CN113670396B - 一种气液两相流体干度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气液两相流体干度测量装置及方法，该装置包括：旋流器、测量管、示踪气泡单元、图像采集单元、差压变送器及工控机；旋流器安装在测量管内，用于使气液两相流体产生气液两相之间的分离力，液相贴着测量管的内壁流动形成液膜，气相在测量管中央流动形成气芯；示踪气泡单元用于向液膜内种植若干示踪气泡；差压变送器用于测量旋流器两端的压力差；图像采集单元用于采集测量管内的液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，工控机用于对图像进行分析，得到液膜的流速、流通面积及液膜流量，并根据液膜流量和压差值计算气相流量，最终确定干度值；本发明的测量过程具有可视化、实时性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于热控技术领域，具体涉及一种气液两相流体干度测量装置及方法。
背景技术
1965年，Gordon Moore提出了著名的“摩尔定律”，即集成电路上可容纳的晶体管数目每隔18个月便会增加一倍。随后大规模集成电路的飞速发展印证了这一定律。随着电路集成度的不断提高，电子芯片的冷却问题越来越突出。进入21世纪以来，集成电路芯片的热流密度已经上升到了100～1000W/cm2。电子芯片的有效散热方式已成为限制高功率器件大规模使用的核心问题之一，在能源动力、机械制造、材料化工、电气电信、航空航天、环境气象等应用领域起到关键性的作用。随着电子器件功率的提高，传统的单相换热冷却方法，无法在超高热流密度的情况下提供足够的冷却效果，而气液两相换热方式由于利用工质的汽化潜热因此具有换热能力强、温度均匀性好的特点成为高热流密度散热的有效手段。
气液两相流体是两种不同物理性质的流体共同流动而并非均匀混合的流体，两相之间具有明确的界面并且各相流速也不同。气液两相的相变传热过程受到很多因素的影响，其中一个重要的参数就是系统的干度，其定义为气相的质量流量占总质量流量的份额，或气相的质量流量与总流量的比值。干度的测量对于了解系统的工作状态以及研究两相换热的规律有重要影响。
现有的干度测量方法均存在不同程度的缺点，至今仍缺乏一种可以商用的干度测量仪表。如传统的分离法是将两相流体完全分离开后再对各相单独计量最终确定干度，该法在测量原理上稳定可靠，但是为了将两相流分离干净，通常需要体积庞大结构复杂的分离设备并且测量实时性差；基于电容电阻等电学方法的各种层析成像方法通过测量两相流截面含气率后构建截面含气率与干度的关系式来测量干度，该类方法测量敏感场为软场，受介质分布影响非常大，两相流特有的流型等变化会导致该法测量困难增大；而以伽马射线为主的各种辐射线测量方法虽在“软场”方面有所改善，但同样难以克服流型的影响且由于其测量源具有放射性危险对测量系统要求较高；由各种单相流量计发展起来的测量方法只适合于单参数测量，即只能通过流量计确定流量或干度中的一个参数，另一个参数需要通过其他方法来获得。这是由于流量计内的敏感元件对两相流的响应信号(比如差压)既与流量大小有关而且还与干度或含气率有关，仅根据响应信号(如差压)无法同时确定流量和干度值(或气相和液相流量)。虽然理论上通过两种流量计的组合(常称为组合法、耦合法或双参数测量，如中国专利201610599955.2)，由两个独立的响应信号可以联立求解得出流量和干度两个参数。但是在测量和求解过程中往往会出现误差叠加和发散问题，导致最终的测量结果误差过大甚至无解的情况发生。因此，若能通过某种方法独立测量出流量或干度(液相或气相流量)其中一个参数则单相流量计法仍不失为一种有效的测量技术。
影响两相流测量精度的另一个重要因素就是其流动的不稳定性和流型的多样性。由于气液两相流体在物理性质上存在巨大差异，导致其流动过程常伴随强烈的不稳定性，流型也随流动参数的变化而呈现出多样性。近年来管内相分隔技术有了快速的发展，可以把复杂多变的流型整合成统一的环状流，流动的稳定性也随之改善，这无疑有利于两相流的测量。如中国专利201710612802.1公开了一种基于管内相分隔技术的双差压两相流测量方法，利用相分隔后所形成的两种差压信号来测量两相流的流量和组分，与传统测量技术相比测量信号的稳定性和可靠性得到了明显改善，但在原理上仍属组合法，在一些范围内仍存在上述组合法的局限性。中国专利201710355279.9公开了一种基于相分隔和图像处理技术的两相流测量技术，在一定范围内取得了很好的效果。该发明的不足之处在于，仅利用两相流在相分隔过程中自然形成的微小气泡作为示踪粒子来完成测量，而缺乏一种能够对气泡尺寸和数量进行有效控制和调节的手段，特别是对于单组分流体所形成的气液两相流，气相和液相处于饱和状态，两相均容易发生相变，气泡尺寸对于相变和相平衡具有很大的影响，半径愈小，气泡就愈容易发生凝结而消失在液相中。因而通过气液混合作用而形成的微小气泡难以在饱和液相中生存，无法在液膜中形成可靠的示踪气泡，影响正常的测量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种气液两相流体干度测量装置及方法，用于测量气液两相流体回路中的干度，在管内相分隔技术的基础上，采用示踪气泡种植和调控方法，确保液膜内始终存在尺寸和数量合适的微小示踪气泡，从而通过数字图像测量技术直接测量出液相流量，然后通过差压法测量气相流量，最终实现干度的精确测定；测量过程具有可视化、实时性好的特点。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种气液两相流体干度测量装置，包括：旋流器、测量管、示踪气泡单元、图像采集单元、差压变送器及工控机；
所述旋流器安装在测量管的入口端内部，用于使气液两相流体发生螺旋形旋转流动，产生气液两相之间的分离力，从而使液相在离心力作用下向测量管的管壁移动，而气相则聚集在测量管的管道中心区域，最终形成一种相对均匀对称的气芯-液环流，即由于气液密度差异，液相贴着测量管的内壁流动形成液膜，气相在测量管中央流动形成气芯；
所述示踪气泡单元用于向所述液膜内种植若干示踪气泡；
所述差压变送器分别通过第一取压孔与两相分离前的测量管连接，通过第二取压孔与两相分离后的测量管连接，用于测量旋流器两端的压力差；
所述图像采集单元用于采集测量管内的液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，并将采集到的图像发送给工控机，工控机用于对所述图像进行分析，得到液膜的流速和流通面积并计算得到液膜流量，并根据液膜流量和所测量的压差值计算气相流量的大小，最终确定干度值。
进一步的，所述测量管内设有内径变小的喉径段，该喉径段作为加速喷嘴；所述加速喷嘴位于旋流器的下游端，所述气液两相流体经过旋流器后形成的液膜在所述加速喷嘴处提高流速。
进一步的，所述示踪气泡单元包括：引气管、过滤器、气体加热器、气体质量流量控制器及种植管；
所述旋流器的中心轴为中空结构，所述中心轴上加工有进气口，进气口与中心轴的内腔相通；
所述测量管的加速喷嘴处的壁面内加工有沿其圆周设置的环室及两个以上沿其圆周均匀分布的径向孔，该径向孔为种植小孔，每个所述种植小孔的一端均与所述环室相通，另一端均与所述测量管的内腔相通；
所述引气管的一端与旋流器的中心轴的内腔相通，另一端与所述气体质量流量控制器的进气端连接，所述引气管内安装有过滤器和气体加热器；所述种植管的一端与所述气体质量流量控制器的出气端连接，种植管的另一端与所述测量管内的环室相通；所述引气管将旋流器的中心轴的内腔内的气体引出，该引出的气体作为示踪气体，该示踪气体通过种植小孔生成示踪气泡，将所述示踪气泡种植在所述测量管的加速喷嘴处的液膜中，示踪气泡与液膜的流速相同，起到示踪粒子的作用。
进一步的，所述示踪气泡单元还包括液膜加热器，所述液膜加热器设置在测量管的加速喷嘴处的壁面内，用于对加速喷嘴处的液膜进行加热。
进一步的，所述气体加热器、气体质量流量控制器均与工控机连接，通过工控机控制气体加热器对示踪气体的加热温度，通过工控机控制气体质量流量控制器对示踪气体的流量调节。
进一步的，所述测量装置还包括压力变送器；
所述压力变送器通过第一取压孔与两相分离前的测量管连接，用于测量进入旋流器的气液两相流体的压力，进而得到该压力对应的气液两相流体的液相密度ρf和气相密度ρg。
进一步的，所述测量装置还包括光源，所述光源用于为图像采集单元提供照明；
所述图像采集单元采用相机，所述光源包括背光源和侧光源；
所述相机、背光源和侧光源分别安装在测量管内的气液两相流体分离后处的外部，背光源和侧光源分别设置在测量管的两相对侧，且背光源与图像采集单元相对，侧光源位于相机的侧面；背光源和侧光源发出的光均为平行光束，分别用于为相机的图像采集提供照明光源；相机在背光源和侧光源的配合下自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像。
一种气液两相流体干度测量方法，所述测量方法的具体步骤如下：
第一步，气液两相流体进入到测量管内，旋流器将处于旋流状态的气液两相流体转变成两束在测量管内并行流动的单相流体，即液相贴着测量管的内壁流动形成液膜，气相在测量管中央流动形成气芯；
第二步，在测量管的加速喷嘴处的液膜中种植示踪气泡，具体如下：打开示踪气泡单元内的气体质量流量控制器，旋流器的中心轴内的气体进入到引气管中，该气体作为示踪气体经过过滤器的净化和气体加热器的升温后达到设定的过热度后，通过种植管进入到环室中，最后通过种植小孔排出，排出的示踪气体在液膜的剪切和混合作用下形成气泡并被种植在测量管的加速喷嘴处的液膜内，该气泡会迅速达到液膜的流速，形成稳定的示踪气泡；此时示踪气泡的运动速度即代表液膜的流动速度；
第三步，测量液膜的流量：图像采集单元自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，工控机根据所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像分别计算出液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf，计算公式如下：
式中，D为测量管的内径，d为气芯直径；
式中，Lf为示踪气泡在曝光时间内所形成的运动轨迹的长度，t为曝光时间，β为示踪气泡的运动轨迹的倾角；
进而工控机根据所述液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf可计算出液膜的流量Mf，计算公式如下：
Mf＝Af×Vf×ρf
式中，ρf为液相密度；
第四步，确定气相流量：通过差压变送器测量得到气液两相流体在分离前后的压差ΔP，根据差压流量模型计算出气相流量Mg，计算公式如下：
式中，α为流量系数，A为测量管的流通面积，ρg为气相密度，θ为气液两相流体系数；
第五步，确定干度：工控机根据干度的定义就可以精确地确定气液两相流体的干度x，干度x的计算公式如下：
进一步的，在测量管的加速喷嘴处的壁面内设有液膜加热器，对加速喷嘴处的液膜进行加热。
进一步的，所述示踪气泡的直径为10-50微米，示踪气泡的直径可通过气体质量流量控制器、气体加热器、种植小孔、液膜加热器及加速喷嘴来调节；当需要减小示踪气泡的直径时，可以通过气体质量流量控制器减小示踪气体的流量，通过气体加热器和液膜加热器提高示踪气体和液膜的过热度、减小种植小孔的直径及通过加速喷嘴提高液膜的流速来实现；反之可以增大示踪气泡的直径。
有益效果：
(1)本发明利用旋流器实现气液两相分隔，两相流体依然同时在同一个管道内流动，这样既获得了两相分开的特有效果，又不需要体积庞大的分离设备；这种流动形态在很大程度上改善了流动的不稳定性和流型的多样性，使两相流在管道内可保持有“秩序”的流动，极大地方便了两相流各个参数的测量，显著改善了各个传感器响应信号的稳定性可靠性和测量精度，具有测量准确，响应速度快的特点，且能够在很宽的干度范围内达到比较高的测量精度，提高了测试的实时性。
(2)本发明的示踪气泡单元能够有效控制和调节示踪气泡的尺寸和数量，特别是对于单组分流体所形成的气液两相流体，还能够通过净化和温度控制以及种植结构参数调节等手段改善气泡的相平衡条件，确保所种植的示踪气泡能在液膜内稳定生存，同时，示踪气泡取自两相流中的气体本身，不需向系统中掺入任何物料，不污染被测流体和系统。
(3)本发明通过图像采集单元直接独立地测量并计算液相流量，在此基础上再采用差压法测量气相流量，避免了双参数测量中因联立求解过程中所造成的误差叠加和发散问题，目前的差压传感器，技术上成熟，成本低，反应灵敏，测量精度高。
(4)本发明的气液两相在两相分离状态下，两相分离力起主导作用，重力及表面张力影响很小，因而，本发明既可以用于地面测量即重力环境、也可以用于在轨微重力条件下测量，既可以用于同一组份形成的两相流测量也可以用于气液为不同组份的两相流的测量。
(5)本发明通过过滤器对示踪气体进行净化、通过气体质量流量控制器对示踪气体进行加热、通过液膜加热器对加速喷嘴处的液膜进行加热，能够保障示踪气泡内蒸汽的纯洁性及过热性，有利于的示踪气泡的生存。
附图说明
图1为本发明装置的结构组成图；
图2为本发明的液膜流速测量原理图；
图3为本发明的液膜流通面积测量原理图像；
其中，1-相机，2-背光源，3-侧光源，4-旋流器，5-压力变送器，6-差压变送器，7-第一取压孔，8-工控机，9-测量管，10-第二取压孔，20-示踪气泡单元，21-引气管，22-过滤器，23-气体加热器，24-气体质量流量控制器，25-种植小孔，26-加速喷嘴，27-液膜加热器，28-中心轴，29-进气口，30-环室。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种气液两相流体干度测量装置，参见附图1，包括：旋流器4、测量管9、示踪气泡单元20、图像采集单元、压力变送器5、差压变送器6、工控机8及光源；
所述测量管9的出口端设有内径变小的喉径段，该喉径段作为加速喷嘴26；
所述旋流器4安装在测量管9的入口端内部，即位于测量管9的加速喷嘴26的上游端，用于使气液两相流体发生螺旋形旋转流动，产生气液两相之间的分离力，从而使液相在离心力作用下向测量管9的管壁移动，而气相则聚集在测量管9的管道中心区域，最终形成一种相对均匀对称的气芯-液环流，即由于气液密度差异，液相贴着测量管9的内壁流动形成液膜，气相在测量管9中央流动形成气芯；其中，液膜在所述加速喷嘴26处会提高流速；
所述示踪气泡单元20用于向位于测量管9的加速喷嘴26处的液膜内种植若干示踪气泡，并确保所种植的示踪气泡能在液膜内稳定生存；所述液膜在与示踪气体相遇前先流经加速喷嘴26提高流速，以便更好地与示踪气体发生剪切作用生成尺寸最合适的示踪气泡；
所述压力变送器5通过第一取压孔7与两相分离前的测量管9连接，用于测量进入旋流器4的气液两相流体的压力，进而得到该压力对应的气液两相流体的液相密度ρf和气相密度ρg；
所述差压变送器6分别通过第一取压孔7与两相分离前的测量管9连接，通过第二取压孔10与两相分离后的测量管9连接，用于测量旋流器4两端的压力差；
所述图像采集单元用于采集测量管9内的液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，并将采集到的图像发送给工控机8，工控机8用于对所述图像进行分析，得到液膜的流速和流通面积并计算得到液膜的流量，并根据液膜的流量和所测量的压差值计算气相流量的大小，最终确定干度值；
所述光源用于为图像采集单元提供照明；
其中，所述示踪气泡单元20包括：引气管21、过滤器22、气体加热器23、气体质量流量控制器24、种植管及液膜加热器27；
所述旋流器4的中心轴28为中空结构，所述中心轴28上加工有进气口29，进气口29与中心轴28的内腔相通；由于进入旋流器4的气液两相流体本身为旋流，因此，旋流器4保持不动，气液两相流体发生螺旋形旋转流动，由于气液两相流体的离心力的作用，旋流器4的中心轴28周围没有液体存在，因此可以保证通过进气口29进入旋流器4的中心轴28的内腔的气体基本不含液体；
所述液膜加热器27设置在测量管9的加速喷嘴26处的壁面内，用于对加速喷嘴26处的液膜进行加热；
所述测量管9的加速喷嘴26处的壁面内加工有沿其圆周设置的环室30及两个以上沿其圆周均匀分布的径向孔，该径向孔为种植小孔25，每个所述种植小孔25的一端均与所述环室30相通，另一端均与所述测量管9的内腔相通；所述种植小孔25的个数为2-4个；
所述引气管21的一端与旋流器4的中心轴28的内腔相通，另一端与所述气体质量流量控制器24的进气端连接，所述引气管21内安装有过滤器22和气体加热器23，所述气体加热器23相比于过滤器22更靠近气体质量流量控制器24；所述种植管的一端与所述气体质量流量控制器24的出气端连接，种植管的另一端与所述测量管9内的环室30相通；所述引气管21将旋流器4的中心轴28的内腔内的气体引出，该引出的气体作为示踪气体，该示踪气体通过种植小孔25生成示踪气泡，将所述示踪气泡种植在所述测量管9的加速喷嘴26处的液膜中，由于示踪气泡的惯性非常小，能够很快达到与液膜一致的流速，起到示踪粒子的作用；其中，所述气体加热器23、气体质量流量控制器24均与工控机8连接，通过工控机8控制气体加热器23对示踪气体的加热温度，通过工控机8控制气体质量流量控制器24对示踪气体的流量调节；
所述图像采集单元采用相机1，所述光源包括背光源2和侧光源3；
所述相机1、背光源2和侧光源3分别安装在测量管9内的气液两相流体分离后处的外部，背光源2和侧光源3分别设置在测量管9的两相对侧，且背光源2与图像采集单元相对，侧光源3位于相机1的侧面；背光源2和侧光源3发出的光均为平行光束，分别用于为相机1的图像采集提供照明光源；相机1在背光源2和侧光源3的配合下自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像。
实施例2：
基于上述测量装置的一种气液两相流体干度测量方法，具体步骤如下：
第一步，处于旋流状态的气液两相流体进入到测量管9内，测量管9内固定不动的旋流器4将处于旋流状态的气液两相流体转变成两束在测量管9内并行流动的单相流体，即液相贴着测量管9的内壁流动形成液膜，气相在测量管9中央流动形成气芯；
第二步，在测量管9的加速喷嘴26处的液膜中种植示踪气泡，具体如下：打开示踪气泡单元20内的气体质量流量控制器24，旋流器4的中心轴28内的微量气体进入到引气管21中，该气体作为示踪气体经过过滤器22的净化和气体加热器23的升温后达到设定的过热度(相对于其饱和温度)后，通过种植管进入到环室30中，最后通过种植小孔25排出，排出的示踪气体在液膜的剪切和混合作用下形成气泡并被种植在测量管9的加速喷嘴26处的液膜内，该气泡继续随液膜流动一段距离，由于液膜仍处于旋转流动状态中，一些尺寸过大的气泡会在离心加速度的作用下被排挤到气芯中，而尺寸过小的气泡会凝结消失，只有尺寸合适的气泡才能留在液膜中，由于气泡的惯性极小，留下的气泡会迅速达到液膜的流速，实现对液膜流动的示踪，形成稳定的示踪气泡；此时示踪气泡的运动速度即代表液膜的流动速度；与此同时，测量管9的加速喷嘴26处的液膜加热器27可以进一步调节液膜的温度，进一步改善示踪气泡的相平衡条件，保障示踪气泡在液膜内的稳定生存；
其中，示踪气泡在液膜内的稳定生存的条件如下：
根据气泡动力学原理，当气泡内的气体压力Pg、气泡周围液体的压力Pf、气液界面的表面张力σ及气泡半径r符合公式(1)时，气泡可在液体内稳定生存；
从上式可以看出，气泡内的气体压力要高于气泡周围液体的压力，气泡的半径愈小两者的差值就越大；如果气液两相流体是由两种不同组分的流体所形成，气体和液体都远离相变点，例如由氮气和水形成的氮气-水两相流，气液之间不存在相变问题，那么理论上各种尺寸的气泡都有可能在液体中生存；但是对于由单组分流体所形成的气液两相流体，如空调系统中的氟利昂经吸热蒸发后所形成的氟利昂-蒸汽两相流，气体和液体处于饱和状态(此时气体通常称为蒸汽)，两相皆容易发生相变；根据式(1)，气泡内的蒸汽压力实际上高于其周围液体的压力，如果流体的温度仍为饱和温度，则气泡内的蒸汽实际上处于过冷状态；根据相平衡原理，此时气泡会发生凝结而消失在液体中，因此，气泡的半径越小就越难在液体中生存，因此欲保证微小气泡能在液体中稳定生存就需要进一步升温，让液体具有一定的过热度；当过热后的蒸汽和液体的温度Tg满足公式(2)时，气泡可进一步在液体内稳定生存；
式中，Tsat为饱和温度，R为气体常数，Hfg为汽化潜热，M为摩尔质量；
由于对于微小示踪气泡来说，公式(2)过于苛刻，加热能耗不容忽视；因此在本发明中并不追求严格满足公式(2)，仅将其作为调节时的一个参考，只满足公式(1)即可，根据蒸汽凝结机理，只要能对气体进行很好的净化，消除气体中的微小颗粒和液滴，避免它们成为凝结核心，也能减缓气体的相变速度，即使过热度不完全满足式(2)，气泡也可能在液体中存活足够长的时间；
与气相总流量相比，所述示踪气体的流量十分微小，每秒只需数个直径10-50微米的小气泡，因而对气相和液相流量的测量几乎没有影响；因此，示踪气泡的直径一般选择为10-50微米，示踪气泡的直径可通过气体质量流量控制器24、气体加热器23、种植小孔25、液膜加热器27及加速喷嘴26来调节；当需要减小示踪气泡的直径时，可以通过气体质量流量控制器24减小示踪气体的流量，通过气体加热器23和液膜加热器27提高示踪气体和液膜的过热度、减小种植小孔25的直径及通过加速喷嘴26提高液膜的流速来实现；反之可以增大示踪气泡的直径；同时，通过气体质量流量控制器24增大示踪气体的流量时，可以增加示踪气泡的数量，反之可以减小示踪气泡的数量；
第三步，测量液膜的流量：分别打开背光源2和侧光源3进行照明，相机1自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，工控机8根据所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像及预设的数字图像技术可分别计算出液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf，计算公式如下：
式中，参见附图3，D为测量管9的内径，d为气芯直径；
式中，Lf为示踪气泡在曝光时间内所形成的运动轨迹的长度，t为曝光时间，参见附图2，β为示踪气泡的运动轨迹的倾角；
进而工控机8根据所述液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf可计算出液膜的流量Mf，计算公式如下：
Mf＝Af×Vf×ρf (5)
式中，ρf为液相密度；
第四步，确定气相流量：通过差压变送器6测量得到气液两相流体在分离前后的压差ΔP；当液膜的流量Mf确定后，此时，差压变送器6所测得的差压ΔP就仅与气相流量的大小有关，因而根据差压流量模型就能够精确计算出气相流量Mg，计算公式如下：
式中，α为流量系数，A为测量管9的流通面积，ρg为气相密度，θ为气液两相流体系数，其中，θ为标定实验确定，ρg、ρf、α及θ均预设在工控机8内，在工控机8测量计算过程中自动取值；
第五步，确定干度：工控机8根据干度的定义就可以精确地确定气液两相流体的干度x，干度x的计算公式如下：
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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。
Claims (10)
1.一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，包括：旋流器(4)、测量管(9)、示踪气泡单元(20)、图像采集单元、差压变送器(6)及工控机(8)；
所述旋流器(4)安装在测量管(9)的入口端内部，用于使气液两相流体发生螺旋形旋转流动，产生气液两相之间的分离力，从而使液相在离心力作用下向测量管(9)的管壁移动，而气相则聚集在测量管(9)的管道中心区域，最终形成一种相对均匀对称的气芯-液环流，即由于气液密度差异，液相贴着测量管(9)的内壁流动形成液膜，气相在测量管(9)中央流动形成气芯；
所述示踪气泡单元(20)用于向所述液膜内种植若干示踪气泡；
所述差压变送器(6)分别通过第一取压孔(7)与两相分离前的测量管(9)连接，通过第二取压孔(10)与两相分离后的测量管(9)连接，用于测量旋流器(4)两端的压力差；
所述图像采集单元用于采集测量管(9)内的液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，并将采集到的图像发送给工控机(8)，工控机(8)用于对所述图像进行分析，得到液膜的流速和流通面积并计算得到液膜流量，并根据液膜流量和所测量的压差值计算气相流量的大小，最终确定干度值。
2.如权利要求1所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述测量管(9)内设有内径变小的喉径段，该喉径段作为加速喷嘴(26)；所述加速喷嘴(26)位于旋流器(4)的下游端，所述气液两相流体经过旋流器(4)后形成的液膜在所述加速喷嘴(26)处提高流速。
3.如权利要求2所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述示踪气泡单元(20)包括：引气管(21)、过滤器(22)、气体加热器(23)、气体质量流量控制器(24)及种植管；
所述旋流器(4)的中心轴(28)为中空结构，所述中心轴(28)上加工有进气口(29)，进气口(29)与中心轴(28)的内腔相通；
所述测量管(9)的加速喷嘴(26)处的壁面内加工有沿其圆周设置的环室(30)及两个以上沿其圆周均匀分布的径向孔，该径向孔为种植小孔(25)，每个所述种植小孔(25)的一端均与所述环室(30)相通，另一端均与所述测量管(9)的内腔相通；
所述引气管(21)的一端与旋流器(4)的中心轴(28)的内腔相通，另一端与所述气体质量流量控制器(24)的进气端连接，所述引气管(21)内安装有过滤器(22)和气体加热器(23)；所述种植管的一端与所述气体质量流量控制器(24)的出气端连接，种植管的另一端与所述测量管(9)内的环室(30)相通；所述引气管(21)将旋流器(4)的中心轴(28)的内腔内的气体引出，该引出的气体作为示踪气体，该示踪气体通过种植小孔(25)生成示踪气泡，将所述示踪气泡种植在所述测量管(9)的加速喷嘴(26)处的液膜中，示踪气泡与液膜的流速相同，起到示踪粒子的作用。
4.如权利要求3所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述示踪气泡单元(20)还包括液膜加热器(27)，所述液膜加热器(27)设置在测量管(9)的加速喷嘴(26)处的壁面内，用于对加速喷嘴(26)处的液膜进行加热。
5.如权利要求3所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述气体加热器(23)、气体质量流量控制器(24)均与工控机(8)连接，通过工控机(8)控制气体加热器(23)对示踪气体的加热温度，通过工控机(8)控制气体质量流量控制器(24)对示踪气体的流量调节。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括压力变送器(5)；
所述压力变送器(5)通过第一取压孔(7)与两相分离前的测量管(9)连接，用于测量进入旋流器(4)的气液两相流体的压力，进而得到该压力对应的气液两相流体的液相密度ρf和气相密度ρg。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种气液两相流体干度测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括光源，所述光源用于为图像采集单元提供照明；
所述图像采集单元采用相机(1)，所述光源包括背光源(2)和侧光源(3)；
所述相机(1)、背光源(2)和侧光源(3)分别安装在测量管(9)内的气液两相流体分离后处的外部，背光源(2)和侧光源(3)分别设置在测量管(9)的两相对侧，且背光源(2)与图像采集单元相对，侧光源(3)位于相机(1)的侧面；背光源(2)和侧光源(3)发出的光均为平行光束，分别用于为相机(1)的图像采集提供照明光源；相机(1)在背光源(2)和侧光源(3)的配合下自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像。
8.一种气液两相流体干度测量方法，基于权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述测量方法的具体步骤如下：
第一步，气液两相流体进入到测量管(9)内，旋流器(4)将处于旋流状态的气液两相流体转变成两束在测量管(9)内并行流动的单相流体，即液相贴着测量管(9)的内壁流动形成液膜，气相在测量管(9)中央流动形成气芯；
第二步，在测量管(9)的加速喷嘴(26)处的液膜中种植示踪气泡，具体如下：打开示踪气泡单元(20)内的气体质量流量控制器(24)，旋流器(4)的中心轴(28)内的气体进入到引气管(21)中，该气体作为示踪气体经过过滤器(22)的净化和气体加热器(23)的升温后达到设定的过热度后，通过种植管进入到环室(30)中，最后通过种植小孔(25)排出，排出的示踪气体在液膜的剪切和混合作用下形成气泡并被种植在测量管(9)的加速喷嘴(26)处的液膜内，该气泡会迅速达到液膜的流速，形成稳定的示踪气泡；此时示踪气泡的运动速度即代表液膜的流动速度；
第三步，测量液膜的流量：图像采集单元自动采集所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像，工控机(8)根据所述液膜和气芯的图像及示踪气泡的运动轨迹的图像分别计算出液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf，计算公式如下：
式中，D为测量管(9)的内径，d为气芯直径；
式中，Lf为示踪气泡在曝光时间内所形成的运动轨迹的长度，t为曝光时间，β为示踪气泡的运动轨迹的倾角；
进而工控机(8)根据所述液膜的流通截面积Af和液膜的平均轴向流速Vf可计算出液膜的流量Mf，计算公式如下：
Mf＝Af×Vf×ρf (5)
式中，ρf为液相密度；
第四步，确定气相流量：通过差压变送器(6)测量得到气液两相流体在分离前后的压差ΔP，根据差压流量模型计算出气相流量Mg，计算公式如下：
式中，α为流量系数，A为测量管(9)的流通面积，ρg为气相密度，θ为气液两相流体系数；
第五步，确定干度：工控机(8)根据干度的定义就可以精确地确定气液两相流体的干度x，干度x的计算公式如下：
9.如权利要求8所述的一种气液两相流体干度测量方法，其特征在于，在测量管(9)的加速喷嘴(26)处的壁面内设有液膜加热器(27)，对加速喷嘴(26)处的液膜进行加热。
10.如权利要求9所述的一种气液两相流体干度测量方法，其特征在于，所述示踪气泡的直径为10-50微米，示踪气泡的直径可通过气体质量流量控制器(24)、气体加热器(23)、种植小孔(25)、液膜加热器(27)及加速喷嘴(26)来调节；当需要减小示踪气泡的直径时，可以通过气体质量流量控制器(24)减小示踪气体的流量，通过气体加热器(23)和液膜加热器(27)提高示踪气体和液膜的过热度、减小种植小孔(25)的直径及通过加速喷嘴(26)提高液膜的流速来实现；反之可以增大示踪气泡的直径。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002276902A (ja) * | 2001-03-15 | 2002-09-25 | Tlv Co Ltd | 二相流体の乾き度又は湿り度制御装置 |
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| CN105222831A (zh) * | 2015-07-23 | 2016-01-06 | 中国石油大学(华东) | 一种气液两相流计量装置和方法 |
| WO2017073256A1 (ja) * | 2015-10-27 | 2017-05-04 | アズビル株式会社 | 乾き度測定装置 |
| CN107101681A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-08-29 | 西安交通大学 | 基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法 |
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002276902A (ja) * | 2001-03-15 | 2002-09-25 | Tlv Co Ltd | 二相流体の乾き度又は湿り度制御装置 |
| KR20120043581A (ko) * | 2010-10-26 | 2012-05-04 | 한국기계연구원 | 이상 유체의 건도측정장치 및 이를 이용한 이상 유체의 건도측정방법 |
| CN104075766A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-10-01 | 西安交通大学 | 管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置及方法 |
| CN105222831A (zh) * | 2015-07-23 | 2016-01-06 | 中国石油大学(华东) | 一种气液两相流计量装置和方法 |
| WO2017073256A1 (ja) * | 2015-10-27 | 2017-05-04 | アズビル株式会社 | 乾き度測定装置 |
| CN107101681A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-08-29 | 西安交通大学 | 基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法 |
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| 气液旋流分离装置的研制与可行性试验;刘晓敏 等;流体机械;第32卷(第5期);1-4 * |
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