CN103940851A - 基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法，其特点是采用微波将流动湿蒸汽加热为过热蒸汽从而实现湿蒸汽湿度的测量。湿蒸汽探针主要由取样探头、微波加热段、微波源及控制电路、温度及压力传感器以及数据采集系统组成。取样探头对准湿蒸汽流动方向，实现等动能取样；微波源产生的微波通过同轴线传输到微波谐振腔内，谐振腔内流动湿蒸汽中的水分和蒸汽同时吸收微波能量而快速发热变为过热蒸汽；温度和压力传感器测量的数据由数据采集系统显示、处理和输出，从而实现对流动湿蒸汽湿度的测量。本发明适用于对各种流速的流动湿蒸汽的湿度进行测量，尤其适用于汽轮机内部湿蒸汽湿度的测量。

Description

基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法，具体涉及一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法。

背景技术

湿蒸汽作为一种工作介质广泛应用于各种工程实践特别是动力工程领域。例如在汽轮机中，流动湿蒸汽不仅引起机组的效率下降，还对汽缸和叶片造成水蚀。测量汽轮机中流动湿蒸汽的湿度(特别是排汽湿度)是汽轮机热力试验的重要内容，也是评价机组性能以及改进机组设计的重要依据。

汽轮机中流动湿蒸汽的测量方法中相对较为成熟的是热力法和光学法，其余方法大多处于理论或实验研究阶段。热力法不能测量流动湿蒸汽中水滴的粒径，但依据热平衡计算得到的湿度测量结果精度高，且测量装置不需要标定。光学法能兼顾湿度和水滴粒径的测量，但本质上其湿度是对流动湿蒸汽中数量巨大且尺寸差异悬殊的水滴进行统计的结果，一般认为其测量精度低于热力法。热力法和光学法各有优缺点，目前都在发展中。

各类热力法测量方法中最有发展前途的是加热法。目前公布的各种加热法湿度测量探针专利(如85103642，200410011148.1，200420012591.6，201310073920.1)，无一例外均采用了电加热的方式。采用电加热方式加热流动湿蒸汽只能凭借传导、对流和辐射三种热能的传播方式将热量由电加热体传递到蒸汽及蒸汽中携带的水滴；采用外加热方式时还需要首先加热蒸汽管体，再将热量传递到管体内的湿蒸汽中。采用电加热方式存在传热效率低、加热段长、产生热耗散和热惯性的环节多、加热量的精确测量困难以及加热元件易损坏等不足，从而不能准确地测量湿蒸汽的湿度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法，该探针及其测量方法可以准确地测量湿蒸汽的湿度。

为达到上述目的，本发明一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针包括支架、取样头、内管、外套管、后端盖、抽真空设备、微波功率计、微波源、同轴线、微波谐振腔及数据采集系统；

所述取样头焊接于支架上，内管的一端与取样头相连接，外套管的一端固定于支架上，外套管的另一端与后端盖密封连接，内管的另一端穿过后端盖并通过调节阀与抽真空设备相连接，内管与外套管之间填充有保温材料，微波功率计与微波源相连接，同轴线的外壁与内管的外壁相接触，同轴线的一端封闭，另一端与微波源相连接，同轴线与内管的接触面上开设有若干微波耦合孔，微波耦合孔内填充有密封填料，微波谐振腔设于内管内，微波经微波耦合孔进入到微波谐振腔内，微波谐振腔的入口处及出口处均安装有微波屏蔽罩，微波谐振腔的出口处安装有总压传感器及静压传感器，微波谐振腔管壁的外表面、取样头的入口处及微波谐振腔的出口处均设有若干片形温度传感器，数据采集系统的输入端通过数据传输线分别与总压传感器的输出端、静压传感器的输出端及片形温度传感器的输出端相连接。

所述密封填料为聚四氟乙烯。

所述微波耦合孔的数量为6个。

相应的，本发明所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量方法包括以下步骤：

待侧量的湿蒸汽经取样头进入到微波谐振腔内，微波源在微波谐振腔内产生微波，使湿蒸汽在微波谐振腔内加热为过热蒸汽，通过片形温度传感器测量微波谐振腔入口处湿蒸汽的静温t₁及出口处过热蒸汽的静温t₂，并通过总压传感器测量微波谐振腔出口端过热蒸汽的总压，同时通过静压传感器测量微波谐振腔出口端过热蒸汽的静压p₂，微波功率计测量蒸汽吸收微波产生的热量q；

微波谐振腔的能量平衡方程为：

$h_1+\frac{u_1^2}{2}+\frac{q}{m}=h_2+\frac{u_2^2}{2}+\frac{q_d}{m}---\left(1\right)$

式(1)中，q_d为蒸汽在微波谐振腔内散失掉的热量，u₁及u₂分别表示微波谐振腔的入口处及出口处蒸汽的流速，h₁及h₂分别表示微波谐振腔入口处及出口处蒸汽的焓值，m为微波谐振腔中蒸汽的流量，则由式(1)得

$h_1=h_2+\frac{u_2^2-u_1^2}{2}-\frac{q-q_d}{m}---\left(2\right)$

其中，过热蒸汽的焓h₂根据微波谐振腔出口处静压p₂及静温t₂得到，根据静压p₂及静温t₂得过热蒸汽的密度ρ₂，m=ρ₂u₂A₂，A₂为加热段出口的截面积；q_d=2πλL(t_i-t_o)/1n(d_o/d_i)，其中L为微波谐振腔的长度，d_o为保温材料形成的保温层的外径，d_i为保温材料形成的保温层的内径，t_i和t_o分别为保温层内、外径处的静温，λ为保温材料的导热系数；

由式(2)得h₁，根据h₁及t₁得微波谐振腔入口处湿蒸汽的湿度。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针及其测量方法采用微波对湿蒸汽进行加热，由于水分子为极性分子，在微波超高频电场作用下热量从湿蒸汽中的水滴与水蒸汽分子内部均匀产生，加热速度快，可以大大缩短加热段的长度，减少产生热耗散以及热惯性的环节；湿蒸汽中水滴的介电常数远大于蒸汽的介电常数，从而使微波对湿蒸汽加热具有选择性，在湿蒸汽变为干饱和蒸汽的加热阶段，水滴吸收绝大部分微波能量而发热汽化，对干饱和蒸汽继续加热则获得过热蒸汽，这一特性符合湿度探针中消除加热段壁面水膜沉积以及使水滴尤其是汽流中心的水滴迅速汽化的要求；另外，微波加热没有热惯性，微波源切断后，微波能量输入即为零，有利于加热量的准确测量；同时，微波谐振腔壁面对微波完全反射，微波能量完全限制于蒸汽流经的空间，可以减少热耗散，进一步提高加热量的测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为支架、2为微波源、3为数据采集系统、4为微波谐振腔、5为保温材料、6为片形温度传感器、7为微波耦合孔、8为同轴线、9为密封填料、10为螺钉、11为后端盖、12为微波功率计、13为调节阀、14为数据传输线、15为静压传感器、16为总压传感器、17为微波屏蔽罩、18为内管、19为外套管、20为螺纹、21为取样头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针包括支架1、取样头21、内管18、外套管19、后端盖11、抽真空设备、微波功率计12、微波源2、同轴线8、微波谐振腔4及数据采集系统3；

所述取样头21焊接于支架1上，内管18的一端与取样头21相连接，外套管19的一端固定于支架1上，外套管19的另一端与后端盖11密封连接，内管18的另一端穿过后端盖11并通过调节阀13与抽真空设备相连接，内管18与外套管19之间填充有保温材料5，微波功率计12与微波源2相连接，同轴线8的外壁与内管18的外壁相接触，同轴线8的一端封闭，另一端与微波源2相连接，同轴线8与内管18的接触面上开设有若干微波耦合孔7，微波耦合孔7内填充有密封填料9，微波谐振腔4设于内管18内，微波经微波耦合孔7进入到微波谐振腔4内，微波谐振腔4的入口处及出口处均安装有微波屏蔽罩17，微波谐振腔4的出口处安装有总压传感器16及静压传感器15，微波谐振腔4管壁的外表面、取样头21的入口处及微波谐振腔4的出口处均设有若干片形温度传感器6，数据采集系统3的输入端通过数据传输线14分别与总压传感器16的输出端、静压传感器15的输出端及片形温度传感器6的输出端相连接，密封填料9为聚四氟乙烯，微波耦合孔7的数量为6个，后端盖11通过螺钉10固定在外套管19上，内管18和外套管19通过螺纹20连接在支架1上。

相应的本发明所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量方法包括以下步骤：

待侧量的湿蒸汽经取样头21进入到微波谐振腔4内，微波源2在微波谐振腔4内产生微波，使湿蒸汽在微波谐振腔4内加热为过热蒸汽，通过片形温度传感器测量微波谐振腔4入口处湿蒸汽的静温t₁及出口处过热蒸汽的静温t₂，并通过总压传感器16测量微波谐振腔4出口端过热蒸汽的总压，同时通过静压传感器15测量微波谐振腔4出口端过热蒸汽的静压p₂，微波功率计12测量蒸汽吸收微波产生的热量q；

微波谐振腔4的能量平衡方程为：

$h_1+\frac{u_1^2}{2}+\frac{q}{m}=h_2+\frac{u_2^2}{2}+\frac{q_d}{m}---\left(1\right)$

式(1)中，q_d为蒸汽在微波谐振腔4内散失掉的热量，u₁及u₂分别表示微波谐振腔4的入口处及出口处蒸汽的流速，h₁及h₂分别表示微波谐振腔4入口处及出口处蒸汽的焓值，m为微波谐振腔4中蒸汽的流量，则由式(1)得

$h_1=h_2+\frac{u_2^2-u_1^2}{2}-\frac{q-q_d}{m}---\left(2\right)$

其中，过热蒸汽的焓h₂根据微波谐振腔4出口处静压p₂及静温t₂得到，根据静压p₂及静温t₂得过热蒸汽的密度ρ₂，u₁=u₂，m=ρ₂u₂A₂，A₂为加热段出口的截面积；q_d=2πλL(t_i-t_o)/1n(d_o/d_i)，其中L为微波谐振腔4的长度，d_o为保温材料5形成的保温层的外径，d_i为保温材料5形成的保温层的内径，t_i和t_o分别为保温层内、外径处的静温，λ为保温材料5的导热系数；

由式(2)得h₁，根据h₁及t₁得微波谐振腔4入口处湿蒸汽的湿度。

Claims (4)

1.一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，包括支架(1)、取样头(21)、内管(18)、外套管(19)、后端盖(11)、抽真空设备、微波功率计(12)、微波源(2)、同轴线(8)、微波谐振腔(4)及数据采集系统(3)；

所述取样头(21)焊接于支架(1)上，内管(18)的一端与取样头(21)相连接，外套管(19)的一端固定于支架(1)上，外套管(19)的另一端与后端盖(11)密封连接，内管(18)的另一端穿过后端盖(11)并通过调节阀(13)与抽真空设备相连接，内管(18)与外套管(19)之间填充有保温材料(5)，微波功率计(12)与微波源(2)相连接，同轴线(8)的外壁与内管(18)的外壁相接触，同轴线(8)的一端封闭，另一端与微波源(2)相连接，同轴线(8)与内管(18)的接触面上开设有若干微波耦合孔(7)，微波耦合孔(7)内填充有密封填料(9)，微波谐振腔(4)设于内管(18)内，微波经微波耦合孔(7)进入到微波谐振腔(4)内，微波谐振腔(4)的入口处及出口处均安装有微波屏蔽罩(17)，微波谐振腔(4)的出口处安装有总压传感器(16)及静压传感器(15)，微波谐振腔(4)管壁的外表面、取样头(21)的入口处及微波谐振腔(4)的出口处均设有若干片形温度传感器(6)，数据采集系统(3)的输入端通过数据传输线(14)分别与总压传感器(16)的输出端、静压传感器(15)的输出端及片形温度传感器(6)的输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，所述密封填料(9)为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，所述微波耦合孔(7)的数量为6个。

4.一种基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量方法，基于权利要求1所述的基于微波加热的流动湿蒸汽湿度测量探针，其特征在于，包括以下步骤：

待侧量的湿蒸汽经取样头(21)进入到微波谐振腔(4)内，微波源(2)在微波谐振腔(4)内产生微波，使湿蒸汽在微波谐振腔(4)内加热为过热蒸汽，通过片形温度传感器(6)测量微波谐振腔(4)入口处湿蒸汽的静温t₁及出口处过热蒸汽的静温t₂，并通过总压传感器(16)测量微波谐振腔(4)出口端过热蒸汽的总压，同时通过静压传感器(15)测量微波谐振腔(4)出口端过热蒸汽的静压p₂，微波功率计(12)测量蒸汽吸收微波产生的热量q；

微波谐振腔(4)的能量平衡方程为：

$h_1+\frac{u_1^2}{2}+\frac{q}{m}=h_2+\frac{u_2^2}{2}+\frac{q_d}{m}---\left(1\right)$

式(1)中，q_d为蒸汽在微波谐振腔(4)内散失掉的热量，u₁及u₂分别表示微波谐振腔(4)的入口处及出口处蒸汽的流速，h₁及h₂分别表示微波谐振腔(4)入口处及出口处蒸汽的焓值，m为微波谐振腔(4)中蒸汽的流量，则由式(1)得

$h_1=h_2+\frac{u_2^2-u_1^2}{2}-\frac{q-q_d}{m}---\left(2\right)$

其中，过热蒸汽的焓h₂根据微波谐振腔(4)出口处静压p₂及静温t₂得到，根据静压p₂及静温t₂得过热蒸汽的密度ρ₂，m=ρ₂u₂A₂，A₂为加热段出口的截面积；q_d=2πλL(t_i-t_o)/1n(d_o/d_i)，其中L为微波谐振腔(4)的长度，d_o为保温材料(5)形成的保温层的外径，d_i为保温材料(5)形成的保温层的内径，t_i和t_o分别为保温层内、外径处的静温，λ为保温材料(5)的导热系数；

由式(2)得h₁，根据h₁及t₁得微波谐振腔(4)入口处湿蒸汽的湿度。