流量测量。

2、本发明没有转动部件，运行可靠，且流动阻力非常小。

3、本发明即可用于高温液体的流量测量，也可以用于高温气体的流量测量。

附图说明

图1低速热流体流量计结构示意图(沿轴向旋转了90°)；

图2导热单元结构示意图；

图3制冷式温度控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1和2，一种基于导热原理的热流体流量计，主要适合于大管径通道中高温、高压、低流速流体的流量测量，包括待测流体管道1、沿流体流动方向分开设置的导热单元2和流体温度检测单元3。其中，流量计导热单元2的主体由插入待测流体管道1的感温柱6和依次相连的导热柱8、集热片9、制冷式温度控制器10、散热器11及风扇12组成，感温柱6和导热柱8外包覆不锈钢包壳4，在包壳4和感温柱6之间填充石墨5，在包壳4和导热柱8之间填充绝热材料7，在感温柱6的前端和末端分别埋设一支微细铠装热电偶测量相应位置的温度t_w1和t_w2。流量计流体温度检测单元3采用具有不锈钢护套的铠装热电偶测量待测流体温度t_f，铠装热电偶插入深度至管道1的轴线。

感温柱6、导热柱8和集热片9一般采用纯铜制成，也可以采用银、铝等其它热的良导体材料。三者之间可以是焊接连接，也可以是螺纹连接，或制成一体。感温柱6的直径为2～3mm，长度为20～30mm，感温柱6的长度即为导热单元2插入待测管道的深度。导热柱8的直径是感温柱6直径的2～3倍，长度视管道管壁厚度和管道保温层厚度决定。

制冷式温度控制器10由半导体制冷片13和温度控制器14组成。其中制冷片13的制冷面与集热片9紧密接触，排热面与冷却器11底面紧密接触，温度控制器14的控制信号取自t_w2，通过自动调节制冷片13的制冷功率，使t_w2保持稳定低温。

导热单元2和流体温度检测单元3采用焊接或螺纹连接的方式水平安装在待测流体流过的管道1中，并且导热单元2设置在上游，流体温度检测单元3设置在下游。测量时，流体横向绕流导热单元2的感温柱6和流体温度测量单元3，通过测量流体温度t_f、感温柱前端温度t_w1、感温柱末端温度t_w2，然后利用方程(4)即可计算得到流体的流量。

Claims (2)

1.一种低速热流体流量计，其特征是：包括沿流体流动方向设置在待测流体管道上的导热单元和流体温度检测单元，所述导热单元和流体温度检测单元水平安装在待测流体流过的管道中，并且导热单元设置在上游，流体温度检测单元设置在下游；

所述的流量计流体温度检测单元为测量待测流体温度t_f的具有不锈钢护套的铠装热电偶，所述铠装热电偶插入深度至待测流体管道轴线；

所述的流量计导热单元由插入待测流体管道的感温柱、与感温柱相连的导热柱、与导热柱相连的集热片、与集热片相连的制冷式温度控制器、与制冷式温度控制器相连的散热器及风扇组成，感温柱和导热柱外包覆不锈钢包壳，在包壳和感温柱之间填充石墨，在包壳和导热柱之间填充绝热材料，在感温柱的前端和末端分别埋设一支用于测量对应位置的温度t_w1和t_w2的微细铠装热电偶。

2.根据权利要求1所述的低速热流体流量计，其特征是：所述的制冷式温度控制器由半导体制冷片和温度控制器组成，制冷片的制冷面与集热片紧密接触，排热面与冷却器底面紧密接触，温度控制器的控制信号取自t_w2，通过自动调节制冷片的制冷功率，使t_w2保持稳定低温。

Images