Экспериментальный многофазный гидродинамический контур

Экспериментальный многофазный гидродинамический контур

Отрасли, категории, применение: Промышленная автоматизация/САУ

Краткое описание:

Описана конструкция гидродинамического контура импульсного действия для исследований многофазных многокомпонентных потоков в вертикальных каналах. Представлены основные характеристики экспериментальной установки. Методом рентгеновской визуализации потока построена карта режимов многофазных газо-жидкостных течений в зависимости от объемных расходов компонентов. Система контроля и управления многофазным контуром построена на основе оборудования National Instruments.

Организация

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Описание решения

Постановка задачи

Многофазные течения лежат в основе многих процессов различных отраслей промышленности, начиная с нефтедобычи и здравоохранения и заканчивая традиционной и ядерной энергетикой [1]. Классическим примером многофазных течений в ядерных энергетических установках является поток пароводяного теплоносителя в технологических каналах реакторной установки и трубопроводах энергоблока [2]. Наиболее экономически эффективным способом определения гидродинамических и тепловых характеристик многофазных потоков является компьютерное моделирование соответствующих физических процессов. В основе существующих моделей лежит система из основных уравнений (законы сохранение массы, энергии и импульса) дополненная эмпирическими уравнениями для описания межфазного взаимодействия [3]. Таким образом, достоверность и точность результатов моделирования зависит от доступности и качества экспериментальных данных.

Используемое оборудование и программное обеспечение

Система контроля и управления многофазным контуром построена на основе оборудования National Instruments и в среде NI LabVIEW 8.6 с модулем NI LabVIEW Real Time. Скоростная система сбора данных на основе АЦП PCI-6133 позволяет получать следующие данные: объемные расходы компонентов многофазной смеси с датчиков расхода, давление в измерительной секции, параметры тока и напряжения рентгеновского импульса. Частота регистрации составляет 1 МГц. Сигнал синхронизации подается с рентгеновского источника. Управления соленоидными клапанами реализовано с помощью NI USB-6501 (см. рис. 1).

Решение

С целью детального изучения многофазных потоков, определения их характеристик в реальном масштабе, создания баз данных для использования в эмпирических моделях многофазных потоков и валидации программных кодов был спроектирован и построен многофазный гидродинамический контур – установка для генерации многофазных течений с заданными характеристиками.

Разработанный контур позволяет создавать многофазные течения состава вода (0-100 %) - жидкий углеводород (0-100 %) – воздух (0-100 %) при контролируемых расходах компонентов. Принципиальная гидравлическая схема установки представлена на рис.2. Многофазный поток формируется в результате смешений жидких и газообразных компонентов, поступающих в смесительную секцию по жидкостным (ДУ 80 мм) и газовой (ДУ 15 мм) магистралям. Ресивер сжатого воздуха служит для питания газовой магистрали контура и для нагнетания давления в напорные емкости (1-6 на рис.2), каждая из которых имеет объем 0.5 м3. В напорных емкостях, рассчитанных на работу при давлении до 6 атм, находится жидкость (вода, жидкие углеводороды) для питания жидкостных магистралей. При открытии соленойдных клапанов воздух и жидкость поступают в смесительную секцию, протекая через индивидуальные расходомеры и регуляторы расхода. Для регулирования расходов компонентов используются шиберные задвижки с электроприводом и пропорциональным датчиком положения заслонки. Контроль расхода жидкости осуществляется шестеренчатыми расходомерами, контроль расхода газа осуществляется термоанемометрическим датчиком.

Установка полностью автоматизирована и управляется из отдельной операторской комнаты. Основные гидродинамические характеристики многофазного потока измеряются в тестовой секции, состоящей из рентгенопрозрачного участка трубы квадратного сечения со стороной 40 мм выполненного из углепластика и из плексигласового оптически прозрачного участка для визуального контроля. Тестовая секция оснащена датчиками для измерения давления и температуры потока. После тестовой секции многофазный поток попадает в коллекторный бак объемом 4 м3, откуда смесь, в случае использования одновременно жидких углеводородов и воды в качестве компонентов, перекачивается в сепаратор или направляется обратно в напорные емкости. Все ключевые узлы установки выполнены из коррозионностойкой стали. Трехмерная визуализация многофазного контура представлена на рис.3.

Особенности межфазного взаимодействия компонентов газожидкостных потоков образуют множество разнообразных режимов течения. В литературе выделяют 5 основных режимов многофазных течений: снарядный, эмульсионный, дисперсный, кольцевой, дисперсно-кольцевой [4]. Режим многофазного течения зависит от физических свойств компонентов (плотность, вязкость и т.д.), геометрии и ориентации трубопровода, а так же объемных расходов компонентов.

Для регистрации реализующихся на многофазном контуре режимов течения был выбран метод рентгеновской визуализации потока [5]. Используя тот факт, что поглощение рентгеновского излучения в веществе зависит от его плотности и химического состава, прошедшее через тестовую секцию рентгеновское излучение позволяет сформировать изображения потока с резкими контурами границы межфазных разделов. Реализующиеся на многофазном контуре режимы течений разделены на 4 группы. Классификация режимов основана на временной зависимости средней яркости рентгеновских изображений многофазного воздушно-водяного потока при давлении в 1.5 атм, полученных с частотой 2304 Гц (рис. 4). Режимы I и III относятся к снарядному типу, режим II к снарядно-кольцевому типу, режим IV – к дисперсно-кольцевому типу. Карта режимов многофазных течений представлена на рисунке 5.

Внедрение и его перспективы

Таким образом, нами спроектирована и построена экспериментальная установка для получения многофазных течений с заданными расходами компонентов. Максимальный объемный расход жидких компонентов – 20 м3/ч, газообразных – 120 м3/ч при нормальных условиях. Максимальная погрешность измерения объемных расходов индивидуальных компонентов многофазного потока составляет не более 2%. Построена карта режимов многофазных течений, реализующихся в условиях работы контура. Многофазный контур может быть использован для изучения газожидкостных потоков, валидации расчетных гидродинамических кодов и тестирования экспериментальных методик определения характеристик многофазных течений.

Список литературы

1. Gioia Falcone, G. F. Hewitt, Claudio Alimonti, MULTIPHASE FLOW METERING, Elsevier, 2009, ISBN: 978-0-444-52991-6
2. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. // Канальный ядерный энергетический реактор, 1980 М., Атомиздат.
3. Брус Н.А., Юсупов О.Е, // Анализ экспериментов по исследованию распределения истинных объемных паросодержаний по высоте активной зоны технологического канала РБМК кодом RELAP 5.
4. James P. Brill, H. Dale Beggs, "Two-phase flow in pipes", 6-th edition, 1991
5. Theodore J.Heindel, Joseph N.Gray, Terrence C.Jensen // An X-ray system for visualizing fluid flows, Flow Measurement and Instrumentation 19,2008, pp 67–78

 

 

 

Решения опубликованы на основании докладов из сборников трудов ежегодной конференции "Инженерные , научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments" с 2011 по 2014 гг.



 

© 2017 National Instruments Russia. All rights reserved.
Яндекс.Метрика