CN105181027B - 管内气液两相逆向流动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明所涉及的管内气液两相逆向流动检测装置，因为排气管插入本体的侧面底部，本体的侧面与排气管的轴心同一高度处设置有压力式液位计，排气管与低位水箱连接，因此排气管内发生水倒流时水直接进入低位水箱，从而能够防止水进入供风部，低位水箱的顶部安装有压力计，侧面底部安装有压差液位计，因此在气液逆向流动工况下根据液位的增速精确测量倒流水的流量，检测部检测排气管内液体是否发生倒流，数据采集部采集气体温度、气体流量、压力、低位水箱内的液位增速和本体的液位，数据处理部基于预定规则得到防止液体倒流发生的临界排气速度和液体稳定倒流条件下管内气液两相逆流特性规律，使得本发明具有测量精确、成本低和运行安全可靠的优点。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流动领域，具体涉及一种管内气液两相逆向流动检测装置。
背景技术
在游艇等船舶中，柴油机常采用水下排气方式，因为采用水下排气可明显降低排气噪声和红外辐射，从而为游客提供安静的游乐环境。在此类柴油机启动、停机及空载运行时，因排气压力及流量降低，存在海水由排气管倒灌入柴油机内而造成柴油机严重损坏的风险。为了防止柴油机发生水倒灌事故，需研究水下排气管内气液两相逆向流动特性，也即管内气相流量与倒流液相流量之间的关系。
管内气液两相流动广泛存在于石油化工、蒸汽动力及船舶海洋工程等工业行业中，准确测定管内气、液两相各自的流量大小与相关装置的安全可靠高效工作密切相关。因气液两相流动时不具有稳定的相分界面，随含气率的不同，管内气液两相流动呈现出多种多样的流型。即便是在同一流型中，某一管截面上管内含气率总是处于幅度较大的变化之中。因而，尽管目前已有电导探针及射线等技术手段可对管内气液两相流含气率实现在线测量，但所得含气率结果的误差较大。
在气液两相同向流动的实验室实验中，为准确计量管内气液两相各自的流量，往往采用在实验管段后增设一气液分离装置，在离心力或重力作用下使得气相与液相分离，进而分别测定气相与液相流量。但这种方法不适用于气液两相逆向流动过程，如何在不影响气液逆向流动过程前提下准确计量液相倒流流量，是管内气液逆向流动特性实验研究亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够测量水下排气管内不发生水倒流时的临界排气速度，并且能够准确测量管内气液两相逆向流动特性的管内气液两相逆向流动检测装置。
本发明提供的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于，包括：供风部，包含：用于提供气体的风机、与排气管的一端连接用于输送气体的送风管、设置在送风管上用于测量气体的气体温度的第一温度计、设置在送风管上用于测量气体的气体流量的流量计和设置在送风管上用于测量气体的第一压力的第一压力计；供水部，用于提供液体；高位水箱，与排气管的另一端连接，包含：用于盛装液体的本体、设置在本体的顶部用于排出气体的出气口、设置在本体的顶部用于给本体注入液体的进水口以及安装在本体侧面的底部用于测量排气管的轴心到液体的液面之间的第一液位的压力式液位计；低位水箱，安装在排气管与送风管之间，用于测量倒流的液体流量并起到防止倒流的液体进入供风部的作用，低位水箱的顶部安装有用于测量低位水箱内第二压力的第二压力计，侧面底部安装有用于测量低位水箱内液体的第二液位的压差液位计；检测部，用于检测排气管内是否有液体流动；数据采集部，根据检测部检测的结果采集气体温度、气体流量、第一压力、第一液位、第二压力和第二液位；以及数据处理部，根据气体温度、气体流量、第一压力、排气管的内径、第二压力和第二液位的增速基于预定规则得到临界排气速度和液体倒流特性规律；其中，排气管的另一端插入本体侧面的底部，并且压力式液位计与排气管的轴心在同一高度上，供风部提供的气体通过排气管进入高位水箱，供水部提供的液体从进水口进入高位水箱内，从而形成气液两相逆流。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，排气管为透明玻璃管，用于观察排气管内是否有液相倒流发生以及液相倒流时气液两相逆向流动的状态，本体侧面的底部设置有透明观察窗，用于观察排气管的排气端处气液两相流动的状态。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，高位水箱还包括设置在本体的底部的第一排水口，用于排出本体内的液体。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，高位水箱还包括至少一个设置在本体侧面上的溢流管，溢流管使得本体内液体的液面维持在溢流管所在位置高度。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，风机为高压变频风机。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，供风部还包括：用于消除气流脉动影响的气体稳压箱和用于降低气体湍流度的整流格栅，气体稳压箱的一端与风机连接，另一端与送风管连接，整流格栅安装在送风管的进风口端管内。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，供水部上设置有第二温度计，用于测量供水部内液体的温度。
本发明的管内气液两相逆向流动检测装置还可以具有这样的特征：其中，低位水箱的底部设置有第二排水口，用于排出低位水箱内的液体。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的管内气液两相逆向流动检测装置，因为本体顶部设置有出气口和进水口，排气管的一端插入本体的侧面底部，本体的侧面底部与排气管的轴心同一高度处设置有压力式液位计，能够测量本体内液面的高度，排气管的另一端与低位水箱连接，因此倒流的水直接进入低位水箱，从而能够防止到流水进入供风部，低位水箱的顶部安装有第二压力计，用于测量低位水箱内的第二压力，侧面底部安装有压差液位计，用于测量低位水箱内液体的第二液位，因此在气液逆向流动工况下能够根据第二液位的增速间接测量到流水的流量，从而避免了直接称重造成的误差，送风管上设置有第一温度计、流量计和第一压力计，分别能够测量风机提供的气体的气体温度、气体流量和第一压力，进水口与供水部连接，供水部提供的液体通过进水口进入本体内，风机提供的气体通过排气管进入本体内，从而在排气管内形成气液逆向流动，检测部能够检测排气管内是否有液体倒流，数据采集部能够采集气体温度、气体流量、第一压力、第二压力、低位水箱内的液位增速和本体内的液位，数据处理部基于预定规则得到临界倒流时气体的临界排气速度和液体倒流特性规律，因此，本发明的管内气液两相逆向流动检测装置不仅能够得到临界倒流时气体的临界排气速度，而且能够准确测量气液逆向流动工况下倒流水的流量，并且具有测量精确、结构简单以及成本低的优点。
附图说明
图1是本发明的实施例中管内气液两相逆向流动检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的管内气液两相逆向流动检测装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中管内气液两相逆向流动检测装置的结构示意图。
如图1所示，管内气液两相逆向流动检测装置100用于测量排气管200内液体不发生倒流时气体的临界排气速度，而且还能够通过准确测量得到水下排气管内气液逆向流动特性，还能获得排气口水位深度变化对排气管防止水倒流临界气速及水倒流特性的影响，所得结果能够为安全又经济地选取柴油机空载时不发生倒灌的最低转速提供依据，还可为核电反应堆失水事故下的安全性分析提供参考。在本实施例中，排气管200为透明有机玻璃管，长度为2m，内径为130mm。
管内气液两相逆向流动检测装置100包含：供风部110、低位水箱120、排气管200、供水部140、高位水箱150、检测部(图中未显示)、数据采集部(图中未显示)以及数据处理部(图中未显示)。
供风部110包含：变频高压风机111、气体稳压箱112、整流格栅113、送风管114、第一温度计115、流量计116和第一压力计117。
变频高压风机111与气体稳压箱112的进口连接，以图1中的方向看，气体稳压箱112的出口与送风管114的左端连接，整流格栅113安装在送风管114左端的管内，第一温度计安装在气体稳压箱112上，用于测量气体稳压箱112内空气的温度，流量计116和第一压力计117依次安装在送风管114上，分别用来测量流量计处的空气流量和空气压力。
变频高压风机111将空气增压后送入气体稳压箱112，气体在气体稳压箱112内经膨胀降低速度以及绕隔板流动的阻尼效应后，消除了风机出口气流脉动对气体流量计116测量的不利影响。从气体稳压箱112出来的空气进入送风管114，首先通过整流格栅113降低空气的湍流度，然后从送风管114的右端进入低位水箱120。
以图1中的方向看，低位水箱120的进气口与送风管114的右端连接，低位水箱120的顶部安装有第二压力计122，第二压力计122用于对流量计116处排气流量进行压力修正从而获得排气管200内实际的气体容积流量。侧面底部安装有压差液位计123，用于测量低位水箱内液体的第二液位，从而在气液两相逆流工况稳定的情况下，得到低位水箱120内液体的液位随时间的增速，间接获得排气管200倒流到低位水箱120内的液体的流量。低位水箱120的底部设置有第二排水口124，用于在一个倒流实验工况结束后排出低位水箱120内的液体从而为下一倒流实验工况提供容水空间。在本实施例中，低位水箱120为直径为0.5m，高度为1.3m的圆柱形水箱。
以图1中的方向看，排气管200的左端与低位水箱120的出气口连接。
供水部140包含：水箱141、水泵142、第二温度计143和送水管144。
水箱141内盛装有液体，与水泵142的抽水口连接，水泵142出水口与送水管144的一端连接，水泵142用于从水箱141内抽取液体，第二温度计143设置在水箱141上，用于测量水箱141内液体的温度。
在本实施例中，水箱141的容水量1m3。
高位水箱150包含：本体151、排气口152、进水口153、压力式液位计154、三个溢流管155、第一排水口156以及透明观察窗157。
排气管200插入本体151侧面的底部，空气从排气管进入本体151内，出气口152和进水口153均设置在本体151的顶部，出气口152使得本体151内部与外界大气相通，进水口153与送水管144的另一端连接，用于将水泵142抽取的液体注入本体151内。
压力式液位计154设置在本体151的侧面底部，并且与排气管200的轴心在同一高度上，用于测量排气管200排气口处的实际水位静压。三个溢流管155a、155b和155c均设置在本体151侧面上，用于控制本体151内液面的高度。第一排水口156设置在本体151的底部，用于在实验结束后排出本体151内的液体，在实验时保持关闭状态。
在本实施例中，以地面为基准水平面，本体151的顶部距地面4.6m。三个溢流管155a、155b和155c与压力式液位计154的距离分别为1m、2m、3m。透明观察窗157的规格为0.6×0.6m的正方形。
透明观察窗157设置在本体151的侧面底部，通过透明观察窗157可以看到以排气管200的排气口。在气液逆向流动时用于观察排气管200排气口处气泡的形成和运动规律。
支架160用于支撑高位水箱150。
数据采集部用于采集第一温度计115、流量计116、第一压力计117、第二压力计122、压差液位计123、第二温度计143和压力式液位计154测量的数据。
检测部用于检测排气管200内是否有液体流过，在本实施例中，排气管200为透明有机玻璃管，使用者观察排气管200内是否有水倒流来获得防止水倒流发生的最小临界排气速度，来实现检测部的上述功能。
数据处理部根据第一温度计115、流量计116、第一压力计117、第二压力计122、压差液位计123、第二温度计143、排气管200的内径和压力式液位计154测量的数据基于预定规则得到排气管200内倒流发生临界气速，以及不同排气量对应的倒流水量，也即排气管200内的气液逆向流动特性规律。
本实施例中，高压变频风机111提供的气体为空气，水箱141提供的液体为水。本发明的管内气液两相逆向流动检测装置100的具体实施过程如下：
步骤1：开启变频高压风机111，关闭第一排水口156、第二排水口124，打开其中一个溢流管155a，关闭另外两个溢流管155b和155c，调节变频高压风机111到一定风量，使得本体151内有液体时不会在排气管200内发生倒流，同时确认排气口152无异物遮挡，能够与大气正常相通。然后进入步骤2。
步骤2：开启水泵142，向本体151内缓慢注入水，直至溢流管155a有水溢出。然后进入步骤3。
步骤3：逐渐减小变频高压风机111的排风量，观察排气管200内是否有水倒流发生，从而获得倒流发生的最小临界气速。在稳定工况下，测量排气管200内存在不同长度的滞留水时的实验数据，即数据采集部采集第一温度计115、流量计116、第一压力计117、第二压力计122、压差液位计123、第二温度计143和压力式液位计154测量的数据。然后进入步骤4。
步骤4：减小变频高压风机111的排风量至一定值，使得本体151内的水倒流到低位水箱120内，数据采集部在稳定工况下采集发生倒流时的流动特性参数。打开第二排水口124，放水至低位水箱120内水位至约0.1m左右，再关闭第二排水口124。然后进入步骤5。
步骤5：继续减小变频高压风机111的排风量，使得本体151内的水倒流到低位水箱120内，数据采集部在稳定工况下采集发生倒流时的流动特性参数。重复实验步骤4和5，完成某一高位水箱液位高度下的所有气液逆向流动特性实验，然后进入步骤6。
步骤6：通过溢流管155a、155b、155c的打开和关闭，更换本体151内的液面高度，然后按步骤4和5完成另一高位水箱液位高度下的所有气液逆向流动特性实验。依此类推，完成所有高位水箱液位高度下的气液逆向流动特性实验。
步骤7：使系统停机，先增大风机排风量使得排气管200内水不发生水倒流，再关闭水泵152，然后打开第一排水口156，排空本体151内的水，最后关闭高压变频风机111。
步骤8：数据处理部将数据采集部采集的数据基于一定规则得到某一管径排气管在不同排气口水位深度下不发生倒流的最小临界排气速度，以及排气管内气液两相逆向流动的规律。
在测量过程中应使低位水箱120内一直处于有水的状态，低位水箱120内的水可起到液封作用，避免高压空气从低位水箱120底部第二排水口124及其管道泄露。
经误差分析，本发明的管内气液两相逆向流动特性实验装置中对于排气管倒流水量和排气量测量结果的不确定度均在1％以内，测量精度远高于现有的探针及射线测量等方法。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的管内气液两相逆向流动检测装置，因为本体顶部设置有出气口和进水口，排气管的一端插入本体的侧面底部，本体的侧面底部与排气管的轴心同一高度处设置有压力式液位计，能够测量本体内液面的高度，排气管的另一端与低位水箱连接，因此倒流的水直接进入低位水箱，从而能够防止到流水进入供风部，低位水箱的顶部安装有第二压力计，用于测量低位水箱内的第二压力，侧面底部安装有压差液位计，用于测量低位水箱内液体的第二液位，因此在气液逆向流动工况下能够根据第二液位的增速间接测量到流水的流量，从而避免了直接称重造成的误差，送风管上设置有第一温度计、流量计和第一压力计，分别能够测量风机提供的气体的气体温度、气体流量和第一压力，进水口与供水部连接，供水部提供的液体通过进水口进入本体内，风机提供的气体通过排气管进入本体内，从而在排气管内形成气液逆向流动，检测部能够检测排气管内是否有液体倒流，数据采集部能够采集气体温度、气体流量、第一压力、第二压力、低位水箱内的液位增速和本体内的液位，数据处理部基于预定规则得到临界倒流时气体的临界排气速度，因此，本发明的管内气液两相逆向流动检测装置不仅能够得到临界倒流时气体的临界排气速度，而且能够准确测量气液逆向流动工况下倒流水的流量，并且具有测量精确、结构简单以及成本低的优点。
在本实施例中，因为本体的侧面设置有三个溢流管，所以能够测量不同液位下临界倒流时的最小排气速度和倒流特性规律。
在本实施例中，因为排气管为透明有机玻璃管，本体的侧面底部设置有观察窗，所以能够通过排气管观察到本体内的液体是否倒流，排气管内的滞留水的长度并且能够观察到排气管出气端的气泡的形成和运动规律。
在本实施例中，因为本体的底部设置有第一排水口，地位水箱的底部设置有第二排水口，所以在试验结束后能够分别排出高位水箱和地位水箱内的液体。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种管内气液两相逆向流动检测装置，用于测量水下排气管内液体不发生倒流时的临界排气速度和液体倒流条件下的管内气液两相逆向流动特性，其特征在于，包括：
供风部，包含：用于提供气体的风机、与所述排气管的一端连接用于输送所述气体的送风管、设置在所述送风管上用于测量所述气体的气体温度的第一温度计、设置在所述送风管上用于测量所述气体的气体流量的流量计和设置在所述送风管上用于测量所述气体的第一压力的第一压力计；
供水部，用于提供液体；
高位水箱，与所述排气管的另一端连接，包含：用于盛装所述液体的本体、设置在所述本体的顶部用于排出气体的出气口、设置在所述本体的顶部用于给所述本体注入所述液体的进水口以及安装在所述本体侧面的底部用于测量所述排气管的轴心到所述液体的液面之间的第一液位的压力式液位计；
低位水箱，安装在所述排气管与所述送风管之间，用于测量倒流的液体流量并起到防止倒流的液体进入所述供风部的作用，所述低位水箱的顶部安装有用于测量所述低位水箱内第二压力的第二压力计，侧面底部安装有用于测量所述低位水箱内液体的第二液位的压差液位计；
检测部，用于检测所述排气管内是否有液体流动；
数据采集部，根据所述检测部检测的结果采集所述气体温度、所述气体流量、所述第一压力、所述第一液位、所述第二压力和所述第二液位；以及
数据处理部，根据所述气体温度、所述气体流量、所述第一压力、所述排气管的内径、所述第二压力和所述第二液位的增速基于预定规则得到所述临界排气速度和液体倒流特性规律；
其中，所述排气管的另一端插入所述本体侧面的底部，并且所述压力式液位计与所述排气管的轴心在同一高度上，
所述供风部提供的气体通过所述排气管进入所述高位水箱，所述供水部提供的液体从所述进水口进入所述高位水箱内，从而形成气液两相逆流。
2.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于，
其中，所述排气管为透明玻璃管，用于观察所述排气管内是否有液相倒流发生以及液相倒流时气液两相逆向流动的状态，所述本体侧面的底部设置有透明观察窗，用于观察所述排气管的排气端处气液两相流动的状态。
3.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述高位水箱还包括设置在所述本体的底部的第一排水口，用于排出所述本体内的液体。
4.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述高位水箱还包括至少一个设置在所述本体侧面上的溢流管，所述溢流管使得所述本体内液体的液面维持在所述溢流管所在位置高度。
5.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述风机为高压变频风机。
6.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述供风部还包括：用于消除气流脉动影响的气体稳压箱和用于降低所述气体湍流度的整流格栅，所述气体稳压箱的一端与所述风机连接，另一端与所述送风管连接，所述整流格栅安装在所述送风管的进风口端管内。
7.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述供水部上设置有第二温度计，用于测量所述供水部内液体的温度。
8.根据权利要求1所述的管内气液两相逆向流动检测装置，其特征在于：
其中，所述低位水箱的底部设置有第二排水口，用于排出所述低位水箱内的液体。
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