RU2751579C1 - Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды - Google Patents

Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды Download PDF

Info

Publication number
RU2751579C1
RU2751579C1 RU2020128756A RU2020128756A RU2751579C1 RU 2751579 C1 RU2751579 C1 RU 2751579C1 RU 2020128756 A RU2020128756 A RU 2020128756A RU 2020128756 A RU2020128756 A RU 2020128756A RU 2751579 C1 RU2751579 C1 RU 2751579C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
components
flow
proportions
measurement
medium flow
Prior art date
Application number
RU2020128756A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Попов
Михаил Михайлович Беляев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2020128756A priority Critical patent/RU2751579C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2751579C1 publication Critical patent/RU2751579C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды. Предложенный способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности. Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при использовании единого простого параметра идентификации компонента. Технический результат достигается тем, что по способу измерения долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды, характеризующемуся тем, что проводят поток среды через поворотное колено, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов. 1 ил.

Description

Предложенный способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.
Известны способы измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях определение и измерение текущих долей компонентов смеси основываются на идентификации компонентов путем использования различных их физических свойств. Например, таких физических свойств как различный отклик на пропускаемую через измеряемый поток электромагнитную энергию СВЧ-диапазона (патент RU 2269765 c1); или различный отклик компонентов на пропускаемые вдоль потока ультразвуковые акустические волны с использованием эффекта (Кокуев А.Г., Сорин А.В. Устройство для измерения расхода многофазного потока, Вестник Астраханского государственного технологического университета, сер. Управление, вычисл. техн. информ. 2015, №1, стр. 7-14); или неодинаковый отклик на проходящий поперек потока лазерный луч на основе оптико-акустического эффекта (Васильев Т.Р., Кокуев А.Г. Прибор для измерения расхода многофазного потока на основе опто-акустического эффекта, Вестник Дагестанского технического университета 2016, том 43, выпуск 4,стр.34-41).
Примененные в них идентифицирующие параметры оптический, акустическая плотности, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет способ измерения.
В последние годы в связи с качественным изменением конструкции тепловизионного оборудования, потенциал термографии как метода неразрушающего контроля и мониторинга значительно возрос.
Известный бесконтактный тепловой меточный способ измерения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип (Д. Д. Булкин, Г. А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12.2008), состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Известным способом измеряются разность температур термопреобразователей до и после нагревателя и время прихода тепловой метки к термопреобразователю после нагревателя, для определения скорости потока вводится кратковременный тепловой импульс, по этим параметрам определяются доли компонентов жидкости и газа в потоке.
Недостатком известного способа является сложный двухступенчатый процесс непрерывного нагревания потока двухфазной среды с завышенной затратой энергии для процедуры измерения разности температур.
Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при использовании единого параметра идентификации компонента.
Технический результат достигается тем, что способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды характеризуются тем, что проводят поток среды через поворотное колено, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов.
На чертеже представлена конструктивная схема, реализующая способ измерения долей компонентов в потоке при помощи измерения температуры и величины излучения компонентами по термограмме на стенке щелевого корпуса.
По способу измерения долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды характеризующегося тем, что проводят поток среды со скоростью V через поворотное колено 11 с возрастающим сечением входа 2, направляют ее в щелевой корпус 1, создают на входе 2 одновременный для всех компонентов в потоке импульс тепловой метки импульсным нагревателем 5, продвигают с потоком через корпус 1 компоненты с тепловой меткой 9, снимают на корпусе 1 термограмму тепловой метки 9 тепловизором 7 с вычислительным комплексом обработки информации по матрице 8 с ячейкой 10 в пикселях, вычисляют доли масс компонентов.
В изогнутых трубах и каналах (коленах, отводах) 11 вследствие искривления течения потока появляются центробежные силы. Направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы и далее к плоской стенке измерительного участка 4. Этим обусловливается повышение давления у внешней стенки с понижением скорости. Искривление потока проводится в двух плоскостях - в плоскости чертежа и перпендикулярной к нему, показанным эллипсом 14 выходного отверстия трубы.
Можно считать, что инерционные силы уменьшают слой компонентов, прижатых к продольной стенке, через которую извлекается необходимые параметры излучательной способности ε компонентов, не оставляя за измеряемым в поперечном слое компонентов другого свойства. При этом увеличивается адгезия компонентов к продольной стенке с увеличением теплопроводности, повышается достоверность ИК- изображения, предотвращая передачу тепловой энергии по самой стенке от компонента к компоненту.
Кроме того, положительное влияние инерционных сил проявляется в том, что происходит выравнивание поля скоростей компонентов жидкой В и газовой Г фаз.
Текущие доли компонентов среды определяются с помощью передачи ИК-изображения температурных областей компонентов на термограмме, а по величинам излучательной способности ε каждого компонента на экране тепловизора идентифицируется сам компонент путем следующих операций.
- теплоотдача компонентам определенного теплового заряда Qк от импульсного источника заряда Q и формирование тепловой метки 9 размером L*H компонентов в потоке двухфазной среды,
- передача теплового потока от заряженных компонентов тепловой метки к стенке щелевого корпуса измерительного участка (от нагретых ИК компонентов менее нагретым областям продольной стенки измерительного участка) по зависимости Qкк Fк τΔΤк, где αк - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(м2К)]; Fк - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, [м2]; τ - продолжительность процесса теплоотдачи, [с]; ΔТк - разность температур поверхности стенки и компонента, [К,°С]. В предложенном способе импульсный источник тепла излучает тепло, направленное внутрь трубы потоку смеси, поэтому тепловой заряд Qк поглощается только компонентами с коэффициентом поглощения αк. Параметр ΔТк, по которому определен коэффициент поглощения αк равный излучательной способности компонента εкк, определяется из следующего уравнения αк Fк τΔΤк=Qк, откуда Тк=Qк/ εк Fк τ.
- передача и получение ИК -изображения по температуре Тк и по величине излучательной способности εк каждого компонента на экран тепловизора. Величина εк выражена в известном уравнении мощности излучения, испускаемым нагретым телом, P=Qк/τ=σ εкΑκ Тку 4, где σ=5,67*10-8 [Вт/(м2К4)] - постоянная Стефана-Больцмана, Ак - площадь излучающей поверхности в м2 или в пикселях/м2, Тку - преобразованная температура излучающего компонента, переданная от тепловой метки к продольной стенке измерительного участка в виде термограммы.
По процедуре измерения тепловизор объединен с плоским измерительным участком 4 трубопровода закрытым кожухом 6, внутри которого имеется атмосфера с температурой Токр. Одновременно излучающая продольная стенка измерительного участка 4 поглощает излучение, испускаемое окружающей средой внутри кожуха 6, величиной теплового потока Qк4=σ εк Ак τ Токр 4. При температуре Тку тепловой метки 9, преобразованной в термограмму, и величине больше окружающей температуры Токр, и при одинаковой площади, то количество теплоты, действующего на матрицу тепловизора будет иметь вид
Qк матр = σ εк Ак τ (Т4 ку - Т4 окр).
- формирование термограммы областей разной температуры, построение областей 13 изотермами 12 для анализа программным обеспечением ПО тепловизора,
- идентификация областей 13 в принадлежности конкретному компоненту по излучательной способности областей, образованных изотермами 12 компонентов,
- вычисление суммарных площадей разделенных различными изотермами 12 однотипной температуры и пропорциональных отношений к общей площади тепловой метки термограммы 9,
- суммирование всех площадей для определения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды.
Поток проходит через гидравлическое поворотное колено 11 во входной патрубок 2 (фиг. 1), по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток импульсным инфракрасным нагревателем 5 равномерно по всему сечению нагревается в течение некоторого времени Δt. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их общих теплоемкостей С (различны и сами скорости течения компонентов), то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается до различной температуры Тк в зависимости от его удельной теплоемкости «с», массы «m». Поступившие в измерительный участок 4 компоненты, например: вода В, нефть Η и газ Г, нагретые до своих разных температур Тв, Тн и Тг, распределяются под действием инерционных сил после поворота в колене 11 по продольной плоскости измерительного участка 4, контактируют с его продольной стенкой и создают в ней местные нагретые области на стенке в виде термограммы, отображаемой с клеткой 10 в пикселях, соответствующей матрице 8 тепловизора. Детектор тепловизора 7 получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал согласно свойствам коэффициента излучательной способности ε каждого компонента.
Далее строятся изотермы - линии 12, связывающие точки с одинаковой температурой, и выводятся на дисплей эти изотермы с помощью программного обеспечения ПО для анализа (например, Testo IR Soft 2.0) для образования областей 13. В процессе отображения изотерм, все точки на ИК- изображении со значениями температуры в заданном диапазоне выделяются одним цветом. Т.е по количеству клеток (пикселей) с равными температурами (цветом) вычисляются области (площади) каждого компонента. По соотношениям этих равнотемпературных площадей определяются текущие доли а масс Мк компонентов в общей массе Μ потока (акк/M). Например, суммарные площади с температурой Воды определяют долю воды αв в общей площади тепловой метки L*h при сохранении закона постоянной массы по сечению измерительного участка (тепловой метке) в виде формулы 1=αвнг и тогда доля воды определится так авв/M. Аналогично определяется доля по коэффициенту αк других компонентов.
При изменении скорости V газожидкостного потока изменяется при неизменном заданном времени Δt импульса теплового заряда длина L, заряженной импульсом зоны потока, длина тепловой метки (фиг. 1). Вычислительный комплекс тепловизора 7 определяет общую текущую массу Μ всех компонентов и отдельно массы Мк компонентов по их долям α в соответствии с площадями на термограмме измерительного участка 4.
Идентификация компонента выполняется сравнением величин излучательной способности ε на областях термограммы измерительного участка с известными ε из различных источников. Например для воды εв=0,67 при t=38°С (ws.studylib.ru; также incoll. Ru; также En.ppt-online. Org); для нефти (oil) εн=0,94, εн=0,82 (слой масла) (instanko.ru, также En.ppt-online. Org); для сырой нефти εн=0,2; для газа (метан, метанол) εг=0,07 (С.А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков\ Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Уч. Пособие. МЧС России. М. 2014).
Скорость течения компонентов не влияет на величину областей, определяющих массовую текущую составляющую компонентов в общем массовом подсчете долей в потоке двухфазной среды. При большей скорости потока будут большие области по пикселям компонентов при прежнем соотношении областей.
Раздельно доли компонентов подсчитываются как Мкк М. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: MBвМ, МннМ, МггМ.
Предложенный способ обеспечивает при импульсном нагреве бесконтактное измерение долей компонентов в потоке многокомпонентной газожидкостной среды, за счет использования единого параметра идентификации компонента - излучательной способности, позволяющего упростить процедуру измерения с уменьшенной затратой энергии.

Claims (1)

  1. Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды, характеризующийся тем, что проводят поток среды через поворотное колено с возрастающим сечением, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов.
RU2020128756A 2020-08-31 2020-08-31 Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды RU2751579C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128756A RU2751579C1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128756A RU2751579C1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2751579C1 true RU2751579C1 (ru) 2021-07-15

Family

ID=77019941

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020128756A RU2751579C1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2751579C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060467C1 (ru) * 1992-08-31 1996-05-20 Виктор Васильевич Хохлов Тепловой расходомер
UA23910U (en) * 2007-02-05 2007-06-11 Univ Vinnytsia Nat Tech Appliance for measurement of rate and direction of gas flow
KR100974515B1 (ko) * 2002-05-29 2010-08-10 씨케이디 가부시키 가이샤 열식 유량계
WO2016209893A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Baker Hughes Incorporated Multiphase thermal flowmeter for stratified flow
RU2726304C1 (ru) * 2019-11-01 2020-07-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ определения покомпонентного расхода газожидкостной среды

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060467C1 (ru) * 1992-08-31 1996-05-20 Виктор Васильевич Хохлов Тепловой расходомер
KR100974515B1 (ko) * 2002-05-29 2010-08-10 씨케이디 가부시키 가이샤 열식 유량계
UA23910U (en) * 2007-02-05 2007-06-11 Univ Vinnytsia Nat Tech Appliance for measurement of rate and direction of gas flow
WO2016209893A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Baker Hughes Incorporated Multiphase thermal flowmeter for stratified flow
RU2726304C1 (ru) * 2019-11-01 2020-07-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ определения покомпонентного расхода газожидкостной среды

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Meek et al. The periodic viscous sublayer in turbulent flow
Tam et al. Effect of inlet geometry and heating on the fully developed friction factor in the transition region of a horizontal tube
Smol’yakov et al. Measurement of turbulent fluctuations
Knauss et al. Novel sensor for fast heat flux measurements
Jayakumar et al. Falling film thickness measurement using air-coupled ultrasonic transducer
CN103954650B (zh) 一种固体材料热扩散系数测试方法与系统
Liang et al. Identification of gas-liquid two-phase flow patterns in a horizontal pipe based on ultrasonic echoes and RBF neural network
Taskin et al. Instant gas concentration measurement using ultrasound from exterior of a pipe
Kays et al. Laminar flow heat transfer to a gas with large temperature differences
RU2751579C1 (ru) Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды
Zhang et al. Effect of gas density and surface tension on liquid film thickness in vertical upward disturbance wave flow
Boye et al. Experimental investigation and modelling of heat transfer during convective boiling in a minichannel
Lockwood et al. Measurement of mean and fluctuating temperature and of ion concentration in round free-jet turbulent diffusion and premixed flames
Hetsroni et al. A hot-foil infrared technique for studying the temperature field of a wall
CN102326071A (zh) 用于热交换系数测定的装置及相关方法
JPS6126809A (ja) 流体管内の付着物状況検知方法および装置
CN101738230A (zh) 低速热流体流量计
Chen Comparison of six typical correlations for upward flow boiling heat transfer with kerosene in a vertical smooth tube
Jackson et al. Combined free and forced convection in a constant-temperature vertical tube
RU204591U1 (ru) Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды
Hetsroni et al. Thermal patterns on a heated wall in vertical air–water flow
Balko et al. Measurement and computation of thermojunction response times in the submillisecond range
Mills et al. Experimental study of condensation from steam-air mixtures flowing over a horizontal tube: overall condensation rates
Carlomagno THEFIMO-FLUID-DYNAMIC APPLICATIONS OF QUANTITATIVE INFRARED THERMOGRAPHY
Roetzel et al. Evaluation of temperature oscillation experiment for the determination of heat transfer coefficient and dispersive Peclet number