DE2313099B2 - Durchflussmessgeraet fuer siedende fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchflußmessung von siedenden oder schwach unterkühlten Flüssigkeiten oder von Flüssigkeits-Dampfgemischen, deren Unterkühlungsgrad bzw. Dampfgehalt unbekannt ist

Strömung von Flüssigkeiten, deren Temperatur nahe der Sättigungstemperatur liegt, kommt oft in verfahrenstechnischen, kältetechnischen, tieftemperatur-technischen und anderen industriellen Anlagen vor, u.a. auch in Kernkraftwerken. Durchflußmessung an solchen schwach unterkühlten oder siedenden Flüssigkeiten ist in manchen Fällen enorm wichtig. Es sind keine zuverlässigen und betriebssicheren Meßtechniken bekannt, die allgemein für beliebige Stoffe und Temperatur- oder Druckbereiche angewendet werden können. Für nicht elektrisch leitende Flüssigkeiten ist überhaupt keine Meßmethode vorhanden.

Um den Durchfluß von siedenden Flüssigkeiten messen zu können, ist man bis heute gezwungen, entweder die Flüssigkeit abzukühlen, so daß eine Temperatur weit von der Sättigungstemperatur erreicht wird, oder den Betriebsdruck zu erhöhen. Dann lassen sich die bekannten Durchflußmeßtechniken wie Wirkdruckmessung mit Düsen, Blenden, usw. anwenden. Dies erfordert aber den Einsatz von teuren Wärmeaustauschern oder Pumpen. In vielen Prozessen kann eine solche Zustandsänderung zusätzlich zu beträchtlichen Verlusten führen. Es ist wünschenswert, eine betriebssichere und allgemein anwendbare Meßtechnik zu besitzen, die ohne den Einsatz von Wärmeaustauschern und Pumpen, die Durchflußbestimmung von siedenden Flüssigkeiten gestattet

Bei der Durchflußbestimmung von Flüssigkeits-Dampf-Gemischen (Zweiphasenströmung) ist man heute gezwungen, entweder das Gemisch vollständig zu verdampfen, um im Bereich der reinen Dampfphase zu messen, oder das Gemüch vollständig zu kondensieren und zu unterkühlen, um im Bereich der reinen Flüssigkeitsphase messen zu können. Bei Flüssigkeits-Gas-Gemischen, wie z.B. Luft/Wasser, Erdöl/Erdgas usw, muß man das Gemisch in einem Abscheider trennen und die Flüssigkeits- und Gasphase getrennt a₀ messen. All dies ist sehr mühsam und kostspielig. Auch hier wäre eine zuverlässige Meßtechnik für die Durchflußmessung von Flüssigkeits-Dampf- bzw. Flüssigkeits-Gas-Gemischen wünschenswert.

Wenn man einen Wärmeaustauscher verwendet, um eine siedende Flüssigkeit abzukühlen und dann den Durchfluß mit Blenden usw. zu messen, dann stehen heute nur sehr vage Angaben zur Verfügung hinsichtlich des Grades der benötigten Unterkühlung. Es heißt in vielen Fällen lediglich, die Flüssigkeit soll genügend unterkühlt sein, um ein Sieden innerhalb des Meßgerätes zu vermeiden. In diesem Fall wäre es auch wünschenswert, wenn man eine Meßtechnik hätte, die unabhängig vom Grad der Unterkühlung funktioniert

Enthält ein Gas oder Dampf kleine Mengen von Flüssigkeit, z. B. in Form von feinverteilten Tröpfchen, dann versagen in der Regel die bekannten Meßtechniken für einphasige Strömungen ebenfalls.

Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Meßgerät zu schaffen, das als universales Meßgerät verwendet werden kann, unabhängig davon, ob der Durchfluß von unterkühlten Flüssigkeiten, siedenden Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Gas- bzw. Dampfgemischen oder von reinen Gasen bzw. Dämpfen gemessen werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man als Durchflußmeßgerät eine variable Drosselstelle verwendet und aus zwei Wirkdruckmessungen bei zwei bestimmten verschiedenen Drosselstellungen den Gesamtmassendurchfluß ermittelt, und zwar unabhängig von dem Grad der Unterkühlung oder vom Dampfgehalt des Flüssigkeits-Gas-Gemisches.

Für reine Flüssigkeits- oder Gasströmung wird nur eine Wirkdruckmessung benötigt In diesem Falle entspricht das der bekannten Meßtechnik bei einphasigen Strömungen. Strömt eine gesättigte oder schwach unterkühlte Flüssigkeit durch eine Drosselstelle, dann liegt der absolute Druck in der Drosselstelle, entsprechend Massendurchfluß und Querschnittsverengung, unterhalb des Sättigungsdruckes. Es kann an dieser Stelle zum Sieden kommen. Aufgrund der kurzen Verweilzeit innerhalb der Drosselstelle wird aber nicht das thermodynamischen Gleichgewicht erreicht. Die Abweichung vom thermodynamischen Gleichgewicht ist u. a. eine Funktion der geometrischen Abmessungen und des Massendurchflusses. Dies kann anhand eines Druck-Enthalpie-Diagramms veranschaulicht werden.

Zu einem bestimmten Zustand ρ« Λ, vor dem Ventil (Punkt A in F i g. 1) werden sich bei vorgegebener Massenstromdichte für zwei verschiedene Öffnungsverhältnisse f\, h die Wirkdrücke Ap\ und Ap₂ einstellen. Sobald im Ventil der Siededruck p₅ unterschritten wird, tritt Verdampfung ein, die wegen der sehr kurzen Verweilzeit innerhalb der Drosselstelle, jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht erfolgt. Der tatsächlich erreichte Dampfgehalt Xs der selber eine Funktion von Geometrie, Massenstromdichte m, Druckdifferenz Ap und Unterkühlung (entsprechend Δρ, = p_v — p_s) ist, beeinflußt den Wirkdruck Ap sehr stark. Ap ist also eine Funktion von X& m und der Geometrie, die durch das Öffnungsverhältnis /charakterisiert wird:

Ip = F'(m,/, ΑΤ_£(1ρ₅, m,/, Ip)); (1)

oder, wenn X₁ eliminiert wird,

Jp = F{m,f, Ip₅). (2)

Aps in Gl. (2) entspricht dem Unterkühlungsgrad der Flüssigkeit vor der Drosselstelle. Der Wirkdruck Ap ist nach Gl. (2) eine eindeutige Funktion der Massenstromdichte m für gegebene Querschnittsverengung / und bestimmte Unterkühlung Δρ>

Die Querschnittsverengung f läßt sich sehr genau einstellen. Bei genauer Kenntnis des Unterkühlungsgrades ließe sich der Zusammenhang Ap - f (rn) für

konstante / und Ap_s aus Versuchen ermittela Dies entspräche einer Eichkurve, mit deren Hilfe man den Massenstrom aus nur einer Wirkdruckmessung bestimmen könnte.

Die genauer Bestimmung des Unterkühlungsgrades Ap₅ erfordert eine sehr genaue Messung von absolutem Druck und absoluter Temperatur vor der Drosselstelle. Darüber hinaus muß die Dampfdruckkurve des vorliegenden Stoffes genau bekannt sein. Die genaue Bestimmung des UnterkOhlungsgrades erfordert deshalb sehr großen experimentellen Aufwand. Auf die Kenntnis des Unterkühlungsgrades kann man jedoch verzichten, wenn man zwei Wirkdruckmessungen bei verschiedenen Drosselstellungen vornimmt.

Für zwei verschiedene Drosselstellungen erhält man

Ip₁ =F{rh,f_u Ip₁)
Ap₂ = F(ih, f₂, Ip₅)

Ap₅ läßt sich aus GIn.(3) und (4) eliminieren; man erhält dann

m = ψ(Λρι, Ap₂) (5)

bei fest vorgegebenen Öffnungsverhältnissen /i und h-

Dieses Prinzip läßt sich in der Praxis in der Weise anwenden, daß eine Drosselstelle mit variablem Querschnitt als Meßstelle verwendet wird (F i g. 2). Die Lage des Verdrängungskörpers 3 ist über eine Spindel einstellbar. Seine Stellung wird über die Skala 5 abgelesen. Es werden zwei Wirkdruckmessungen bei zwei fest vorgegebenen Öffnungsverhältnissen über die Druckbohrungen 2 mit Hilfe eines Differenzdruckmeßgerätes 6 vorgenommen. Durch ein Schauglas 4 wird festgestellt, ob in der Drosselstelle Verdampfung stattgefunden hat Hat keine Verdampfung stattgefunden, dann läßt sich der Massendurchfluß mit Kenntnis des Durchflußfaktors /rdes Meßkörpers bestimmen.

Das Gerät kann folgendermaßen geeicht werden: Man stellt einen bestimmten bekannten Massenstrom ein und mißt dem Wirkdruck bei zwei verschiedenen bestimmten Drosselfaktoren /i, /₂. Die dabei sich einstellenden Drücke Ap\ und Api sind dem vorher eingestellten Massendurchfluß und einem bestimmten unbekannten Unterkühlungsgrad zugeordnet. Dann wird bei unverändertem Massenstrom der Unterkühlungsgrad geändert, z. B. durch Aufheizung der Flüssigkeit Diesem anderen Unterkühlungsgrad ist wiederum ein Wertepaar Ap\ und Api zugeordnet. Durch mehrere solcher Eichmessungen bei verschiedenen bekannten Massenströmen erhält man eine Kurvenschar in einem zweidimensionalen Ap\ — ^!/^-Diagramm mit dem Massenstrom als Parameter. Zur Messung eines unbekannten Massenstromes mit unbekanntem Unterkühlungsgrad werden zwei Wirkdrücke bei den gleichen Drosselfaktoren wie bei der Eichung bestimmt, und der diesem Wertepaar entsprechende Punkt im Eichdiagramm gibt den gesuchten Massenstrom an.

Ein möglicher Fehler durch Vorhandensein eines Einflusses von Verunreinigungen durch gelöste Gase (Keimstellen) auf den Siedeverzug wird durch zwei Messungen weitgehend eliminiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Durchflußmessung von siedenden oder schwach unterkühlten Flüssigkeiten oder von Flüssigkeits-bampfgemischen, deren Unterkühlungsgrad bzw. Dampfgehalt unbekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Drosselstelle mit einstellbarem Öffnungsverhältnis mindestens zwei Wirkdruckmessungen bei zwei verschiedenen bestimmten Öffnungsverhältnissen vorgenommen werden, die zur Berücksichtigung der Abweichung vom thermodynamischen Gleichgewicht auf Grund einer Eichung festliegen.

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