RU204591U1 - Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды - Google Patents

Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды Download PDF

Info

Publication number
RU204591U1
RU204591U1 RU2020128754U RU2020128754U RU204591U1 RU 204591 U1 RU204591 U1 RU 204591U1 RU 2020128754 U RU2020128754 U RU 2020128754U RU 2020128754 U RU2020128754 U RU 2020128754U RU 204591 U1 RU204591 U1 RU 204591U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
components
measuring
phase medium
section
Prior art date
Application number
RU2020128754U
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 RU2020128754U priority Critical patent/RU204591U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU204591U1 publication Critical patent/RU204591U1/ru

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10Locating fluid leaks, intrusions or movements
    • E21B47/103Locating fluid leaks, intrusions or movements using thermal measurements
    • 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)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков. Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды содержит по потоку поворотное колено с импульсным нагревателем, входной в щелевой корпус патрубок с расширяющимся по потоку сечением, с расположенной на внешнем радиусе колена плоской стенкой, к которой посредством сужающегося конуса прикреплен тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации, и выходной из щелевого корпуса патрубок с сужающимся по потоку сечением. Обеспечивается упрощенное измерение долей компонентов в потоке двухфазной среды при визуализации термограммы тепловизором. 2 ил.

Description

Предложенная полезная модель измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.
Известны устройства 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 С1); 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 эффект, акустическая плотность, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет устройство системы измерения.
Известное тепловое меточное устройство измерения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды, реализованное в расходомере и принятое 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 устройством измеряются разность температур термопреобразователей до и после нагревателя и время прихода тепловой метки к термопреобразователю после нагревателя, по которой определяются доли компонентов жидкости и газа.
Недостатком известного устройства является двухступенчатый непрерывный нагреватель потока двухфазной среды с завышенной затратой энергии для измерения данных разности температур.
Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при визуализации термограммы тепловизором.
Технический результат достигается тем, что устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды, характеризующееся тем, что содержит по потоку среды поворотное колено с импульсным нагревателем, входной в щелевой корпус патрубок с расширяющимся по потоку сечением с расположенной на внешнем радиусе колена плоской стенкой, к которой посредством сужающегося конуса прикреплен тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации, и выходной из щелевого корпуса патрубок с сужающимся по потоку сечением.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды и величины излучения компонентами по термограмме на стенке щелевого корпуса.
На фиг. 2 показано на поворотном колене изменение профиля эпюры скоростей потока до поворота 14 и после 15 (влияние центробежных сил).
По устройству (фиг. 1) измерения текущих долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды (или их отношения), характеризующегося тем, что поток среды со скоростью V проходит через поворотное колено 11 с импульсным нагревателем 5 на входном патрубке 2 с расширяющимся по потоку сечением в щелевой корпус 1 с расположенной на внешнем радиусе колена 1 плоской стенкой 4, к которой посредством сужающегося конуса 6 прикреплен тепловизор 7 с вычислительным комплексом обработки информации, и выходной патрубок 3 с сужающимся по потоку сечением из щелевого корпуса 1.
В изогнутых трубах и каналах (коленах, отводах) 11, вследствие искривления течения потока, появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке 4 трубы. Этим обусловливается повышение давления у внешней стенки с понижением скорости (эпюра 14, фиг. 2) и понижение его у внутренней с повышением скорости. Переход потока из изогнутой части в прямолинейную (после поворота) сопровождается обратными явлениями: диффузорным эффектом с уменьшением скорости течения вблизи внутренней стенки (эпюра 15, рис. 2) и конфузорным (увеличения скорости) вблизи внешней. На изогнутом участке образуется замкнутая вихревая зона 16, которая с дальнейшим увеличением числа Re=(2-2,5) 105 окончательно рассасывается и на выходе отсутствует (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/М. Машиностроение. 1992). Кроме того, расширение величины сечения входного патрубка 2 с диффузорным эффектом приводит к дополнительному сглаживанию потока и замедлению общей скорости, выравниванию эпюры скоростей без отрыва потока от стенок щелевого корпуса 1. Такое сочетание конструктивных приемов позволяет стабилизировать поток перед его проходом в щелевой корпус 1 для последующей идентификации состава компонентов потока двухфазной среды по излучательной способности ε.
Подробный анализ течения при гидравлическом повороте позволяет обосновать некоторые дополнительные свойства этого механизма. Можно считать, что инерционные силы уменьшают слой компонентов, прижатых к продольной плоской стенке 5, через которую извлекается необходимые параметры температуры и излучательной способности ε компонентов, не оставляя за измеряемым в поперечном слое компонентов другого свойства. При этом уменьшаются связи перемешивания между компонентами, уменьшается передача взаимного теплообмена компонентов излучением внутри потока, увеличивается адгезия компонентов к продольной стенке с увеличением теплопроводности, повышается достоверность ИК-изображения, предотвращая передачу тепловой энергии по самой стенке о компонента к компоненту.
Кроме того, положительное влияние инерционных сил проявляется в том, что происходит выравнивание поля скоростей компонентов жидкой В и газовой Г фаз. Если рассматривать поворотное колено как элемент «циклона», то газовая фаза, расположенная между продольной стенкой и жидкой фазой практически исчезает, перемещаясь согласно плотности выше жидкой фазы. Происходит увеличенное расслоение фаз, нефть Н со своей плотностью также перемещается. Искривление потока проводится в двух плоскостях - в плоскости чертежа и перпендикулярной к нему, показанным эллипсом 17 выходного отверстия колена 1 трубы.
Текущие доли компонентов в потоке 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.
Процесс работы устройства по ПМ начинается от теплоотдачи компонентам определенного теплового заряда Qк от импульсного источника заряда Q и формирования тепловой метки 13 размером L*H компонентов в потоке двухфазной среды, далее следует передача теплового заряда (потока) от заряженных компонентов тепловой метки к плоской стенке щелевого корпуса измерительного участка (от нагретых ИК компонентов менее нагретым областям продольной стенки измерительного участка) по зависимости
QккFкτΔТк [Дж],
где βк - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(м2К)];
Fк - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, [м2, пикселях];
τ - продолжительность процесса теплоотдачи, [с];
ΔТк - разность температур поверхности плоской стенки и компонента, [К, °С].
В предложенной модели импульсный источник тепла излучает тепло внутрь трубы потоку смеси, поэтому тепловой заряд Qк поглощается только компонентами и этим определяется коэффициент поглощения αк. По закону Кирхгофа поглощательная способность αк равна излучательной способности компонента εкк, и, следовательно, Тк=QккFкτ.
По процедуре измерения тепловизор объединен с плоским измерительным участком щелевого корпуса 1 трубопровода закрытым кожухом 6, внутри которого имеется атмосфера с температурой Токр. Одновременно плоская излучающая стенка 4 измерительного участка щелевого корпуса 1 поглощает излучение, испускаемое окружающей средой внутри кожуха 6, величиной теплового потока Qк4=5,7εк Δкτ(Токр/100)4. При температуре компонента Тк тепловой метки 13, преобразованной в температуру Тку на термограмме, и величине большей окружающей температуры Токр, и при одинаковой площади Fкк, то количество теплоты, действующего на матрицу тепловизора будет иметь вид Qк матр=5,7εкАкτ[(Тку/100)4-(Токр/100)4]. Далее для анализа программным обеспечением (ПО) тепловизора ведется построение областей 14 изотермами 15 и идентификация областей 14 в принадлежности конкретному компоненту по излучательной способности εк областей, образованных изотермами 12 компонентов. После этого следует вычисление суммарных площадей разделенных различными изотермами 12 однотипной температуры и пропорциональных отношений к общей площади тепловой метки 13 термограммы, и далее суммирование всех площадей для определения общих текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды.
Поток проходит через гидравлическое поворотное колено 11 во входной патрубок 2 с расширяющимся по потоку сечением, по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3 с сужающимся по потоку сечением (фиг. 1). Такое выполнение входного патрубка позволяет стабилизировать поток перед его проходом в щелевой корпус для последующей идентификации состава компонентов потока двухфазной среды по излучательной способности, т.е. обеспечивает упрощение измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при визуализации термограммы тепловизором. 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 щелевого корпуса 1 компоненты, например: вода В, нефть Н и газ Г, нагретые до своих разных температур Тв, Тн и Тг, распределяются под действием инерционных сил после поворота в колене 11 по стенке измерительного участка 4 щелевого корпуса 1, контактируют с ней и создают в ней местные нагретые области в виде термограммы, отображаемой с клеткой 10 в пикселях, соответствующей матрице тепловизора 8. Детектор тепловизора 7 получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал согласно свойствам коэффициента излучательной способности εк каждого компонента.
Далее строятся изотермы - линии 9, 13, 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 Г, Н, В. 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 α масс Мк компонентов в общей массе М потока (αкк/М). 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 текущая доля воды определится так αв=Mв/M. Аналогично определяется текущая доля с коэффициентом αк других компонентов в потоке двухфазной среды.
При изменении скорости V потока двухфазной среды 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 М всех компонентов и отдельно массы Мк компонентов по их долям α в соответствии с площадями на термограмме 13 измерительного участка 4 щелевого корпуса 1.
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 долей компонентов в общем массовом подсчете текущих долей двухфазной среды. При большей скорости потока будут большие области по пикселям компонентов при прежнем соотношении областей.
Раздельно текущие доли компонентов в потоке подсчитываются как МккМ. Например, для газожидкостного потока воды, нефти и газа: МввМ, МннМ, МггМ.
Предложенное устройство обеспечивает бесконтактное измерение долей компонентов в потоке двухфазной среды по температуре и за счет использования единого параметра - излучательной способности идентифицировать компоненты, что позволяет упростить процедуру измерения с пониженной тратой энергии.

Claims (1)

  1. Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды, характеризующееся тем, что содержит по потоку поворотное колено с импульсным нагревателем, входной в щелевой корпус патрубок с расширяющимся по потоку сечением, с расположенной на внешнем радиусе колена плоской стенкой, к которой посредством сужающегося конуса прикреплен тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации, и выходной из щелевого корпуса патрубок с сужающимся по потоку сечением.
RU2020128754U 2020-08-31 2020-08-31 Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды RU204591U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128754U RU204591U1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020128754U RU204591U1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU204591U1 true RU204591U1 (ru) 2021-06-01

Family

ID=76313851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020128754U RU204591U1 (ru) 2020-08-31 2020-08-31 Устройство измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU204591U1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3204460A (en) * 1962-08-13 1965-09-07 United States Steel Corp System for indicating the liquid level in a continuous-casting mold or the like
RU2244266C1 (ru) * 2003-09-11 2005-01-10 Мезиков Аркадий Константинович Способ определения расхода потока жидкости
RU2249181C1 (ru) * 2003-09-11 2005-03-27 Мезиков Аркадий Константинович Способ определения расхода потока жидкости
JP2008107298A (ja) * 2006-10-27 2008-05-08 Oval Corp 多相流量計
RU2445582C1 (ru) * 2010-10-27 2012-03-20 Николай Леонидович Егоров Устройство с поворотным байпасом для измерений водогазонефтяных потоков
RU2521282C1 (ru) * 2013-01-31 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ измерения расхода газожидкостной смеси
RU2611439C1 (ru) * 2015-12-24 2017-02-22 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3204460A (en) * 1962-08-13 1965-09-07 United States Steel Corp System for indicating the liquid level in a continuous-casting mold or the like
RU2244266C1 (ru) * 2003-09-11 2005-01-10 Мезиков Аркадий Константинович Способ определения расхода потока жидкости
RU2249181C1 (ru) * 2003-09-11 2005-03-27 Мезиков Аркадий Константинович Способ определения расхода потока жидкости
JP2008107298A (ja) * 2006-10-27 2008-05-08 Oval Corp 多相流量計
RU2445582C1 (ru) * 2010-10-27 2012-03-20 Николай Леонидович Егоров Устройство с поворотным байпасом для измерений водогазонефтяных потоков
RU2521282C1 (ru) * 2013-01-31 2014-06-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ измерения расхода газожидкостной смеси
RU2611439C1 (ru) * 2015-12-24 2017-02-22 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sliwinski et al. Stratification in thermal storage during charging
Xin et al. An experimental study of single-phase and two-phase flow pressure drop in annular helicoidal pipes
Will et al. An experimental study of forced convective heat transfer from smooth, solid spheres
Revellin et al. Characterization of diabatic two-phase flows in microchannels: Flow parameter results for R-134a in a 0.5 mm channel
Zanoun et al. Evaluating the law of the wall in two-dimensional fully developed turbulent channel flows
Mi et al. Investigation of vertical slug flow with advanced two-phase flow instrumentation
Xue et al. Investigation on the void fraction of gas–liquid two-phase flows in vertically-downward pipes
Scammell et al. Heat transfer and flow characteristics of rising Taylor bubbles
Kang et al. Isothermal and heated turbulent upflow in a vertical annular channel–Part I. Experimental measurements
Aliyu et al. Interfacial shear in adiabatic downward gas/liquid co-current annular flow in pipes
Zanoun et al. Wall skin friction and mean velocity profiles of fully developed turbulent pipe flows
Kim et al. Local heat transfer coefficients for condensation in stratified countercurrent steam-water flows
Cresswell et al. Experimental investigation into a turbulent jet with negative buoyancy
Zhu et al. Experimental study of two-phase flow structure in churn-turbulent to annular flows
Gan et al. An experimental study of two-phase pressure drop of acetone in triangular silicon micro-channels
Andeen et al. Momentum flux in two-phase flow
FR2445516A1 (fr) Procede et appareil de mesure par voie thermique du debit massique d'un fluide
Maré et al. Experimental analysis of mixed convection in inclined tubes
Hetsroni et al. A hot-foil infrared technique for studying the temperature field of a wall
Coleman et al. Two phase pressure losses of R134a in microchannel tube headers with large free flow area ratios
Hetsroni et al. Heat transfer in intermittentair–water flows—Part I: Horizontal tube
Hetsroni et al. Thermal patterns on a heated wall in vertical air–water flow
Dehghandokht et al. Numerical study of fluid flow and heat transfer in a multi-port serpentine meso-channel heat exchanger
RU2751579C1 (ru) Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды
Jarrett et al. Mass transfer in rectangular cavities