DE1598305A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Gasgehaltes einer Zweiphasenmischung unter Stroemungsbedingungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Gasgehaltes einer Zweiphasenmischung unter Stroemungsbedingungen

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DE1598305A1 DE19671598305 DE1598305A DE1598305A1 DE 1598305 A1 DE1598305 A1 DE 1598305A1 DE 19671598305 DE19671598305 DE 19671598305 DE 1598305 A DE1598305 A DE 1598305A DE 1598305 A1 DE1598305 A1 DE 1598305A1
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Description

410-12.1%* Π.2
Commissariat a I1Energie Atomique, Paris (Frankreich)
Verfahren und Vorrichtung zur Kessung dee Gasgehaltes einer Zweiphasenmischung unter Str3mun<rsbedlngungen
Die Erfindung bezieht eich auf ein Verfahren zur f des Gasgehaltes einer strömenden Zweiphasenalschung aus einer Flüssigkeit mit darin in Blasenform enthaltenem Gas sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses oder irgendeines analoflcen Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtung Bind insbesondere, wenn auch nlehf ausschließlich, für die Bestimmung geringer Gehalte an
trase^,
wie z.B. Ton Argon, in einem flüssigen Kühlmittel, wie z.B. in flÜ88lgew Natrium, bestimmt, das In gewissen Kernreaktoren elR«e-
setzt wird.
Ausgenutzt wird beim erfindungsgemäSen Verfahren die Abhängigkeit der Schallfreechwlndlf^keit in einer Zweiphasenml8Chun$ rom Gasgehalt.
Es 1st bekannt, da<3 die Schallgeschwindigkeit durch däe Konzentration der in einer Flüssigkeit suspendierten Flüssl£jtel£*- oder Feststoffteilchen direkt beeinflußt wird und* insbesondere» durch die Konzentration τοη Gäsblasen. Es wurde daher bereit* vorgeschlagen; die Gcsblasenkonzentratlon durch Bestimmung atef
-(Bi7*o-3)-N3E (ο) . 009839/0437 bad original
Schallgeschwindigkeit zu ermitteln. Die nach bekannten Verfahren vorgenommenen Messungen bleiben Jedjboh stet· sehr ungenau und β· konnte gezeigt werden, daß diese ünsrenaulgkelt daher rührt, dafl der Einfluß der GrSße der Gasblasen nicht berücksichtigt wird·
Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung dieser Mangel durch ein Verfahren, nach den nicht nur die Sehallireechwlndlftkeit in der Zweiphasenmiscbuns'·, sondern auch die mittlere GrSSe der Gasblasen ermittelt werden kann.
Dieses erfindunpsgemäße Verfahren zur Messung des Gasgehaltes einer strömenden Zweiphasenmischung, die durch eine Flüssigkeit mit darin in Blasenform enthaltenem Gas gebildet wird, durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dieser Mischung ist in wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallgeschwindigkeit für die Ermittlung des mittleren Blasenradius1 und des Gasanteils bei zwei verschiedenen statischen Drucken mißt.
Gemäß der Erfindung wird ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehen, die im wesentlichen gekennzeichnet 1st durch einen Leitungszug für den Durchtritt der Zweiphasenmischung von im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt mit zwei horizontalen Abschnitten; Mittel zur Erzeugung unterschiedlicher statischer Drucke in diesen Leitungsabschnitten; so^ie Mittel zur jeweiligen Messung der Schallgeschwindigkeit in der Zweiphasenmischun? im Bereich jedes dieser Abschnitte·
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich werden. Die Id Bahnen dieser Beschreibung
009839/0437 bad original
angegebenen Beispiele beziehen sich speziell auf die Bestimmung Ton in Wasser oder flüssigem Natrium in Blasenfora enthaltenem Argon* das erfindungegemäße Verfahren kann jedoch ebenso bei anderen Zwelphasenalschungen Anwendung finden. Die Beschreibung bezieht sich auf die angefügten graphischen Darstellungen HmA Zeichnungen; es zeigen»
Fig. I und $ die Abhängigkeit der Schallireeehwlndlriceit ±n Öer betrachteten Zwelphasenaiechung -rom Gasgehalt %
Fig· 3 den SiUfIuS des mittleren Gasblaaenradiue* auf die Änderungen der Differenz der bei zwei Terschledenen statischen Drucken ermessenen Sehallgesohwlndigkelten;
Γ OS! 39/CU 7 BAD ORIGINAL
■„,:ΐίΐ
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Flg. & ein· besondere Ausfünrune^fora einer erflndungspemSBen Vorrichtung, die für die Messung des Gasgehaltes In einem Kreislauf mit flüssige« Natrlua betratst werden kann· .■:..-!■..,■■■■.!<
Betrachtet rna« eine mit einer mittleren Geschwindigkeit , U stromende ZWelphasenmisohmng, die durch eine Flüssigkeit gebildet wird, in der e.in Volumenanteil oL, an Gas in Form von kugel-
formlff und unabhängig Tonelnander angenoomenen Blasen enthalten ist, so kann man die Schallfreschwlndiß-keit in dieser Mischung In
Abhttncrlpjamlt το» Gasgehalt berechnen· ; ;:;?;'■■;;·?f
Üblicherwelse (Insbesondere in keratechnisehen Anlagen, * ^e strömendes flüssiges Hatriun enthalten, das Blasen von Inert-
-If-
gaa enthalten kann, dessen Anteil bestiaat werden soll) bleibt der statische Druck der ZweiphasenBtlBOhxmg gering und la allresteinen unter IO bor und der Gasgehalt ist praktisch stet· ««ringer als 90%.
Unter diesen Bedingungen und unter Vernachlässigung der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit wird die FortpflanEunncegeschwindigkeit des Schalls in der strafenden Zwelphasenalschung durch die folgende Gleichung (1) gegeben:
a + ü_
(1 -oC) Sfl +<*·?(
fl
1 -et+
31
in der die einzelnen Symbole folgende Bedeutung haben«
a. ist die Schalloreschwindigkelt in der in Ruhe befindlichen Ht schung,
U die Strömungsgeschwindigkeit, .,
Dl · ,j
oUder Volumenanteil des Gases in der Mischung und J fl und 5G sind die Dichten von Gas und Flüssigkeit unter den betrachteten Temperatur- und Druckbedlngungeni Bfl 1st der Kehrwert der Koapreesibilitttt der Flüssigkeit, P der statische Druck der Mischung,
9" der Kapillardruck an der Grenzfläche Gas-Flüssigkeit und £ der mittlere Radius der Gasblasen.
BAD ORIGINAL.
009839/0437
Wie mm sieht, ist die Sehftllffeeohwlndiokelt für. Jeden Wert des statischen Druckes F eine Funktion des Gasgehalte* und des mittleren Radius χ der Blasen- Die dieser Funktion entsprechende Kurvenfläche läßt eich durch eine Kurvenscher anschaulich Dachen, wie sie in Flg. 1 geselgt ist·
Die in FIg· 1 gezeigten Kurven entsprechen Zweiphasennischungen aus Wasser und Arson bei gewöhnlicher Temperatur £ * 2O°C, für Drucke von P * 2 bar und P « ί bar; sie sind auf O ^ ou ^. 50£ beschränkt· Bs ist indessen hervorzuheben· dafl gemäß Gleichung (1) Kurven analogen Verlaufs für jede beliebige andere Zweiphasenmischung erhalten werden kernten.
Man entnimmt der Fig· I9 daß sich die Kuryen für unter» schiedIiehe Radien r. bei gleichem Druck P einander nähern* wenn der Radius r. der Blasen wächst· In dem speziell betrachteten Fall gehen sie praktisch ineinander über, wenn r^ 0,1 on ist·
i. Jenseits dieses Wertes wird die Schall/reschwlndiekelt praktisch unabhängig vom Blasenradlüs« Bs genügt dann für eine gegebene Temperatur \ den statischen Druck P und die Schallgeschwindigkeit in der Zwelphasenmischunfl- zu messen und man kann dann daraus den GasgehaltcUherleiten.
Das folp-t im übrigen auch aus Gleichung (1), die, wenn .der Radius χ der Blasen so groß wird, daß die Oberflächenspannungserseheinuno-en an der Grenzfläche Gas-Flüssigkeit für den Gasdruck la Innern der Blase gegenüber dem statischen Druck des Gases ver-
Q09839/043-7 bad original
nachlässigbar werden« tiberseht Int (2)
Kurven zur Veranschaulichung dieser Gleichung sind In Flg. aufgezeichnet für statische Drucke P von 1, 2 und 3 bar für eine Zweiphasenmlschun* aus Wasser und Argon bei prewShnlleher Temperatur von 200C. Wenn der Gasanteil dU unter einem H3ehetwert von 5Q% bleibt, kann man du anhand dieser Kurven eindeutig bestirnten, wenn man den Druck P und die "challp-eschwindi ekelt in der Zweiphasenmischung- kennt.
In dem allgemeineren Fall, wenn r < 0,1 ma 1st (dieser als Beispiel ancegebene Wert bezieht sich auf eine Wasser-Argon-Mischunc- von 200C), muß man außerdem näherunjrswelse den mittleren Radius der Blasen bestimmen.
Anhand von Flg. 1 kann man noch einen weiteren ausgezeichneten Wert für den Badlus der Blasen definieren· Wie man sieht, nähern sich die Kurven für verschiedene Werte des Druckes P einander, wenn der Radius r der Blasen abnimmt. Wenn r kleiner als ein Grenzwert r_ wird, der in dem speziell betrachteten Fall bei etwa 10~5 m liegt, gehen diese Kurven ineinander über, d.h. die Schallgeschwindigkeit wird praktisch unabhängig vom statischen Druck.
009839/0437
BAD ORIGfNAL
¥βηη warn sieh auf Bereiche von χ > ^n beschränkt, eo folprt aus Pig. I9 daß bei Konstanthaltung der Parameter £, Un und F Jede« SohaULgesohwlndlgkeltewert ein Wert des Gasgehaltes ob «wischen swel Grensen 0Mz00) und ccCr11) entspricht, der rom mittleren Radius r. der Blasen abhingt· Der Wert 00(^00) enteprloht r ^. 0,1 ■«. Der Wert 0Mx11) entspricht de« vorstehend definierten Grenewert
In jedes besonderen Fall kann der nlttlere Radius £ der Blasen gegenüber χ und r^ festgestellt werden, wenn «an die Sohallgesohwlndiprkeiten J^1 und ^-In der ZweiphasenBlsohung bei zwei, unterschiedlichen statischen Drucken f* und P2 kennt. SelbstrerstXndllch kann Jedoch £ nicht nehr genau bestiaat werden, wenn a^ und a^ nicht «erklioh voneinander abweichen, d.h., wenn χ ^ ra 1st·
Die in Pig· 3 gesellten Kurven, die für Wasser-Argon· Mischungen von 200C berechnet wurden, zeiiten die Änderungen der Differenz fij - fi2 für «ßterechiedliche Werte von χ in Abhtngigkelt von j|j für P1 * 2 bar und P2 « 1 bar.
In Übereln8ti»aun« mit der vorstehenden Beschreibung besteht das erflndüiursgeattSe Verfahren, angewendet auf die Messung des Gasgehaltes in den betrachteten Wasser-Argon-Mlsehungen, im all^eaeinsten Fall in der Bestiaaung der Schall geschwindigkeit für swei unterschiedliche statische Drucke F, £«r «lttleren 8tr5«untc8ge8chwindlgkeit der Mischung U und der reaperatur. In Jede« Fall wird die Schallgeschwindigkeit £
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009839/0447
hergeleitet aus der Messung der Summe oder der Differenz a + Un Je nach Fortpflanzung des Schalles In Richtung der Strömmet oder in entgegengesetzter Richtung.
Anhand der Kurvenschar gemäß Flg. 3 (oder einer analogen Kurvensohar, wenn ,t von 2O°C verschieden ist) kann dann bei Kenntnis der Differenz a^ - a2 der Schallgeschwindigkeiten bei den gewählten Drucken der mittlere Radius r der Gasblasen hergeleitet werden. Aus der Kurvenschar gemäß Flg. 1 kann dann der Gasgehalt Counter Zugrundelegung von r und a^ (oder a2) ermittelt werden.
Fig. 4 zeigt als Beispiel eine besondere AusfUhrungsart für eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Diese Vorrichtung wird durch eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt von geringem Durchmesser gebildet, In der die zu untersuchende Zwelphasenmischunp zirkuliert. Diese Leitung umfaßt zwei horizontale Abschnitte 1 und 2, in deren Bereich die Messungen vorgenommen werden. Diese beiden Abschnitte sind durch eine dritte Leitung 3 miteinander verbunden, die ein Ventil 4 aufweistf zur Erzeummr eines bestimmten Druckabfalls zwischen den Abschnitten 1 und 2.
Nlchtgezel^te TenpcratuTrneseer sind beispielsweise vor dem ersten Abschnitt und hinter dem zweiten angeordnet. Sie ermöglichen die Jeweilige Mesaune- der Temperaturen t- und to der Zweiphasenmischung Im Bereich der einzelnen Abschnitte oder ihren Mittelwert. E5n Manometer, das nach Wunsch bei Jedem der
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Abschnitte vorgesehen sein kann, ermöglicht die Messung der statischen Drucke P- und Pg. Die Geschwindigkeit der Mischung in der Leitung wird aus den Anzeigen eines Durchflußmessers 8 hergeleitet.
Schließlich sind die beiden Abschnitte 1 und 2 für Messung der Sehallgeschwindigkeit mit piezoelektrischen Empfängen 9 und 10 (für den ersten Abschnitt) und 11 und 12 (für den zweiten ausgerüstet. Druckst3Se oder -impulse werden an einem Ende der Leitung mitgeteilt und die von jedem piezo-elektrisehen Empfängerpaar gelieferten Signale werden von einem Oszillöskop registriert, das mit einer (nicht gezeigten) fotografischen Einrichtung versehen 1st. Durch Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den Signalen, die von den Empfängern 9 und 10 einerseits oder den Empfängern 11 und 12 andererseits geliefert werden, kann die Fortpflanzungsflresehwindickeit des Schalls in dem entsprechenden Leltungsabschnltt erarittelt werden»
^ In dem besonderen, durch Fig. k veranschaulichten Fall ist die Vorrichtung an die Saug- und Druckleitungen 14 und 15 einer mechanischen Pumpe la zur Umwälsun? von flüssigem Natrium in einem Kühlkreis eines Kernreaktors angeschlossen. Die Strömungsmittelentnahme findet auf der Druckseite der Pumpe statt In der Achsa der StrSmuntr oder am Gipfelpunkt (somaet) des horizontalen Bohres·
Der verwendete Durchflußmesser 8 ist vom elektromagnetischen
Typ. Ebenso 1st der Druekimpulsgenerator eine elektromagnetische
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Pumpe 18.
Selbstverständlich 1st die Erf Indue* keinesfalls W die Torstehend besonders beschriebenen Beispiele beschrankt. Dl« angegebenen Kurvenscharen beziehen sich auf den Fall einer Wasser-Argon-Hischung. Sie wurden durch theoretische Berechnung bestimmt und experimentell bestätigt. Kurven mit analogem Verlauf können jedooh fUr Jede andere Zweiphasenmischung werden.
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Claims (1)

15983D5 - η -
Patentansprüche
1. Verfahren «or Messung des Gasgehaltes einer strömenden Zwelphasenmisohuror aus einer Flüssigkeit, In der Gas In Blaaenfora enthalten 1st, durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit In dieser Mischung, dadurch gekennzeichnet, dafi nan die Sehallgesohwindlg-» kelt bei swel unterschiedlichen statischen Drucken der Mischung bestimmt and Ober die erhaltenen Werte den mittleren Radius der Gasblasen und den Gasgehalt der Mischung ermittelt·
2· Verfahren nach Ansprach I9 dadurch gekennzeichnet, daß aan die Fci^pflanzungsgeschwlndlgkeit des Schalls für jeden der beiden Drucke zwischen swel bestimmten Funkten Biet, sowie die Blttlere Str5mmgsgesohwlndlp;kelt der Zwelphasenvlschunfl; EWlsehen diesen Funkten.
3· Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Kessung der mittleren Temperatur der Zwelphaeen-Qlsohung.
k. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nan den mittleren Radius der Blasen anhand einer berechneten oder experimentell ermittelten Schar von Kurv m für die Abhängigkeit der Differenz der beiden gemessenen Schallgeschwind lcrkel ten von einer dieser Geschwindigkeiten mit unterschiedlichen mittleren Blasenradlen als Parameter bestimmt·
008839/0437 bad ORIGINAL
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgehalt anhand von berechneten oder experimentell ermittelten Kurven bestimmt wird, die die Änderungen der Schallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Gasgehalt für einen bestimmten Druck und einen bestimmten mittleren Radius der Blasen wiedergeben.
6. Vorrichtung zur Messung des Gasgehaltes in einer Zweiphasenmlschung nach elrieu der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Leitungszug für den Durchtritt der Zweiphasenmlsehung von im wesentlichen kreisförmlp-em Querschnitt mit swei horizontalen Abschnitten (l;2)j Mittel zur Erzeugung unterschiedlicher statischer Drucke in diesen Abschnitten; und Mittel zur Messung der Schallgeschwindigkeit in dieser Zwelphasenmlsehung jeweils Im Bereich dieser Abschnitte»
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Organ (1O zur Erzeugung eines Druckverlustes In diesem Leltunrezug zwischen den beiden Abschnitten (1;2).
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009839/0437
A3
Leersei te
DE19671598305 1966-02-22 1967-02-17 Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Gasgehaltes einer Zweiphasenmischung unter Stroemungsbedingungen Pending DE1598305A1 (de)

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