申请/专利权人：天津大学

申请日：2018-01-30

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN108181357B

主分类号：G01N27/22(20060101)

分类号：G01N27/22(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.07.13#实质审查的生效;2018.06.19#公开

摘要：本发明涉及一种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置，包括外管壁和内电极，外管壁的内壁为金属内壁，作为外电极，其特征在于，在外管壁的中部固定有金属内电极，在金属内电极的外面包覆有绝缘层，在金属内电极和绝缘层的外周还固定有螺旋叶片，在外管壁上设有斜向入口，斜向入口的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入螺旋叶片和外管壁之间的空间，内电极的长度为电容测量段的长度。

主权项：1.一种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置，包括外管壁和内电极，外管壁的内壁为金属内壁，作为外电极，其特征在于，在外管壁的中部固定有金属内电极，在金属内电极的外面包覆有绝缘层，在金属内电极和绝缘层的外周还固定有螺旋叶片，在外管壁上设有斜向入口，斜向入口的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入螺旋叶片和外管壁之间的空间，内电极的长度为电容测量段的长度；所述螺旋叶片升角10°～50°之间；所述的金属内电极的最上端距离所述的斜向入口之间至少有一个螺距；设流道内径为D，入口倾斜长度不短于3D。

全文数据：竖直旋流分相电容一体式含水测量装置技术领域[0001]本发明属于湿气两相流流量测量技术领域，涉及一种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置。背景技术[0002]湿气广泛存在于自然界及工业生产的各个领域。液相体积含率作为湿气的重要参数之一，实现其准确测量不仅直接影响流量的测量精度，而且对工业生产、科学研究具有重要意义。实际应用中，由于气液两相流动复杂多变，使得液相体积含率精确测量难度很大。随着科技的发展，示踪技术、射线技术、核磁共振技术以及电容技术等均被应用到含水率的测量。然而示踪的取样代表性、射线的安全性以及核磁共振的结构复杂性以及高成本均使这些新技术的使用受到了限制。电容法作为一种相对成熟的技术，目前的研究已经在电容器结构方面获得了丰富的经验，但不容忽视的是无论接触式还是非接触式的电容传感器，其响应在很大程度上依赖于流体在空间分布情况，导致测量结果受到流型的影响。[0003]中国专利ZL201710465819.9和中国专利ZL201710465822.0提出了一种测量准确度高的含水率测量装置，包括位于上部的起旋分相单元及位于下部的电容测量单元。该装置这两部分是分开的，所以整体结构偏长;另外，实验证明，气相流速小于10ms，液相体积含率局于4%时，无法保证在起旋分相单元结束进入测量单元后气液两相流动形态的稳定性，使得含水率测量值与实验给定参考标准值误差由0•5%增长到2%。发明内容[0004]本发明的目的是克服现有技术的上述向题，提出一种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置，将旋流分相单元和电容测量单元合二为一，实现气液分相分布的同时构造出电容器完成对含水率的测量，本发明采用如下技术方案：[0005]—种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置，包括外管壁和内电极，外管壁的内壁为金属内壁，作为外电极，其特征在于，在外管壁的中部固定有金属内电极，在金属内电极的外面包覆有绝缘层，在金属内电极和绝缘层的外周还固定有螺旋叶片，在外管壁上设有斜向入口，斜向入口的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入螺旋叶片和外管壁之间的空间，内电极的长度为电容测量段的长度。[0006]优选地，所述螺旋叶片升角1〇°〜5〇°之间。金属内电极的最上端距离所述的斜向入口之间至少有一个螺距。所述旋流叶片共2〜10圈。设流道内径为D，外管壁内径为〇.3〜3D，电容测量段长度为1D〜5D。内电极和外电极的直径比为1:2〜1:1〇。入口倾斜长度不短于3D。[0007]与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：[0008]1本发明将旋流分相和电容测量合为一体，即保证了气液的分相分布，又缩短了整个结构长度；[0009]2气液两相沿倾斜入口切向流入旋流分相段，螺纹的导流作用改变了流体的流动方向和状态。液相由于密度偏大，在离心力作用下做圆周运动的同时穿过气相甩向管壁。从而实现气相集中在中心区域、液相沿管壁的分相流动形态，克服了入口[0010]流型对相含率测量的干扰。经过大于1圈螺旋叶片后，气液分布基本稳定，可作为测量段；[0011]3在测量段内，气液两相在螺纹叶片作用下继续保持分相分布，同时金属外管壁和导电液膜共同构成外电极，与内电极相互作用形成电容器。由于气液两相含率的变化直接影响管壁液膜厚度，即内外电极之间的距离发生变化，导致电容值变化，实现仅与液相体积含率相关的电容含水测量；[0012]4本发明在测量段结束后可通过扩缩径管与任意管径的直管相连接，通过改变扩缩径管的长度可调整整个装置的高度；[0013]5本发明利用电容传感器直接测量液相体积含率，电容测量精度高，含水测量准确性好；[0014]6本发明选用倾斜入口，一方面倾斜角度与螺纹叶片升角相同，另一方面入口面积与流体在旋流分相段内流通面积相同，保证入口处湿气流动稳定性的同时减小了压力损失；[0015]7无需分离，不依赖放射性技术和示踪技术对湿气液相含率进行测量，结构简单、安全可靠。附图说明[0016]图1本发明的竖直旋流分相电容一体式含水测量装置结构示意图。[0017]图2旋流分相段内气液速度分布。[0018]仿真实验条件:压力1•2MPa;含水率15%;气相表观流速:i〇ms[0019]图3旋流分相段内液相体积分布云图。[0020]仿真实验条件:压力1•2MPa;含水率范围5〜15%;气相表观流速:丨〇ms[0021]图4不同液相体积含率对应截面含率图。[0022]仿真实验条件:压力1•2MPa;含水率范围1〜20%;气相表观流速:5ms[0023]图5电容值与液相体积含率关系图。[0024]仿真实验条件:压力1.2MPa;含水率范围0〜20%;气相表观流速:5ms[0025]附图说明如下：1倾斜入口，2外管壁，3螺旋叶片，4绝缘层，5金属内电极，6连接法兰，7扩缩径管段具体实施方式[0026]下面参照附图对本发明做进一步详述。[0027]本发明为湿气两相流中使用的一种含水率测量装置，结构示意图如图i所示。可与任意气体流量测量装置配合使用，如孔板、文丘里、喷嘴、V锥等节流装置及超声、涡轮、热式等流量计。[0028]本发明区别于以往的湿气含水率测量装置，在于对气液两相进行旋流分相的同时进行电容的测量。如图1所示，气液两相经倾斜入口1切向流入旋流分相段，为实现流体无阻力流动，入口倾斜角度与螺旋叶片3升角一样为10。〜50。，同时保证切入面积与流体在旋流分相通道内的流通面积相同，以减小压力损失。液相由于密度偏大，在离心力作用下做圆周运动的同时穿过气相甩向管壁。从而实现气相集中在中心区域、液相沿管壁的分相流动形态，克服了入口流型对相含率测量的干扰。仿真研宄发现，经过大于1圈螺纹后，气液分布基本稳定，可作为测量段，在测量段内，中心金属杆作为内电极5,旋流分相器包括绝缘层4和螺旋叶片3套在内电极的外表面，金属外管壁2与导电液膜共同构成外电极，进而形成电容器，为提高电容灵敏度，内外电极直径比为1:2〜1:10。图1的实施例，旋流分相段和测量段是一致的，内电极贯通整个测量管道，更佳地，还可以有另外一个实施例，内电极下移，设置在距离倾斜入口1的1圈螺距之后。[0029]仿真实验介质为空气、水两相流，工作压力1.2MPa，含水率15%，气相流速10mS。如图2所示在本发明的旋流分相段中心截面上，贴近内管壁和外管壁处自上而下取两条直线，分别为图中所示的近内壁线和近外壁线，分析两条直线上的气液轴、径、切三方向速度。在近内壁线处，气液轴向速度和切线速度均存在两倍速度滑差，对于径向速度，气相始终接近于〇,而液相速度可达5ms，方向由中心轴指向外管壁，意味着近内壁线处气体保持在中心区域，没有向外管壁运动的趋势，液相由于受较强离心力作用穿过气相向外管壁扩散，实现了气液两相的分相流动;相比于近内壁线速度，贴近外管壁处，无论是轴向速度还是切线速度，气液两相滑差均接近1。不同的是气相径向速度为负，液相径向速度为0,即液相被甩到壁面后形成液膜不会发生二次扬起，相反气相存在向中心区域运动的趋势，再一次实现了气液两相的分离。另外，两相速度在测量段每个螺纹间分布规律和大小基本一致，即本发明测量段内气液两相流动基本稳定。[0030]图3给出了液相体积含率对液相分布的影响，液相作为导电介质与金属管壁共同构成电容器外电极，随着液相体积含率从5%增加到15%，外管壁处液膜发生变化，意味着相应电容值也发生明显变化。即本发明测量的电容值随液相体积含率变化而变化。[0031]如图4所示为压力1.2MPa、速度5ms时，不同液相体积含率条件下旋流分相段各位置所对应截面含率值。在测量段内，液相截面含率值基本保持稳定不变，整个测量段气液分布较为稳定，可进行电容的测量。[0032]借助Comsol电场仿真，在压力1.2MPA，流速5ms工况条件下，预测电容值与液相体积含率之间的曲线图参照图5。从图中可以看出，本发明仿真预测电容值随含液率的增大表现出增加的趋势，可实现一个电容值对应唯一的液相含率值;另外，电容灵敏度也随着液相体积含率的增加不断增加，在含液率低于5%的情况下，电容灵敏度为〇.1〜〇.2PF，而在含液率为5%〜I5%区间内，灵敏度为〇_2〜0.3PF，含液率在15%-20%范围内，灵敏度超过0.3PF。

权利要求：1.一种竖直旋流分相电容一体式含水测量装置，包括外管壁和内电极，外管壁的内壁为金属内壁，作为外电极，其特征在于，在外管壁的中部固定有金属内电极，在金属内电极的外面包覆有绝缘层，在金属内电极和绝缘层的外周还固定有螺旋叶片，在外管壁上设有斜向入口，斜向入口的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入螺旋叶片和外管壁之间的空间，内电极的长度为电容测量段的长度。2.根据权利要求1所述的含水测量装置，其特征在于，所述螺旋叶片升角10°〜50°之间。3.根据权利要求1所述的含水测量装置，其特征在于，所述的金属内电极的最上端距离所述的斜向入口之间至少有一个螺距。4.根据权利要求1所述的含水测量装置，其特征在于，所述旋流叶片共2〜1〇圈。5.根据权利要求1所述的含水测量装置，其特征在于，设流道内径为D，外管壁内径为0.3〜3D，电容测量段长度为1D〜5D。6.根据权利要求1或4所述的电容测量段，其特征在于，内电极和外电极的直径比为1:2〜1:10〇7.根据权利要求1所述的含水测量装置，其特征在于，其特征在于，入口倾斜长度不短于3D。

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