CN111693559A - 气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置及测量方法，测量装置包括套管式冷凝器，所述套管式冷凝器与主气管连通，套管式冷凝器内部上方设置有汽液分离板，所述套管式冷凝器与冷却水管线连通，冷却水管线用于冷凝气相混合物中的蒸汽，冷却水管线的进水端设置有冷却水进口阀和第一温度测量计，冷却水管线的出水端设置有冷却水出口阀和第二温度测量计，套管式冷凝器的顶部和底部分别设置有不可凝气体排出管线和冷凝水排出管线，不可凝气体排出管线上设置有第二质量流量计，所述冷凝水排出管线上设置有第一质量流量计。本发明能够用于测量蒸汽混合物中的蒸汽、液滴与不可凝气体的流量测量，进而获得蒸汽混合物中的蒸汽浓度。

Description

气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及仪表测量领域，具体涉及气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置及测量方法。

背景技术

反应堆破口事故发生时，高温高压流体从破口处进入安全壳，上游液体迅速闪蒸形成大量蒸汽，并与安全壳内的空气混合，形成蒸汽与不可凝气体的气相混合物，同时在混合物中不可避免会存在液滴夹带。

为防止安全壳内压力和温度超过设计限值，需要对气相混合物中的蒸汽进行冷凝。不可凝气体对蒸汽冷凝特性影响很大，不可凝气体聚集在汽液界面附近，增加了冷凝传热热阻，会极大影响蒸汽冷凝的传热能力。

为研究不可凝气体浓度对于蒸汽冷凝特性的影响规律，为安全壳内蒸汽冷凝相关安全系统设计提供输入，需要获得蒸汽与空气混合物内的蒸汽与液滴浓度。

发明内容

本发明目的在于提供气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置及测量方法，用于测量蒸汽混合物中的蒸汽、液滴与不可凝气体的流量测量，进而获得蒸汽混合物中的蒸汽浓度。

本发明通过下述技术方案实现：

气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，包括套管式冷凝器，所述套管式冷凝器与主气管连通，所述主气管用于输送待测工质，所述套管式冷凝器内部上方设置有用于分离气相混合物中的液滴的汽液分离板，所述套管式冷凝器与冷却水管线连通，所述冷却水管线用于冷凝气相混合物中的蒸汽，所述冷却水管线的进水端设置有冷却水进口阀和第一温度测量计，所述冷却水管线的出水端设置有冷却水出口阀和第二温度测量计，所述套管式冷凝器的顶部和底部分别设置有不可凝气体排出管线和冷凝水排出管线，所述不可凝气体排出管线上设置有第二质量流量计，所述冷凝水排出管线上设置有第一质量流量计。

本发明的待测工质为蒸汽、液滴与不可凝气体的混合工质，所述第一质量流量计用于测量冷凝水的质量流量，所述第二质量流量计用于测量经冷凝除水后剩余不可凝气体的质量流量；所述冷却水管线为冷却水入口，经过冷却水进口阀连接套管式冷凝器的冷却水进口，在套管式冷凝器内吸收热量后，经过冷却水出口阀流出套管式冷凝器，所述套管式冷凝器能够将工质中的蒸汽全部冷凝，汽液分离板位于冷凝器内部上空间，将气体中的液滴进行分离，分离后的液滴因重力原因落在套管式冷凝器下部，并经排水孔流入冷凝水排出管线内。

本发明所述第一温度测量计和第二温度测量计分别用于冷却水进水端和出水端的温度，所述第一质量流量计和第二质量流量计分别用于测量冷凝水的质量流量和不可凝气体的质量流量。

综上，本发明将待测工质在套管式冷凝器内直接将不可凝气体分离，蒸汽冷凝后与液滴混合成冷凝水，并通过第二质量流量计测量不可凝气体的质量流量、第一温度测量计测量冷凝水的质量流量，通过获得冷却水的温度和均定压比热容的参数，通过能量守恒定律分别获取冷凝水中蒸汽的质量流量和液滴的质量流量，如此，本发明实现了测量蒸汽混合物中的蒸汽、液滴与不可凝气体的流量测量，进而获得蒸汽混合物中的蒸汽浓度。

进一步地，主气管上设置有主阀。

所述主阀起到连通与隔离作用。

进一步地，冷凝水排出管线上设置有疏水阀，所述疏水阀设置在第一质量流量计前端。

所述疏水阀能够将冷凝水导入冷凝水排出管线，所述前端是相对冷凝水的流向而言。

进一步地，还包括储水箱，所述储水箱设置在冷凝水排出管线的出口端下方，用于收集冷凝水，所述储水箱放置于在线称重计上，所述在线称重计与数据采集设备通信连接。

本发明通过在线称重计实时得到水箱内质量变化，并将数据传递到数据采集设备。

本发明通过在线称重计和第一质量流量计同时对冷凝水进行质量流量监测，最终采用二者的平均值作为冷凝水的质量流量，提高冷凝水的质量流量检测的准确度。

具体地：

利用第一质量流量计在线获得冷凝水质量流量ms1；利用在线称重计获得冷凝水质量随时间的变化曲线为M(t)，则冷凝水的质量流量ms2为：

ms2＝dM(t)/dt (1)

利用ms1和ms2得到冷凝水质量流量的平均值ms

ms＝average(ms1,ms2) (2)

进一步地，冷却水管线的进水端设置在套管式冷凝器底部远离主气管的一侧，所述冷却水管线的出水端设置在套管式冷凝器顶部靠近主气管的一侧。

进一步地，第一温度测量计和第二温度测量计均为温度传感器。

一种基于气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、待测工质通过主气管进入套管式冷凝器实现不可凝气体分离：气相混合物中的液滴通过汽液分离板，在重力作用下落在套管式冷凝器下部，气相混合物中的蒸汽在冷却水管线的冷却作用下冷凝，冷凝后与下落的液滴形成冷凝水进入冷凝水排出管线，不可凝气体进入不可凝气体排出管线；

S2、数据采集：通过第一质量流量计采集冷凝水的质量流量ms，通过第二质量流量计采集不可凝气体的质量流量ma，通过第一温度测量计和第二温度测量计分别测得冷却水管线中冷却水的入口温度tc1、出口温度tc2，同时获取冷却水的质量流量mc、平均定压比热容cp；

S3、计算气相混合物中不可凝气体、液滴和蒸汽的质量流量：

S31、不可凝气体质量流量ma由第二质量流量计直接测量；

S32、通过第一质量流量计采集的冷凝水的质量流量ms为液滴的质量流量md和蒸汽的质量流量为mv之和，由质量守恒得到：

ms＝mv+md (3)

S33、在套管式冷凝器内，蒸汽混合物中的蒸汽、液滴、不可凝气体均将热量传递给冷却水，根据能量守恒，得到：

mc*cp*(tc2-tc1)＝mv*Δh+ md*cp*(T0-T1)+ ma*cp*(T0-T1) (4)

式中，Δh为为蒸汽的汽化潜热，T0为蒸汽混合物的冷凝器入口温度，T1为不可凝气体出口端温度；

由方程(3)、(4)，可以得到蒸汽混合物中的蒸汽的质量流量为：

mv＝[mc*cp*(tc2-tc1)- ma*cp*(T0-T1)- ms*cp*(T0-T1)]/[Δh-cp*(T0-T1)] (5)

液滴流量为：

md＝ms-mv (6)。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明将待测工质在套管式冷凝器内直接将不可凝气体分离，蒸汽冷凝后与液滴混合成冷凝水，并通过第二质量流量计测量不可凝气体的质量流量、第一温度测量计测量冷凝水的质量流量，通过获得冷却水的温度和均定压比热容的参数，通过能量守恒定律分别获取冷凝水中蒸汽的质量流量和液滴的质量流量，如此，本发明实现了测量蒸汽混合物中的蒸汽、液滴与不可凝气体的流量测量，进而获得蒸汽混合物中的蒸汽浓度。

2、本发明可同时测量液滴、蒸汽与不可凝气体三者的流量，解决了蒸汽、液滴与不可凝气体混合物的流量测量问题，可以测量蒸汽混合物中的蒸汽浓度，为反应堆安全壳相关实验中蒸汽浓度测量提供了手段。

3、本发明的测量装置结构简单，且测量方法简单，可靠。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为蒸汽液滴质量流量分离测量装置的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-主气管，2-主阀，3-套管式冷凝器，4-疏水阀，5-第一质量流量计，6-储水箱，7-在线称重计，8-第二质量流量计，9-冷却水管线，10-冷却水进口阀，11-冷却水出口阀，12-数据采集设备，13-汽液分离板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，包括套管式冷凝器3，所述套管式冷凝器3与主气管1连通，所述主气管1上设置有主阀2，所述主气管1用于输送待测工质，所述套管式冷凝器3内部上方设置有用于分离气相混合物中的液滴的汽液分离板13，所述套管式冷凝器3与冷却水管线9连通，所述冷却水管线9的进水端设置在套管式冷凝器3底部远离主气管1的一侧，所述冷却水管线9的出水端设置在套管式冷凝器3顶部靠近主气管1的一侧，所述冷却水管线9用于冷凝气相混合物中的蒸汽，所述冷却水管线9的进水端设置有冷却水进口阀10和第一温度测量计，所述冷却水管线9的出水端设置有冷却水出口阀11和第二温度测量计，所述套管式冷凝器3的顶部和底部分别设置有不可凝气体排出管线和冷凝水排出管线，所述不可凝气体排出管线上设置有第二质量流量计8，所述冷凝水排出管线上设置有第一质量流量计5，所述第一温度测量计和第二温度测量计均为温度传感器，所述温度传感器实时测量的温度可以通过显示屏显示，也可直接通过无线通信模块传递给远程终端用于后续计算，在主气管1的入口处设置有用于测量气相混合物(蒸汽混合物温度的温度传感)，在不可凝气体排出管线上设置有用于测量不可凝气体温度传感器。

本实施例的测量方法包括以下步骤：

S1、待测工质通过主气管1进入套管式冷凝器3实现不可凝气体分离：气相混合物中的液滴通过汽液分离板13，在重力作用下落在套管式冷凝器3下部，气相混合物中的蒸汽在冷却水管线9的冷却作用下冷凝，冷凝后与下落的液滴形成冷凝水进入冷凝水排出管线，不可凝气体进入不可凝气体排出管线；

S2、数据采集：通过第一质量流量计5采集冷凝水的质量流量ms，通过第二质量流量计 8采集不可凝气体的质量流量ma，通过第一温度测量计和第二温度测量计分别测得冷却水管线9中冷却水的入口温度tc1、出口温度tc2，同时获取冷却水的质量流量mc、平均定压比热容cp；

S3、计算气相混合物中不可凝气体、液滴和蒸汽的质量流量：

S31、不可凝气体质量流量ma由第二质量流量计8直接测量；

S32、通过第一质量流量计5采集的冷凝水的质量流量ms为液滴的质量流量md和蒸汽的质量流量为mv之和，由质量守恒得到：

ms＝mv+md (3)

S33、在套管式冷凝器3内，蒸汽混合物中的蒸汽、液滴、不可凝气体均将热量传递给冷却水，根据能量守恒，得到：

mc*cp*(tc2-tc1)＝mv*Δh+ md*cp*(T0-T1)+ ma*cp*(T0-T1) (4)

式中，式中，Δh为为蒸汽的汽化潜热，T0为蒸汽混合物的冷凝器入口温度，T1为蒸汽混合物的冷凝器出口温度；

由方程(3)、(4)，可以得到蒸汽混合物中的蒸汽的质量流量为：

mv＝[mc*cp*(tc2-tc1)- ma*cp*(T0-T1)- ms*cp*(T0-T1)]/[Δh-cp*(T0-T1)] (5)

液滴流量为：

md＝ms-mv (6)。

实施例2：

如图1所示，本实施例基于实施例1，所述冷凝水排出管线上设置有疏水阀4，所述疏水阀4设置在第一质量流量计5前端；还包括储水箱6，所述储水箱6设置在冷凝水排出管线的出口端下方，用于收集冷凝水，所述储水箱6放置于在线称重计7上，所述在线称重计7与数据采集设备12通信连接。

本实施例的测量方法，包括以下步骤：

S1、待测工质通过主气管1进入套管式冷凝器3实现不可凝气体分离：气相混合物中的液滴通过汽液分离板13，在重力作用下落在套管式冷凝器3下部，气相混合物中的蒸汽在冷却水管线9的冷却作用下冷凝，冷凝后与下落的液滴形成冷凝水进入冷凝水排出管线，不可凝气体进入不可凝气体排出管线；

S2、数据采集：通过第一质量流量计5采集冷凝水的质量流量ms，且通过在线称重计7 实时采集储水箱6中冷凝水的质量流量，通过第二质量流量计8采集不可凝气体的质量流量 ma，通过第一温度测量计和第二温度测量计分别测得冷却水管线9中冷却水的入口温度tc1、出口温度tc2，同时获取冷却水的质量流量mc、平均定压比热容cp；

S3、计算气相混合物中不可凝气体、液滴和蒸汽的质量流量：

S31、不可凝气体质量流量ma由第二质量流量计8直接测量；

S32、利用第一质量流量计5在线获得冷凝水质量流量ms1；利用在线称重计7获得冷凝水质量随时间的变化曲线为M(t)，则冷凝水的质量流量ms2为：

ms2＝dM(t)/dt (1)

利用ms1和ms2得到冷凝水质量流量的平均值ms

ms＝average(ms1,ms2) (2)

冷凝水的质量流量ms为液滴的质量流量md和蒸汽的质量流量为mv之和，由质量守恒得到：

ms＝mv+md (3)

S33、在套管式冷凝器3内，蒸汽混合物中的蒸汽、液滴、不可凝气体均将热量传递给冷却水，根据能量守恒，得到：

mc*cp*(tc2-tc1)＝mv*Δh+ md*cp*(T0-T1)+ ma*cp*(T0-T1) (4)

式中，Δh为为蒸汽的汽化潜热，T0为蒸汽混合物的冷凝器入口温度，T1为不可凝气体出口端温度；

由方程(3)、(4)，可以得到蒸汽混合物中的蒸汽的质量流量为：

mv＝[mc*cp*(tc2-tc1)- ma*cp*(T0-T1)- ms*cp*(T0-T1)]/[Δh-cp*(T0-T1)] (5)

液滴流量为：

md＝ms-mv (6)。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，包括套管式冷凝器(3)，所述套管式冷凝器(3)与主气管(1)连通，所述主气管(1)用于输送待测工质，所述套管式冷凝器(3)内部上方设置有用于分离气相混合物中的液滴的汽液分离板(13)，所述套管式冷凝器(3)与冷却水管线(9)连通，所述冷却水管线(9)用于冷凝气相混合物中的蒸汽，所述冷却水管线(9)的进水端设置有冷却水进口阀(10)和第一温度测量计，所述冷却水管线(9)的出水端设置有冷却水出口阀(11)和第二温度测量计，所述套管式冷凝器(3)的顶部和底部分别设置有不可凝气体排出管线和冷凝水排出管线，所述不可凝气体排出管线上设置有第二质量流量计(8)，所述冷凝水排出管线上设置有第一质量流量计(5)。

2.根据权利要求1所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，所述主气管(1)上设置有主阀(2)。

3.根据权利要求1所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，所述冷凝水排出管线上设置有疏水阀(4)，所述疏水阀(4)设置在第一质量流量计(5)前端。

4.根据权利要求1所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，还包括储水箱(6)，所述储水箱(6)设置在冷凝水排出管线的出口端下方，用于收集冷凝水，所述储水箱(6)放置于在线称重计(7)上，所述在线称重计(7)与数据采集设备(12)通信连接。

5.根据权利要求1所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，所述冷却水管线(9)的进水端设置在套管式冷凝器(3)底部远离主气管(1)的一侧，所述冷却水管线(9)的出水端设置在套管式冷凝器(3)顶部靠近主气管(1)的一侧。

6.根据权利要求1-5任一项所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置，其特征在于，所述第一温度测量计和第二温度测量计均为温度传感器。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的气相混合物的蒸汽液滴质量流量分离测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、待测工质通过主气管(1)进入套管式冷凝器(3)实现不可凝气体分离：气相混合物中的液滴通过汽液分离板(13)，在重力作用下落在套管式冷凝器(3)下部，气相混合物中的蒸汽在冷却水管线(9)的冷却作用下冷凝，冷凝后与下落的液滴形成冷凝水进入冷凝水排出管线，不可凝气体进入不可凝气体排出管线；

S2、数据采集：通过第一质量流量计(5)采集冷凝水的质量流量ms，通过第二质量流量计(8)采集不可凝气体的质量流量ma，通过第一温度测量计和第二温度测量计分别测得冷却水管线(9)中冷却水的入口温度tc1、出口温度tc2，同时获取冷却水的质量流量mc、平均定压比热容cp；

S3、计算气相混合物中不可凝气体、液滴和蒸汽的质量流量：

S31、不可凝气体质量流量ma由第二质量流量计(8)直接测量；

S32、通过第一质量流量计(5)采集的冷凝水的质量流量ms为液滴的质量流量md和蒸汽的质量流量为mv之和，由质量守恒得到：

ms＝mv+md (3)

S33、在套管式冷凝器(3)内，蒸汽混合物中的蒸汽、液滴、不可凝气体均将热量传递给冷却水，根据能量守恒，得到：

式中，Δh为为蒸汽的汽化潜热，T0为蒸汽混合物的冷凝器入口温度，T1为不可凝气体出口端温度；

由方程(3)、(4)，可以得到蒸汽混合物中的蒸汽的质量流量为：

液滴流量为：

md＝ms-mv (6)。

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