DE2753151A1

DE2753151A1 - Geraet zur messung der enthalpie eines fluids

Info

Publication number: DE2753151A1
Application number: DE19772753151
Authority: DE
Inventors: Laurence E Demick; Jun Herbert Estrada; Dwight H Harrison
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Caldon Co Pittsburgh Pa Us LP
Priority date: 1976-12-06
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1978-06-08
Also published as: CA1081840A; IT1092638B; FR2373057A1; FR2373057B1; DE2753151C2; JPS5370889A; ES464761A1; BE861025A; CH638617A5; NL7713357A; GB1597977A; SE7713230L; US4145922A; JPS6360333B2

Description

Patentanwalt
Schadowplatz 9, 4000 Düsseldorf 1

Düsseldorf, 28. Nov. 1977

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa. , V. St. A.

Gerät zur Messung der Enthalpie eines Fluids

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der Enthalpie eines Fluids.

Bei einem Kernkraftwerk ist die thermische Leistung des Primärkreislaufs die Leistung, die der Kernreaktor erzeugt. Sie wird als thermische Energie pro Zeiteinheit gemessen. Die thermische Leistung des Sekundärkreislaufs ist die Leistung, die der Dampfgenerator abgibt und sollte gleich der thermischen Leistung des Primärkreislaufs sein. Kernkraftwerksbestiinmungen erfordern, daß das Kraftwerk mit bestimmten Nennwerten arbeitet und die Kenntnis der thermischen Leistung würde sicherstellen, daß diesen Anforderungen genüge getan wird. Außerdem werden Messungen benötigt, um den Brennstoffverbrauch festzustellen und um die Leistungsregelsysteme zu eichen. Von gleicher Bedeutung ist die Tatsache, daß eine Messung der thermischen Leistung auch eine Anzeige des Kraftwerkswirkungsgrades gibt.

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Außer bei Kernkraftwerken ist es auch bei Kraftwerken für fossile Brennstoffe wünschenswert, die thermische Leistung zu kennen, wie auch bei anderen Systemen mit geschlossenem Kreislauf , beispielsweise bei Wärmeaustauschern und chemischen Reaktoren. Zur Zeit ist jedoch kein System vorhanden, daß die Messung der thermischen Leistung mit ausreichend hoher Genauigkeit von beispielsweise 1 % oder besser liefert. Für die Messung der thermischen Leistung muß die Strömungsrate des kreisenden Fluids sowie auch deren anderer Eigenschaften bekannt sein, wie Dichte und Enthalpie, das ist eine Größe, die durch eine willkürliche Definition festgelegt wurde und die Summe aus der inneren Energie und der potentiellen Energie des Fluids darstellt. Andere Ausdrücke wie gesamte Wärme, Wärmegehalt, thermisches Potential sind ebenfalls benutzt worden, jedoch wird die Bezeichnung"Enthalpie" vorgezogen.

Gegenwärtig sind zur Bestimmung der Enthalpie Messungen des Fluiddruckes und der Temperatur erforderlich. Bezüglich der Temperaturmessungen gibt es dann, wenn das zirkulierende Fluid eine Flüssigkeit ist, einen Temperaturgradienten quer zum Fluid in der Leitung, so daß eine einzige Temperaturmessung, wie sie beispielsweise von einem Thermoelement nahe der Zwischenfläche zwischen Fluid und Leitung erhalten wird, die Durchschnittstemperatur des in der Leitung das Thermoelement passierenden Fluids nicht genau repräsentiert.Die Anordnung von mehreren Thermoelementen um die Leitung herum löst dieses Problem nicht. Um eine angemessene Anzeige der Temperatur quer zum Fluid zu erhalten,

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-7- 27b31b 1

müßte eine Mehrzahl von Thermoelementen an verschiedenen Punkten innerhalb der Leitung angeordnet werden, jedoch ist dies wieder von Nachteil, da dadurch eine Behinderung der Fluidströmung sich ergibt. Auch können erhebliche Schäden auftreten, wenn ein Thermoelement oder eine thermische Meßeinrichtung sich lösen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät zur Messung der Enthalpie eines Fluids zu schaffen, bei der diese Nachteile nicht auftreten, indem nur die akustisch ermittelte Schallgeschwindigkeit benutzt und diese Geschwindigkeit mit der Enthalpie korreliert wird.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, besteht also aus einem Gerät zur akustischen Bestimmung der Enthalpie in einem Fluid, bestehend aus einer ersten Einrichtung mit einer ersten Wandlerschaltung zur Abgabe von akustischer Energie durch das Fluid, erster akustischer Energiegeschwindigkeitsschaltung, die an der ersten Wandlerschaltung angeschlossen ist, um eine Anzeige der Geschwindigkeit der akustischen Energie in dem Fluid zu erhalten, sowie Korrelationsschaltungen, die mit der akustischen Energiegeschwindigkeitsschaltung verbunden sind, um die akustische Geschwindigkeit mit der Enthalpie zu korrelieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Beispielen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 in Form eines Blockdiagramms ein Wärmetransportsystem mit strömendem Fluid;

Fig. 2 einer Fluidtransportleitung mit einer akustischen Vielfachwegewandlerordnung;

Fig. 2A eine Ansicht der Fig. 2 längs der zentralen Achse der Leitung;

Fig. 3 eine Kurve der Dichte über der Schallgeschwindigkeit; Fig. 4 eine Kurve der Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit;

Fig. 5 eine Darstellung eines Teils der Fluidtransportleitung mit der akustischen Mehrwegewandleranordnung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in der Leitung;

Fig. 5A eine Ansicht der Fig. 5 längs der Zentralachse der Leitung;

Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der volumetrischen Strömungsrate und der Schallgeschwindigkeit in einem Zweig des Kreislaufs;

27531b!

Fig. 7 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit im anderen Zweig des Kreislaufs;

Fig. 8 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung zur Ermittlung einer Anzeige der thermischen Leistung; und

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer anderen elektronischen Schaltung zur Ermittlung der Anzeige für die thermische Leistung,

In Fig. 1 ist ein System dargestellt, das strömendes Fluid für den Wärmetransport benutzt. Das System umfaßt eine Wärmequelle 10 und eine Last 12 mit einem Fluidkreislauf längs einer Schleife 14. Nur beispielsweise sei die Erfindung bezüglich eines Kernkraftwerkes beschrieben, wobei die Wärmequelle 10 ein Druckwasserkernreaktor darstellt. Die Last 12 ist ein Dampfgenerator, der selbst eine Wärmequelle für eine Last 16 in Form einer Turbine ist, die einen Generator 18 antreibt, und der eine Schleife 20 für den Fluidkreislauf umfaßt. Die Schleife 14 wird im allgemeinen als Primärkreislauf und die Schleife 20 als Sekundärkreislauf bezeichnet.

Kreisendes Fluid wird vom Reaktor 10 zum Dampfgenerator 12 mittels des Auslasses oder des heißen Zweiges oder Beines 24 geleitet, während das Fluid vom Dampfgenerator 12 mittels des

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Einlasses oder kalten Zweigen oder Beines 26 zum Reaktor 10 zurückgeführt wird, wobei dieses Bein 26 noch die Fluidzirkulationspumpe 28 umfaßt.

Auf der Sekundärseite wird zirkulierendes Fluid, Dampf, der Turbine 16 mit Hilfe des Auslasses oder heißen Beines 30 vom Dampfgenerator 12 geliefert und das Fluid in der Form von Wasser dem Dampfgenerator 12 mit Hilfe des Einlasses oder kalten Beines 32 zurückgeführt, welches eine Zirkulationspumpe 34 und einen Kondensator 36 umfaßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einem der Beine der Schleife ein Strömungsmesser, vorzugsweise ein akustischer Mehrwegeströmungsmesser, angeordnet, um eine Anzeige für die Massenströmungsrate des kreisenden Fluids zu erhalten. Beispielsweise ist das Strömungsmeßgerät 40 im kalten Bein der Primärschleife angeordnet. Die thermische Leistung des Kernreaktors wird berechnet, indem zusätzlich eine Anzeige der Enthalpiedifferenz zwischen dem Fluid in dem heißen und dem kalten Bein ermittelt wird. Dies wird erreicht durch Anwendung von akustischen Meßgeräten, vorzugsweise von akustischen Mehrwegemeßgeräten, um die Schallgeschwindigkeit in sowohl dem heißen als auch dem kalten Bein 24 bzw. 26 zu erhalten. Entsprechend ist ein akustisches Mehrwegemeßgerät 42 im heißen Bein 24 und, wenn gewünscht, ein zusätzliches Meßgerät im kalten Bein 26 vorgesehen. Um jedoch Ausrüstungs- und Installationskosten zu sparen, kann das Strömungsmeßgerät 40 selbst so abgeändert werden, daß es zusätzlich die Schallgeschwindigkeitsanzeige für das kalte Bein liefert.

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Die Sekundärseite des Systems umfaßt ebenfalls ein akustisches Mehrwegeströmungsmeßgerät 4O_r um die volumetrische Strömungsrate sowie die Schallgeschwindigkeit in dem kalten Bein 32 zu erhalten, und ein Meßfühler 46 kann in dem heißen Bein oder in dem Dampfbein 30 angeordnet werden, um bestimmte Parameter zu ermitteln, wie noch erläutert wird.

Ein akustischer Mehrwegeströmungsmesser wurde entwickelt, der eine Anzeige der volumetrischen Strömungsrate mit hoher Genauigkeit liefert. Das System verwendet Paare von sich gegenüberliegenden Wandlern, die an der Grenze einer Fluidführung installiert sind, um so zueinander parallele akustische Wege zu bilden, die bezüglich der Grenze genau in Übereinstimmung mit numerischen Integrationsverfahren, wie beispielsweise der Gauss-Technik, angeordnet sind. Die Wandler übertragen gleichzeitig einen akustischen Impuls zu einem gegenüberliegenden Wandler.Die Laufzeit des in AufStromrichtung fortschreitenden Impulses sowie des in Abstromrichtung laufenden Impulses zum gegenüberliegenden Wandler wird Für jedes Wandlerpaar mit geeigneten Gauss'sehen Wichtungsfaktoren benutzt, um einer Anzeige der volumetrischen Strömungsrate zu erhalten. Das Gauss'sehe Verfahren mit der Anordnung und der Ermittlung der Wichtungsfaktoren wird in der US-PS 3 564 912 beschrieben, wie auch die Weiterentwicklung gemäß der US-PS 3 940 985 sowie der US-Anmeldung 599 209.

In Fig. 2 ist ein Abschnitt einer Leitung 50 dargestellt, der in dem gegenwärtigen Beispiel ein Teil des kalten Beines 26

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-₁₂_ 2 7 b 3 1 5 1

darstellt, welches das zirkulierende Fluid in einer Auf- zu Abstromrichtung zirkulieren läßt, wie durch den Pfeil 52 angeordnet wird. Bei dem Mehrwegesystem wird eine Vielzahl von Wandlerpaaren angeordnet, wobei der eine Wandler eines jeden Wandlerpaares ein Aufstromwandler und der andere Wandler ein Abstromwandler ist und beide in akustischer Verbindung mit dem Fluid in der Leitung stehen, so daß zwischen den zwei Wandlern ein akustischer Weg gebildet wird.

Beispielsweise bildet der Aufstromwandler 1U in Verbindung mit dem gegenüberliegenden Abstromwandler ID einen akustischen Weg zwischen sich, der die Länge L1 aufweist. Das zweite Paar von Wandlern 2U und 2D bilden einen zweiten Weg der Länge L2. Die sich gegenüberliegenden Wandler 3U und 3D definieren einen weiteren akustischen Weg mit der Länge L3, während die Wandler 4U und 4D einen akustischen Weg bilden, der die Länge L4 besitzt. Für das Vierwegesystem, das dargestellt ist, sowie für einen kreisförmigen Leiter werden die Wandler im allgemeinen so angeordnet, daß L1 gleich L4 und L2 gleich L3 ist.

Fig. 2A ist eine Ansicht der Anordnung, gesehen längs der Leitungsachse in Richtung der Fluidströmung,

Da Vorsprünge in dem hydraulischen Kreis nicht vorhanden sind, vermindert diese Anordnung die Gefahr von mechanischem Versagen der Meßausrüstung, die sonst andere Bauteile des Kreislaufes beschädigen könnten. Außerdem ergibt eine derartige Anordnung

P Π Q R ? ? / Π 7 1 Π

27S3 Ib I

keinen Druckabfall und der Energieverlust, der sich aufgrund der Leistungsmessung ergibt, ist praktisch gleich Null.

Bevor mit der ausführlichen Beschreibung der Erfindung fortgefahren wird, scheint es nützlich zu sein, eine Erläuterung der Fluidströmungsmessung zu geben, die die Laufzeit von akustischen Impulsen benutzt. Bei einem System mit nur einem einzigen Weg kann die volumetrische Strömungsrate dadurch festgestellt werden, daß ein Aufstromwandler und ein Abstromwandler gleichzeitig erregt werden und die Laufzeit des akustischen Impulses in Abstromrichtung sowie die Laufzeit des akustischen Impulses in AufStromrichtung gemessen wird. Wenn T1 die Laufzeit in Abstromrichtung und T2 die Laufzeit in AufStromrichtung ist, ergibt sich für die volumetrische Strömungsrate Q der folgende Zusammenhang:

wobei K eine Konstante ist, die beispielsweise abhängt von Faktoren wie L, der Weglänge zwischen den Wandlern, Θ, dem Winkel, den der Weg bezüglich der Fluidströmung bildet, sowie Ümrechungseinheiten. Die Differenz in den Laufzeiten von entgegengesetzt gerichteten akustischen Impulsen längs des Weges beträgt &t, also

Δ t = t2 - ti. (2)

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- 14 - 27531b I

Da t2 = ti + At ist, ergibt sich

^Q " ^K

t1(t1

Gleichung (3) kann dadurch erfüllt werden, daß zwei Zähler vorgesehen werden, ein Zähler für ti, der zur Zeit der Absendung des akustischen Impulses eingeschaltet wird und wieder abgeschaltet wird, wenn der Abstromwandler den akustischen Impuls aufnimmt. Ein zweiter Zähler, ein Zähler für At, wird eingeschaltet, wenn der Abstromimpuls aufgenommen wird und wieder abgeschaltet, wenn der Aufstromimpuls empfangen wird, wobei die sich ergebende Zählung eine Anzeige der Differenz in den Laufzeiten ist.

Eine genauere Bestimmung der volumetrischen Strömungsrate kann mit einem Mehrwegesystem erhalten werden, das numerische Integrationsverfahren verwendet, wie beispielsweise das Gauss'sehe Verfahren, bei dem folgendes gilt:

r 2 D

Q = ^ (W₁L₁ tane _Ί) (4)

Dabei werden die folgenden zusätzlichen Definitionen benutzt:

Q ist die volumetrische Strömungsrate, D ist der Durchmesser der Leitung,

η ist die Anzahl der Wege,

i ist die jeweilige Wegnummer,

W. ist der Gauss'sehe Wichtungsfaktor für den i-ten Weg.

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Die Leistungsberechnung basiert auf dem Produkt der Massenströmungsrate und der Enthalpieänderung, bei dem vorliegenden Beispiel ergibt sich die Gleichung:

Dabei ist vorausgesetzt, daß der Strömungsmesser als Beispiel im kalten Bein angeordnet ist und folgende Einheiten verwendet werden:

Q (volumetrische Fluidströmung im kalten Bein) in m/s

^ (durchschnittliche Fluiddichte) in kg/m³

h„ (durchschnittliche Fluidenthalpie im heißen Bein) in BTU/kg

(ein BTU = 0,2521 kcal)
h_c (durchschnittliche Fluidenthalpie im kalten Bein) in BTU/kg.

Da Q χ ^ die Massenströmungsrate ist und Q vom Strömungsmesser gemäß Gleichung 4 angegeben wird, ist es notwendig, die Fluiddichte ^ im kalten Bein zu ermitteln. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schallgeschwindigkeit C-, im kalten Bein berechnet wird. Beispielsweise, siehe Fig. 3, stellt Kurve 54 den Zusammenhang zwischen der Dichte des kreisenden Fluids bezüglich der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid in dem Drucksystem dar, wobei Druckvariationen klein sind. Beispielsweise wird bei einem typischen System, das mit Drücken von an die
100 Atmosphären arbeitet, die Druckvariation typischerweise
etwa +1,5 Atmosphären betragen.

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Ein üblicher Betriebsbereich in Fig. 3 liegt zwischen den Punkten 56 und 57, wobei der Punkt 56 eine Fluiddichte <^ ^ und eine Schallgeschwindigkeit C₁ und der Punkt 57 eine Fluiddichte <? ο und eine Schallgeschwindigkeit C- repräsentiert. Die Betriebskurve zwischen den Punkten 56 und 57 ist im wesentlichen linear und eine Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die ^-Achse an dem Punkt, an dem C=O und ^ = ^ C_Q ist.

Unter Anwendung der Formeln für eine gerade Linie ergibt sich y = mx + b (6)

wobei m die Steigung der Geraden und b der Schnittpunkt mit der y-Achse ist. Wendet man diese Formel auf die Kurve der Fig. an, folgt

wobei der Ausdruck [ ) ^^e Steigung (m) der Kurve repräsentiert und in Form einer Ableitung einer Funktion bezüglich einer Variablen vorliegt, während alle anderen ggf. vorhandenen Variablen, in diesem Falle ist es der Druck, als Konstanten behandelt werden, wie durch die Indizierung mit dem Buchstaben P angedeutet wird.

Hat man somit Q und ^ ermittelt, kann die Massenströmungsrate Qx^ ausgerechnet werden. Für thermische Leistungsmessungen ist es auch notwendig, die Enthalpiedifferenz zwischen heißem und kalten Bein zu ermitteln. Zu diesem Zweck sei auf Fig. 4

R098?3/07 1 Π

2753IbI

Bezug genommen, welche eine Kurve wiedergibt, die die Enthalpie über der Schallgeschwindigkeit darstellt.

Kurve 60 besitzt eine negative Steigung und der zwischen den Punkten 62 und 63 liegende Teil, der den Betriebsbereich darstellt, ist in guter Annäherung linear. Die Extrapolation dieses linearen Teils schneidet die Enthalpieachse bei irgendeinem Wert h_, .

^L0

Nimmt man an, daß der Punkt 62 die Enthalpie des heißen Beines und der Punkt 63 die Enthalpie des kalten Beines repräsentiert, ergibt sich mit der Formel für die Gerade (Gleichung 6)

Subtrahiert man Gleichung (9) von Gleichung (8), folgt

Demgemäß kann die Enthalpiedifferenz, die für die Leistungsberechnung erforderlich ist, dadurch ermittelt werden, daß eine Anzeige für die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid im heißen Bein (C„) sowie die Geschwindigkeit des Schalls in dem Fluid

in dem kalten Bein (C_c) ermittelt wird, wobeiί iMr J eine

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2753 IbI

Konstante ist, die gleich der Steigung der Kurve der Fig. 4 innerhalb des Betriebsbereiches ist.

Berücksichtigt man zur Vereinfachung nur ein Einwegesystem, beträgt die Laufzeit des akustischen Impulses in Abstromrichtung

ti = ^rJTv <¹¹>

und die Laufzeit des akustischen Impulses in entgegengesetzter Richtung (AufStromrichtung)

t2 = ^-—^ (12),

wobei V die Fluidgeschwindigkeitskomponente längs dem Weg zwischen den Wandlern ist und L die Weglänge zwischen den beiden Wandlern. Da

gilt, ergibt sich durch Addition der beiden Gleichungen:

I_ + 1 - C 4- V + C - V 2C ti t2 L L~

daher ist C

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damit ergibt sich aus Gleichung (2), wenn berücksichtigt wird, daß t2 » ti + At ist,

C = f I ^j- + J (17)

L / 1 . J ^

+ /±t} J

Alle Größen der Gleichung (17) sind bekannt oder werden vom Strömungsmesser geliefert, so daß diese Beziehung in einem Mehrwegesystem verwendet werden kann, und zwar unter Anwendung geeigneter Gauss'scher Wichtungsfaktoren, um so die Schallgeschwindigkeit im kalten Bein zu ermitteln. Wenn die akustischen Wege senkrecht zur Strömungsrichtung liegen, werden die akustischen Impulse von der Geschwindigkeit des Fluids nicht beeinflußt. Beispielsweise - siehe Fig. 5 - umfaßt die Leitung 68, die bei dem vorliegenden Beispiel einen Teil des heißen Beines darstellt, eine Mehrzahl von Wandlern T1 bis T4 zusammen mit entsprechenden gegenüberliegenden Wandlern T1' bis T4'. Die akustischen Wege zwischen den Wandlerpaaren liegen alle in der gleichen Ebene, welche Ebene senkrecht zur Fluidströmungsrichtung ist, wie durch den Pfeil angedeutet wird. Eine Ansicht der Anordnung längs der Achse ist in Fig. 5A wiedergegeben.

Da die akustischen Impulse von der Fluidgeschwindigkeit nicht beeinflußt werden, ist

ti = t2 (18)

R0982.3/0-71Q

:o -

2 7 5 3IbI

^ 2 I ti ti » ⁴

^c = FT ⁽²⁰⁾

V.enn somit das Kernkraftv;erk bereits einen akustischen Mehrwegeströmungsmesser in einem Bein aufv/eist, ist es nur noch notwendig, mehrere Wandlerpaare in dem anderen Bein vorzusehen und gemäß der Darstellung der Fig. 5 anzuordnen. Wenn ein außerordentlich genaues Massenströmungsratenmeßgerät gev/ünscht wird, könnte alternativ auch die Anordnung der Fig. 5 sowohl im heißen wie auch im kalten Bein hinzugefügt werden, um Schallgeschwindigkeitsanzeigen für die Berechnung der Leistung zu erhalten.

Mit einer derartigen Anordnung von akustischen Mehrfachwegen ir. heißen Bein und akustischen Mehrfachwegen im kalten Bein könnte, wenn die entsprechenden Weglängen in dem einen Bein gleich den entsprechenden Weglängen in den anderen Beinen sind, ein gemeinsamer Sender gleichzeitig die Wandler in beiden Beinen erregen, so daß statt zwei Messungen bezüglich L/t1 für jedes Bein eine einzige Messung bezüglich ^t,_R erhalten wird, wobei

„n die Differenz in der Ankunftszeit der Impulse in einem Bein bezüglich der Impulse im anderen Bein ist.

Kehren wir zum .j^genv.'ärtjLc: jn Beispiel zurück, so ergibt sich, daß alle Großen, die .Zar die Leistungsberechnung notwendig sind, ermittelt wurden und gemäß der folgenden Gleichung angev:endet v/erden:

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Σ.

mit:

- 21 -

ti. (ti. ₊

Σ «.. f«fc

A.

k„ =

χ k_F χ

= _WjL.

^kF ⁼

In der Gleichung (21) stellt der erste Term in Klammern die volumetrische Strömungsrate Q dar, wie sie von dem Strömungsmesser bestimmt und in Gleichung (4) wiedergegeben ist. Der zweite Term in Klammern ist die Dichte des Fluids im kalten Bein, wie durch Gleichung (7) wiedergegeben, wobei die Schall-

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7 5 3 Ib I

geschwindigkeit unter Anwendung des geeigneten Gauss'sehen Wichtungsfaktors über die Gleichung (17) ermittelt wird. Der letzte Term in Klammern ist einfach die Schallgeschwindigkeit im heißen Bein, die sich aus Gleichung (20) ergibt, minus der Schallgeschwindigkeit im kalten Bein, wie sie für die Dichteberechnung ermittelt wurde.

Die Differenz zwischen diesen zv/ei Größen, C -(V, multipliziert mit einer Konstante k , ist die Wiedergabe der Gleichung (10).

Fig. 6, 7 und 8 erläutern eine elektronische Schaltung zur Ausführung der Leistungsgleichung für eine Flußmeteranordnung mit η akustischen Wegen in einem Bein, das als Bein A bezeichnet ist, sowie ein akustisches System mit η Wegen zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in dem anderen Bein, das mit Bein B bezeichnet ist. Fig. 6 erläutert in Form eines Blockdiagramms verschiedene elektronische Schaltkreise, die mit einem Weg i verbunden sind. Ein Sender 70 erregt gleichzeitig die Aufstrom- und Abstromwandler des Weges i, um auf diese Weise akustische Impulse in entgegengesetzten Richtungen längs dem Weg abzusenden. Gleichzeitig dazu startet der Sender einen Zähler 72 für ti.

Der in Abstromrichtung abgesendete Impuls kommt als erster an und der Abstromempfanger ^Ί4 liefert eine Anzeige dafür, um den t1-Zähler 72 abzuschalten und den At-Zähler 76 einzuschalten. Wenn der in AufStromrichtung abgesendete Impuls ankommt, liefert der AufStromempfänger 78 ein Ausgangssignal, um den <^t-Zähler

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- 23 - 27531 b1

abzuschalten.

Somit werden zwei Werte erhalten, ti und ^t, und der Schaltkreis 80 führt an diesen zwei Werten die angedeuteten Operationen aus. Der sich ergebende Wert wird im Schaltkreis 82 mit dem angegebenen Wert multipliziert, das ist die Konstante k, der Gleichung (21), und die Ergebnisse davon werden über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und im Schaltkreis 84 mit den Daten der übrigen Wege summiert. Der Ausgang des Schaltkreises stellt daher die volumetrische Strömungsrate Q dar, der, wenn gewünscht, als numerischer Viert auf einer Darstellung 86 sichtbar gemacht werden kann.

Von dieser grundlegenden Flußmeteranordnung kann die Schallgeschwindigkeit im Bein A dadurch erhalten werden, daß der Schaltkreis 86 vorgesehen wird, der auf den Ausgang vom ti-Zähler 72 und vom ^t-Zähler 76 dadurch reagiert, daß er die angegebene Operation ausführt, wobei die Ergebnisse im Schaltkreis 88 mit der dort angegebenen Konstanten multipliziert werden, wobei diese Konstante gleich k_r der Gleichung (21) ist. Der Ausgang

ι
wird über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und zu den Daten der anderen Wege des Schaltkreises 90 summiert, dessen Ausgangssignal die Schallgeschwindigkeit C, darstellt. Kenn gewünscht, kann eine Sichtanzeige dieser Schallgeschwindigkeit auf der Darstellung 92 wiedergegeben werden.

Das Gerät zur Erlangung von ti und At mit nachfolgender Modifi zierung dieser Werte, um die volumetrische Strömungsrate zu

erhalten, ist in Fig. 6 für einen Weg funktionell dargestellt. ObwohL η Duplizierungen (eine Duplizierung für jeden Weg) fftr diese Anordnung möglich sind, kann ein in der Praxis ausgeführtes System einen einzigen Sender mit einem einzigen Berechnungsab— schnitt mit unterschiedlichen Registern für die Speicherung von unterschiedlichen Konstanten verwenden, wobei die Anordnung zwischen den einzelnen Wegen zeitgesteuert wird. Eine Anordnung, die zur Anwendung gebracht werden kann, ist in der US—Patentschrift 3 918 304 beschrieben. Außerdem ist ein Gerät, mit dem die beschriebene volumetrische Strömungsrate ermittelt werden kann, unter der Bezeichnung LEFM Modell 601 im Handel, sie wird von der Firma Westinghouse Electric Corporation vertrieben und gegenwärtig in verschiedenen Wasserbehandlungswerken, hydroelektrischen Kraftwerken, Rohrleitungen sowie Kernkraftwerken verwendet.

Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit C im Bein B wird mit der in Fig. 7 dargestellten Anordnung ermöglicht, wobei ein Weg, der Weg mit der Bezeichnung j, eines Systems mit η Wegen wiedergegeben ist. Der Sender 100 bewirkt die Absendung eines akustischen Impulses quer zur Leitung längs des Weges j vom Wandler T.' zu einen gegenüberliegenden Wandler T. und startet zu gleicher Zeit den ti-Zähler 102. Wenn der Impuls am gegenüberliegenden Wandler T. eintrifft, liefert der Empfänger 104 ein Ausgangssignal, um den ti-Zähler 102 abzuschalten.

Der Schaltkreis 104 nimmt den Kehrwert des Ausganges des t1-Zählers 102, und dieser Wert wird mit der angegebenen GrOBe

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des Schaltkreises 106 multipliziert, welche Größe äquivalent zum Faktor k-, der Gleichung (21) ist. Der so erhaltene Wert wird über eine ausgewählte Zeitperiode gemittelt und zu den Daten hinzugefügt, die von anderen Hegen im Schaltkreis 108 erhalten werden, wobei der Ausgang eine Anzeige der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit des Beines B ist. Wenn gewünscht, kann durch die Darstellung 110 auch eine Sichtdarstellung des Ausganges gegeben werden.

Fig. 8 erläutert eine weitere Modifikation dieser Größen Q, C₇. und C , um einen Wert für die thermische Leistung zu erhalten. Der Schaltkreis 112 multipliziert den Wert von C_A mit der Kon

stanten k_ß (äquivalent zu Ιχ-ττ) ) und addiert die Konstante Ic- (äquivalent zum Wert °, _c ) . Der Ausgang des Schaltkreises ist daher die Dichte ^ , die mit der volumetrischen Strömungsrate Q im Multiplikator 114 kombiniert wird, dessen Ausgang eine Anzeige für die Massenströmungsrate ist, die wiederum, wenn gewünscht, mit Hilfe einer Darstellung 116 sichtbar gemacht werden kann.

Wie erinnerlich, wird die Massenströmungsrate mit der Enthalpieänderung multipliziert, die wiederum zur Differenz in den Schallgeschwindigkeiten der zwei Beine in Beziehung steht. Entsprechend wird auf die zwei Schallgeschwindigkeiten C. und C- durch den Subtraktor 118 eingewirkt und dann im Schaltkreis 120 mit dem dort angegebenen Wert multipliziert, welcher äquivalent zum Wert kp der Gleichung (21) ist.

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Die zwei Werte, Massenströmungsrate und Enthalpieänderung, werden dem" Multiplikator 122 zugeführt7 dessen Auggangse^gnal eine Anzeige der gesamten thermischen Leistung ist, die auf Einheit dargestellt wird, nachdem irgendwelche notwendigen Einheiteumrechnungen durch den Schaltkreis 126 durchgeführt wurden.

Bei der Rechenanordnung, wie sie gerade beschrieben wurde, können die verschiedenen Konstanten in getrennten Registern eines Computers oder in Festwertspeichern gespeichert werden, in die die konstanten Werte, wie sie von einem bestimmten Fluidtransportsystem vorgegeben werden, angeordnet sind. Alternativ kann die thermische Leistung durch das Gerät der Fig. 9 ermittelt werden, welches Datenspeicherabschnitte 130 und 132 zur Speicherung der entsprechenden Datenpunkte der Kurve 3 (Dichte über Schallgeschwindigkeit) und Kurve 4 (Enthalpie über Schallgeschwindigkeit) speichern. Das Gerät der Fig. 9 kann durch einen üblichen Digitalcomputer verwirklicht werden, wobei die Speicher 130 und 132 programmierbare Festwertspeicher oder auch Bandspeicher oder Magnetscheibenspeicher sind, um nur einige Beispiele zu nennen. Der Rechner wird derart programmiert, daß dann, wenn C. und Cg zur Verfügung stehen, ein bestimmter Wert für 9 . sowie bestimmte Werte h^ und hg aus den entsprechenden Datenspeichern 130 und 132 herausgezogen werden. Die Eingabe dieser Werte C, und C_B, das Tabellenaufschlagen sowie die Extraktion der jeweiligen Werte ist in Fig. 9 dargestellt, siehe die Softwareblöcke 136, 138 und 140.

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Eine Multiplikatorschaltung T42 multipliziert die volumetrische Strömungsrate mit der Dichte, um einen. Ausgang zu erhalten, der die Massenströmungsrate wiedergibt, welche ggf. auf einer Darstellung 144 abgelesen werden kann. Die Enthalpien für die Beine A und B werden in einem Subtraktionsschaltkreis 144 bearbeitet, um die Enthalpiedifferenz 2U erhalten, welche im Schaltkreis 146 mit der Masseströmungsrate multipliziert wird, um einen Ausgang zu erhalten, der die thermische Leistung angibt. Dieser Ausgang wird nach Konversion in einer Einheit 148 einer Darstellung 150 zugeführt.

Zie Berechnung der thermischen Leistung wurde insoweit bezüglich der Primärschleife 14 der Fig. 1 beschrieben, in welcher eine r.ichtkompressibie Flüssigkeit mit im wesentlichen konstanten Druck fließt. In der Sekundärschleife 20 leitet das kalte 5ein eine Flüssigkeit, jedoch liefert der Generator 12 in das heiße Bein 20 Dampf.

Der Sekundärkreislauf selbst stellt also eine einzige Schleife dar, bei dem der Generator 12 als Wärmequelle des Systems arbeitet, beispielsweise ein Brenner für fossilen Brennstoff darstellt. Abhängig von dem Gerät kann der Dampf im heißen Bein gesättigter Dampf oder überhitzter Dampf sein. Für den Fall des gesättigten Dampfes wäre die Flußmeteranordnung 40 im kalten Bein 32 identisch mit der, die bereits beschrieben wurde, um die volumetrische Strömungsrate Q und die Schallgeschwindigkeit C_c zu berechnen. Das Gerät und die Berechnung der thermischen

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Leistung wird jedoch vereinfacht durch die Tatsache, daß die Enthalpie des heißen Beines für das System mit gesättigtem Dampf nahezu eine Konstante ist und für den typischen Betriebsbereich bekannt ist, so daß die akustischen Messungen in dem heißen Bein für die Bestimmung der Enthalpie nicht durchgeführt zu werden brauchen.

Im Falle des überhitzten Dampfes jedoch können die volumetrische Strömungsrate und die Enthalpie für das kalte Bein in der vorbeschriebenen Weise bestimmt werden, wobei jedoch die Enthalpie des heißen Beines durch Messung von Druck und Temperatur des überhitzten Dampfes in dem heißen Bein ermittelt werden muß, beispielsweise durch die in Fig. 1 dargestellte Meßfühleranordnung 46. Eine Anordnung ähnlich zu der, wie sie gemäß Fig. 9 beschrieben wurde, könnte dann zusammen mit einer Datenspeicherung für die Enthalpie als Funktion der Temperatur und des Druckes anstelle der Schallmessung vorgesehen werden.

Es wurde somit eine Anordnung zur Messung der thermischen Leistung beschrieben, mit der eine Anzeige der thermischen Leistungserzeugung oder des thermischen Leistungsverbrauchs irgendeiner Einrichtung ermittelt werden kann, welche für den Wärmetransport strömendes Fluid benutzt. Das Gerät benutzt Messungen, die sich auf die Laufzeit von akustischen Impulsen beziehen, eine genau plazierte Wandleranordnung, einen Digitalcomputer sowie Festkörperelektronikschaltungen, wobei der für die Leistungsmessungen auftretende Fehler aufgrund von Ungenauigkeiten

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in der Zeitmessung und bei den Messungen in der Geometrie sich zu einem Maximalwert von etwa 0,67 % für eine einzige Messung kombinieren. Bei der tatsächlichen Ausführung werden die Messungen mehrmals pro Sekunde durchgeführt und eine Mittelungszeitperiode in der Größenordnung von einer Minute angewendet. Diese zeitliche Mittelung vermindert die Zeitfehler auf weniger als 0,1 % für Q und C. Die Kombination von Quadraturintegration, thermischen Gradienten, zeitlichen und geometrischen Fehlern sowie der Umsetzung der Messungen bezüglich Dichte und Enthalpie führen zu einem angenäherten Fehler für die zeitlich gemittelte Leistung von + 1/2 % oder besser.

Bei dem dargestellten Beispiel eines Kernreaktorkraftwerkes ist nur eine einzige Primärschleife wiedergegeben. In Wirklichkeit kann das Kraftwerk eine Anzahl von Primärschleifen und thermischen LeistungsmeBeinrichtungen für jede Schleife aufweisen, um nicht nur Ablesungen und Wirksamkeitsangaben für jede Schleife zu erhalten, sondern auch Unterschiede der thermischen Leistung für die einzelnen Schleifen, um so irgendwelche Systemunausgewogenheiten zu erkennen.

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Claims

Dr.-Ing. Ernst STRATMANN — Schadowplatz 9, 4000 Düsseldorf 1 Düsseldorf, 28. Nov. 1977 Westlnghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. Patentansprüche ;

1. Gerät zur akustischen Bestimmung der Enthalpie in einem Fluid, mit einer ersten Einrichtung mit erster Wandlerschaltung zur Aussendung von akustischer Energie durch das Fluid und erster akustischer Energiegeschwindigkeitsschaltung, angeschlossen an der ersten Wandlerschaltung, zur Erlangung einer Anzeige der Geschwindigkeit der akustischen Energie in dem Fluid, gekennzeichnet durch Korrelationsschaltungen (82, 84, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 126, 124, 138, 136, 142, 140), die an der akustischen Energiegeschwindigkeitsschaltung (72, 74, 86, 88, 90) angeschlossen sind, um die akustische Geschwindigkeit mit der Enthalpie zu korrelieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Fluidgeschwindigkeitsschaltungen (76, 80, 82, 84), die mit der Wandlerschaltung verbunden sind, um die Geschwindigkeit des Fluids zu ermitteln.

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3. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Fluidmassenströmungsschaltung, die mit der Wandlerschaltung verbunden ist, um die Massenströmung des Fluids zu ermitteln.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung Wandler aufweist, die so angeordnet sind, daß sie zumindest einen das Fluid querenden Weg (L₁, L^, L^, L^) liefern.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler so angeordnet sind, daß sie mehrere Wege (L-, L₂» L₃, L₄) liefern.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung akustische Impulse in entgegengesetzte Richtungen längs des Weges oder der Wege absendet.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch eine Schaltung (138) zur Ermittlung einer Anzeige der Dichte des Fluids und durch eine Schaltung zur Erlangung einer Anzeige der volumetrischen Strömungsrate; sowie durch einen Schaltkreis zur Multiplikation der Dichteanzeige und der Anzeige der volumetrischen Strömungsrate, um eine Massenströmungsrate zu erhalten.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (T1', T2', T3', T4¹, T1, T2, T3, T4) zur Erlangung einer Anzeige für einen

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thermischen Parameter an einer von der ersten Einrichtung entfernten Stelle.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung mit einem Bein und die zweite Einrichtung mit einem anderen Bein eines Fluidkreislaufes verbindbar ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung Schaltungen aufweist, die analog zu den Schaltungen der ersten Einrichtung gemäß Ansprüchen 1 - 7 sind.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerschaltung der zweiten Einrichtung senkrecht zur Richtung der Fluidströmung angeordnet sind,

12. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine Dampfenthalpieschaltung zur Ermittlung der Enthalpie des Dampfes aufweist,

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfenthalpieschaltung Schaltungen zur Messung von Temperatur und Druck aufweist, um die Enthalpie von überhitztem Dampf zu ermitteln.

14. Verfahren zur akustischen Bestimmung der Enthalpie eines

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Fluids, mit den Verfahrensschritten des Übertragene von akustischer Energie innerhalb des Fluids, Empfangen der übertragenen akustischen Energie und Bestimmung der Geschwindigkeit des Schalls in dem Fluid aus der empfangenen akustischen Energie, gekennzeichnet durch die Korrelation der Geschwindigkeit des Schalls mit der Enthalpie.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Bestimmen von Schallgeschwindigkeit und Geschwindigkeit und Massenströmung des Fluids.