CN220063076U - 一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于气泡制备与流量计量技术领域，具体公开了一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，包括双文丘里通道结构、环形取压管结构和注气腔体，所述双文丘里通道结构包括用于实现单相流流量计量和气泡制备的一级文丘里结构和用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里结构；所述环形取压管结构具体包括单相流高压环状取压管、单相流低压环状取压管、两相流高压环状取压管和两相流低压环状取压管。本实用新型装置集气泡制备、液体介质单相流流量计量和泡状流气液两相流计量为一体，可同时满足工程应用以及实验研究对方便高效的气泡制备与流量计量的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及气泡制备与流量计量技术领域，具体涉及一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置。
背景技术
泡状流相比其他汽液两相流流型，具有比表面积大的特点，能够有效提高传热传质效率，同时具有环境友好、应用方便等优势，因而泡状流广泛应用于环境工程、航空航天、化学工程、核工程等领域。
文丘里通道是工程装备中常见的结构设计，该结构具有易加工、易维护、运行可靠、低能耗等诸多有点，因此被普遍用于设计流量计、气泡发生器、洗涤器、喷射泵等装置。
在气泡发生装置的工程应用中，如何更高效地制备小尺寸气泡、提供满足工程实际需求的含气量和实时监测气液两相流流型转变是工程中最关心的问题，传统单一通道的文丘里式气泡发生器在制备气泡能力有限，易产生倒流，需同时安装多个流量计量装置，安装过程复杂，装备维护和保养繁琐。因此，亟需一种集气泡制备、液体介质单相流流量计量和泡状流气液两相流计量为一体的多功能装置，来同时满足工程应用以及实验研究对方便高效的气泡制备与流量计量的需求。
实用新型内容
为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，本实用新型装置集气泡制备、液体介质单相流流量计量和泡状流气液两相流计量为一体，解决了上述背景技术中提到的问题，可同时满足工程应用以及实验研究对方便高效的气泡制备与流量计量的需求。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，包括双文丘里通道结构、环形取压管结构和注气腔体，所述双文丘里通道结构包括用于实现单相流流量计量和气泡制备的一级文丘里结构和用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里结构；所述环形取压管结构具体包括单相流高压环状取压管、单相流低压环状取压管、两相流高压环状取压管和两相流低压环状取压管。
优选的，所述一级文丘里结构包括用于实现单相流流量计量的一级文丘里渐缩段模块和用于实现气泡制备的一级文丘里渐扩段模块。
优选的，所述的一级文丘里渐缩段模块包括通道入口段、一级文丘里渐缩段、一级文丘里喉部、单相流高压取压孔和单相流低压取压孔；所述单相流高压取压孔、单相流低压取压孔分别与单相流高压环状取压管、单相流低压环状取压管相连接。
优选的，所述的一级文丘里渐扩段模块包括一级文丘里突扩喉部、一级文丘里渐扩段和突扩喉部注气孔；所述突扩喉部注气孔和注气腔体相连通，所述注气腔体包括注气腔入口和均流腔体；
通过注气腔入口注入气体，气体经注气腔入口、均流腔体后再经过突扩喉部注气孔后进入一级文丘里突扩喉部，最后气体随高速水流进入一级文丘里渐扩段的近壁面强湍流区域，气体获得湍动能而充分碎化得到气泡。
优选的，所述二级文丘里结构包括用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里渐缩段模块和通道出口段；所述二级文丘里渐缩段模块具体包括二级文丘里连接直管段、二级文丘里渐缩段、二级文丘里喉部、二级文丘里渐扩段、两相流高压取压孔和两相流低压取压孔；所述两相流高压取压孔和两相流低压取压孔分别与两相流高压环状取压管、两相流低压环状取压管相连接。
优选的，所述一级文丘里渐缩段角度和二级文丘里渐缩段角度均为α＝22.5°。
优选的，所述一级文丘里渐扩段角度和二级文丘里渐扩段角度均为β＝12.5°。
优选的，所述通道入口段、二级文丘里连接直管段和通道出口段的内径一致；所述通道入口段内径＞一级文丘里突扩喉部内径＞一级文丘里喉部内径。
优选的，实现单相流流量计量时，通过在单相流高压环状取压管和单相流低压环状取压管之间设置差压变送器，测得其压差即可确定单相流流量，单相流流量计量公式如下：
式中，Wsp为单相流质量流量，ψ为一级文丘里温度膨胀系数，Cd为一级文丘里流量系数，A为过流横截面积，β为一级文丘里喉径比，ΔPsp为单相流高压环状取压管与单相流低压环状取压管测得的压差，ρsp为液体介质密度。
优选的，实现气液两相流流量计量时，通过在两相流高压环状取压管和两相流低压环状取压管之间设置差压变送器，测得其压差即可确定两相流流量，具体如下：
设全气相流经文丘里管时，气相质量流量为：
式中，Wg为气相质量流量，ΔPg为全气相流压降，ρg为气体介质密度；
设全液相流经文丘里管时，液相质量流量为：
式中，Wl为液相质量流量，ΔPl为全液相流压降，ρl为液体介质密度；
因此，气液两相流流经文丘里管时，气相和液相的质量流量分别为：
式中，Ag为气液两相流中的气相过流横截面积，Al为气液两相流中的液相过流横截面积，ΔPTP为两相流高压环状取压管与两相流低压环状取压管测得的气液两相流压差，联立文丘里管喉部流通面积A＝Ag+Al，可得理想情况下的气液两相流压降关系式：
由于实际气液两相流存在滑移速度和密度差，实际的压差大于上式预测的两相流压降，引入修正因子θ(θ>1)进行修正拟合到实际流动情况，计算公式如下：
根据测定实际流量和两相流压降的关系，通过拟合得到θ再结合测定的两相流压降，得到实际两相流质量流量。
本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型通过双文丘里通道可以实现大量高效制备气泡的要求，二级文丘里结构为气泡破碎提供更充分的能量转换和更久的作用过程；本实用新型一级文丘里突扩喉部设计(突扩喉部内径大于喉部内径)可以创造后台阶流动的局部低压区域，有利于吸入气体而有效提高气泡制备效率，同时有效减少逆流事故的发生；本实用新型装置的双文丘里通道具有两级文丘里结构，可分别由高压和低压取压孔/管所连接的压力传感器或压差变送器测得压差，从而同时实现上游单相流的流量计量和下游的气液两相流流量测量；
2)本实用新型装置有效地解决了工程多种设备联合使用过程中遇到的频繁的设备安装、复杂的工艺设计、有限的使用空间和繁琐的维护保养等问题，同时充分利用文丘里结构的优势，集单相流和两相流流量计量、气泡制备等功能于一体，同时还可应用多种工程应用背景，如强化气泡破碎过程、压力脉动特征及流型识别等，提高工程效率，节约工程成本。
附图说明
图1为本实用新型装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例中一级文丘里喉部和突扩喉部的局部剖视图；
图3为本实用新型环形取压管结构的主视图半剖图和左视图半剖图；
图4为本实用新型注气腔体的主视图半剖图和左视图半剖图；
图5为本实用新型仅利用一级文丘里和同时利用一、二级文丘里制备得到气泡尺寸分布统计对比结果示意图；
图6为本实用新型实施例中装置流量计量安装说明示意图；
图7为本实用新型装置根据压力脉动信号实现流型判别功能的安装示意图及流型识别技术流程图；
图中，1-双文丘里通道结构；2-单相流高压环形取压管；3-单相流低压环形取压管；4-两相流高压环形取压管；5-两相流低压环形取压管；6-注气腔体；11-通道入口段；12-一级文丘里渐缩段；13-一级文丘里喉部；14-单相流高压取压孔；15-单相流低压取压孔；16-一级文丘里突扩喉部；17-一级文丘里渐扩段；18-突扩喉部注气孔；19-二级文丘里连接直管段；110-二级文丘里渐缩段；111-二级文丘里喉部；112-二级文丘里渐扩段；113-两相流高压取压孔；114-两相流低压取压孔；115-通道出口段；61-注气腔入口；62-均流腔体。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-图7，本实用新型提供一种技术方案：一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，如图1所示，包括双文丘里通道结构1、环形取压管结构和注气腔体6，所述双文丘里通道结构1包括用于实现单相流流量计量和气泡制备的一级文丘里结构和用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里结构；所述环形取压管结构具体包括单相流高压环状取压管2、单相流低压环状取压管3、两相流高压环状取压管4和两相流低压环状取压管5。
本实用新型装置特点在于具有双文丘里通道结构1，其中一级文丘里结构满足单相流流量测量和气泡制备，二级文丘里结构满足两相流流量测量，集气泡制备、液体介质单相流流量计量和泡状流气液两相流计量等功能为一体。
一级文丘里结构包括用于实现单相流流量计量的一级文丘里渐缩段模块和用于实现气泡制备的一级文丘里渐扩段模块。
进一步的，一级文丘里渐缩段模块包括通道入口段11、一级文丘里渐缩段12、一级文丘里喉部13、单相流高压取压孔14和单相流低压取压孔15，构成典型的差压流量计量的一次装置，一级文丘里喉部剖视图如图2所示。所述单相流高压取压孔14、单相流低压取压孔15分别与单相流高压环状取压管2、单相流低压环状取压管3相连接，环状取压管结构如图3所示。
实现单相流流量计量时，通过在单相流高压环状取压管2和单相流低压环状取压管3之间设置差压变送器(或分别设置两块压力传感器，目的是测得压差)，测得其压差即可确定单相流流量，单相流流量计量公式如下：
式中，Wsp为单相流质量流量，ψ为一级文丘里温度膨胀系数，Cd为一级文丘里流量系数，A为过流横截面积，β为一级文丘里喉径比，ΔPsp为单相流高压环状取压管与单相流低压环状取压管测得的压差，ρsp为液体介质密度。
进一步的，一级文丘里渐扩段模块包括一级文丘里突扩喉部16、一级文丘里渐扩段17和突扩喉部注气孔18，构成典型的文丘里式气泡发生装置；所述突扩喉部注气孔18和注气腔体6相连通，如图4所示，所述注气腔体6包括注气腔入口61和均流腔体62。
通过注气腔入口61注入气体，气体经注气腔入口、均流腔体后再经过突扩喉部注气孔18后进入一级文丘里突扩喉部16，在突扩喉部注入气体可保证气体不会被带入到主流区(突扩喉部设计可以创造后台阶流动的局部低压区域，有利于吸入气体而有效提高气泡制备效率，同时有效减少逆流事故的发生)，最后气体随高速水流进入一级文丘里渐扩段17的近壁面强湍流区域，强化气液相互作用过程，使气体最大限度获得湍动能而充分碎化，从而获得更小尺寸、更多数量的气泡。
进一步的，二级文丘里结构包括用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里渐缩段模块和通道出口段115；所述二级文丘里渐缩段模块具体包括二级文丘里连接直管段19、二级文丘里渐缩段110、二级文丘里喉部111、二级文丘里渐扩段112、两相流高压取压孔113和两相流低压取压孔114，构成典型的差压流量计量的一次装置；所述两相流高压取压孔113和两相流低压取压孔114分别与两相流高压环状取压管4、两相流低压环状取压管5相连接。
实现气液两相流流量计量时，通过在两相流高压环状取压管4和两相流低压环状取压管5之间设置差压变送器，通过二次仪表(如两块压力传感器或一块差压变送器)测得压差可确定两相流流量，测量原理如下：
设全气相流经文丘里管时，气相质量流量为：
式中，Wg为气相质量流量，ΔPg为全气相流压降，ρg为气体介质密度；
设全液相流经文丘里管时，液相质量流量为：
式中，Wl为液相质量流量，ΔPl为全液相流压降，ρl为液体介质密度；
ΔPg和ΔPl可根据一般单相流压降预测模型计算获得；
因此，气液两相流流经文丘里管时，气相和液相的质量流量分别为：
式中，Ag为气液两相流中的气相过流横截面积，Al为气液两相流中的液相过流横截面积，ΔPTP为两相流高压环状取压管与两相流低压环状取压管测得的气液两相流压差，联立文丘里管喉部流通面积A＝Ag+Al，可得理想情况下的气液两相流压降关系式：
由于实际气液两相流存在滑移速度和密度差，实际的压差大于上式预测的两相流压降，因此需要引入修正因子θ(θ>1)进行修正拟合到实际流动情况，计算公式如下：
根据测定实际流量和两相流压降的关系，通过拟合得到θ再结合测定的两相流压降，得到实际两相流质量流量。已有的工程和实验数据显示，θ范围通常为1<θ≤1.8，依据上式压降和流量的关系，首先在实验中通过测定实际流量和两相流压降的关系，拟合得到θ；在工程应用时通过给定的θ和测定的两相流压降，就可得到实际两相流质量流量。
本实用新型的一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，包括双文丘里通道结构1、环形取压管结构和注气腔体6。双文丘里结构通道包含三个部分：单相流流量计量部分，其中通道入口段11和一级文丘里喉部13分别设置取压孔，与环状取压管连通，具体为单相流高压取压孔14、单相流低压取压孔15分别与单相流高压环状取压管2、单相流低压环状取压管3相连接，可测得单相流流量；气泡发生器部分，包含具有突扩结构的喉部，即一级文丘里突扩喉部16、突扩喉部注气孔18和一级文丘里渐扩段17，注气孔与注气腔体6连通，注气腔体6包括注气腔入口61和均流腔体62，气体经注气腔体和注气孔注入液体中，在一级文丘里渐扩段破碎而获得泡状流；两相流流量计量部分，其中二级文丘里连接直管段19和二级文丘里喉部111分别设置取压孔(两相流高压取压孔113和两相流低压取压孔114)，与环状取压管(两相流高压环状取压管4、两相流低压环状取压管5)连通，可测得两相流流量，同时可进一步碎化气泡。本装置提供了利用文丘里结构实现流量计量与气泡制备的设计方案，简化了工程设备应用条件，具有维护便捷、成本低、气泡制备高效等优势。
在本实施例中，一级文丘里渐缩段12角度(经过同一交点的直管段素线与渐缩段素线所构成的锐角)和二级文丘里渐缩段110角度均为α＝22.5°，一级文丘里渐扩段17角度(经过同一交点的直管段素线与渐扩段素线所构成的锐角)和二级文丘里渐扩段112角度均为β＝12.5°，通道入口段11、二级文丘里连接直管段19和通道出口段115的内径一致，均为50mm，通道入口段内径＞一级文丘里突扩喉部内径＞一级文丘里喉部内径。具体的，一级文丘里喉部内径为25mm，一级文丘里突扩喉部内径为27mm。取压管内径4mm，取压孔直径2mm，突扩喉部注气孔直经1mm。
液体介质为自来水，气体介质，分别通过水泵和空气压缩机提供动力。
通过双文丘里通道结构可以实现大量高效制备气泡的要求，双文丘里通道结构两端分别焊接标准法兰盘，连接于气液两相流实验环路中，液体回路上有安装过滤器，气体回路上游安装止回阀。二级文丘里结构为气泡破碎提供更充分的能量转换和更久的作用过程，根据实施例结果，可制备的气泡最小平均尺寸约50μm～400μm(液体流量4.5m3/h≤Qsp≤11m3/h，质量含气率x≤10-4)，如图5所示，对比了只利用一级文丘里和同时利用一、二级文丘里制备得到气泡尺寸分布统计结果，可见采用两级文丘里通道可进一步碎化气泡。
通过一级文丘里突扩喉部设计，形成后台阶流动，流动分离过程创造局部低压，将注气孔设置于该低压区域有利于吸入气体，有效提高含气率，同时避免管路系统产生液体回流而损坏上游设备。
本实用新型装置的双文丘里通道具有两级文丘里结构，可分别由高压和低压取压孔/管所连接的压力传感器或压差变送器测得压差，从而同时实现上游单相流的流量计量和下游的气液两相流流量计量，计量安装如图6所示。文丘里流量计对含少量杂质、较高粘度的流体介质、温度变化范围大等相对恶劣的测量环境具有较大优势，测量精度可以达到±1.0％。
当工程需要两相流流型识别时，可通过对引压管进行设计，在单相流高压取压孔14和两相流高压取压孔113对应连接的引压管之间安装差压传感器，通过采集高压单相流取压管和高压两相流取压管之间的压差信号，通过信号分析获得特征参数实现流型识别。工程中可根据现场对流型识别的需求，方法如图7所示，在高压单相流取压管和高压两相流取压管之间安装差压变送器，通过数据采集系统获得电流/电压信号，再通过信号时域频域分析，获得能量谱或EMD等特征参数，根据不同流型所具有的特征参数范围确定两相流流型。
尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于，包括双文丘里通道结构(1)、环形取压管结构和注气腔体(6)，所述双文丘里通道结构(1)包括用于实现单相流流量计量和气泡制备的一级文丘里结构和用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里结构；所述环形取压管结构具体包括单相流高压环状取压管(2)、单相流低压环状取压管(3)、两相流高压环状取压管(4)和两相流低压环状取压管(5)。
2.根据权利要求1所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述一级文丘里结构包括用于实现单相流流量计量的一级文丘里渐缩段模块和用于实现气泡制备的一级文丘里渐扩段模块。
3.根据权利要求2所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述的一级文丘里渐缩段模块包括通道入口段(11)、一级文丘里渐缩段(12)、一级文丘里喉部(13)、单相流高压取压孔(14)和单相流低压取压孔(15)；所述单相流高压取压孔(14)、单相流低压取压孔(15)分别与单相流高压环状取压管(2)、单相流低压环状取压管(3)相连接。
4.根据权利要求2所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述的一级文丘里渐扩段模块包括一级文丘里突扩喉部(16)、一级文丘里渐扩段(17)和突扩喉部注气孔(18)；所述突扩喉部注气孔(18)和注气腔体(6)相连通，所述注气腔体(6)包括注气腔入口(61)和均流腔体(62)；
通过注气腔入口(61)注入气体，气体经注气腔入口、均流腔体后再经过突扩喉部注气孔(18)后进入一级文丘里突扩喉部(16)，最后气体随高速水流进入一级文丘里渐扩段(17)的近壁面强湍流区域，气体获得湍动能而充分碎化得到气泡。
5.根据权利要求1所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述二级文丘里结构包括用于实现气液两相流流量计量的二级文丘里渐缩段模块和通道出口段(115)；所述二级文丘里渐缩段模块具体包括二级文丘里连接直管段(19)、二级文丘里渐缩段(110)、二级文丘里喉部(111)、二级文丘里渐扩段(112)、两相流高压取压孔(113)和两相流低压取压孔(114)；所述两相流高压取压孔(113)和两相流低压取压孔(114)分别与两相流高压环状取压管(4)、两相流低压环状取压管(5)相连接。
6.根据权利要求3所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述一级文丘里渐缩段(12)角度和二级文丘里渐缩段(110)角度均为α＝22.5°。
7.根据权利要求4所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述一级文丘里渐扩段(17)角度和二级文丘里渐扩段(112)角度均为β＝12.5°。
8.根据权利要求3所述的基于文丘里结构的流量计与气泡制备多功能装置，其特征在于：所述通道入口段(11)、二级文丘里连接直管段(19)和通道出口段(115)的内径一致；所述通道入口段内径＞一级文丘里突扩喉部内径＞一级文丘里喉部内径。
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