新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置及方法与流程

本发明涉及两相流参数检测技术领域，具体地说是一种用于多种流量条件下新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置及方法。

背景技术：

环状流是气液两相流动最典型的流型之一，广泛存在于石油化工、空调制冷系统以及核反应堆冷却等领域。液膜是环状流传质传热的重要载体，液膜的取出与计量对环状流液膜质量流速、气芯液滴夹带率、液滴沉积率等参数的研究以及工业上对传热管壁干涸的预测、提高安全生产等具有重要意义。目前应用最广泛的液膜直接提取方法是萃取法以及多孔介质差压渗透法。

液膜萃取装置的示意图如图1所示。萃取法即由孔隙为100μm的萃取管路组成，通过针孔排出气体，由于内外压差，内部液膜在s1段被压出，由于气芯的夹带作用以及液滴的沉降，管壁形成新的液膜，通过s2段取出的液体质量计算液滴沉降率。当再增加排气量，下方可视化流动状态观察管从不透明变为透明，后排气量再增大，都不再观察到变化时假定液膜在s1段被完全取出。但该方法仅适用于流速较低的环状流液膜的取出，当有较高的水流量时很难通过可视化观察判定液膜是否取出完全；同时利用量筒测量液膜体积，加大了人工测量带来的测量误差，且存在实验结果无法远传，数据不能自动采集，响应缓慢等弊端。

多孔介质差压渗透法是在萃取法基础上改进而来，其同样通过调节排气量控制取出液膜的流量，通过控制阀取出液膜并称量。该方法判断液膜是否完全取出是当系统的压力、温度和差压等均稳定后，计量当前时间段内的平均流量。按照一定规则增大排气量后，再次计算平均质量流量。对比两次测量结果，若相差小于5%，则认为液膜已全部收集，否则继续成倍增大排气量。采用该方法在判断液膜是否取出时存在两方面弊端，一是两次称量计算造成的滞后性，不能对取出液膜进行实时计量；二是判断液膜是否完全取出的方法不够精确，若排气量过大可能会造成气芯所夹带的液滴同时被取出，造成利用此方法取出液膜并在后续计算气芯液滴夹带率等参数研究的不准确性增大。

考虑到萃取介质以及多孔渗水介质平均孔隙直径为100μm，当液膜流量过大或液膜流速过快时，势必会造成液膜取出不完全。所以以上两种方法取出液膜时存在仅适用于低流速、小流量液膜的取出，响应速度慢等弊端。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置及方法，以解决现有技术仅适于低流速、小流量液膜取出，响应速度慢，测量不准确等问题。

本发明是这样实现的：一种新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置，包括液膜取出与收集机构、液膜检测机构、质量流量测量机构以及自动控制系统；

所述液膜取出与收集机构用于实现气液两相环状流中液膜的取出以及收集；所述液膜取出与收集机构包括多孔渗透管、扩张管、电动伸缩管、储液容器和气泵；所述电动伸缩管和所述多孔渗透管分别自所述储液容器相对的两个侧面横向穿过所述储液容器，所述扩张管呈圆台状的变径管结构，所述扩张管的小口径端与所述多孔渗透管端部连接的直管段端部在所述储液容器内相接，所述电动伸缩管的自由端自所述扩张管的大口径端伸入到所述扩张管内并与所述扩张管的内壁之间间隙相接；气液两相环状流中液膜部分可自所述多孔渗透管并经电动伸缩管与扩张管之间的间隙取出，气核部分流向所述电动伸缩管；所述多孔渗透管、所述扩张管以及所述电动伸缩管联合作可用于对不同流量流速条件下气液两相环状流中的液膜进行取出，取出后的液膜进入储液容器内；所述气泵用于调节储液容器与多孔渗透管内的压力差，以使液膜实现顺利完全取出；

所述液膜检测机构设置在所述储液容器外侧的电动伸缩管上，通过所述液膜检测机构可以检测经所述多孔渗透管和扩张管后进入所述电动伸缩管内的两相流体中是否存在未被取出的连续液膜；

所述质量流量测量机构用于在液膜检测机构判定液膜已完全取出时将储液容器中的液膜导出并进行称量；所述质量流量测量机构包括换向器、储液罐、废液罐、电动调节阀、电子秤和电容式液位计；所述换向器设置在所述储液容器的下方，所述换向器通过导流管与所述储液容器相接，所述储液容器内的液膜可经所述导流管流入所述换向器；所述电动调节阀设置在所述导流管上，通过所述电动调节阀可以调节由储液容器流入所述导流管内液膜的流量大小；在所述换向器上设有两个分支管路，其中一支管路与储液罐相接，另一支管路与废液罐相接；所述储液罐置于所述电子秤上，通过所述电子秤可以称量流入所述储液罐内液膜的质量；所述电容式液位计设置在所述储液容器上，所述电容式液位计用于测量储液容器内液膜的液位，以确保经换向器导出的液膜流量与经多孔渗透管和扩张管取出的液膜流量相等；

所述自动控制系统用于接收所述液膜检测机构以及质量流量测量机构所测数据，并对所述液膜取出与收集机构、所述质量流量测量机构进行控制，同时根据所述质量流量测量机构所测数据计算气液两相环状流液膜质量流量。

当所述液膜检测机构检测到电动伸缩管内的流体中存在未被取出的连续液膜时，所述自动控制系统控制所述气泵增大排气量和/或控制所述电动伸缩管增大其与扩张管之间的间隙，以便液膜被完全取出；当所述液膜检测机构检测到电动伸缩管内的流体中不存在未被取出的连续液膜时，所述自动控制系统控制换向器使液膜导入废液罐，同时通过控制电动调节阀开度使储液容器内液膜液位保持不变，接着所述自动控制系统控制换向器使液膜导入/导出储液罐，记录两次换向之间的时间间隔；所述自动控制系统根据电子秤所测储液罐内液膜的质量以及液膜导入/导出储液罐的时间间隔计算得到气液两相环状流液膜质量流量。

所述液膜检测机构是由两组具有一定间隔的环形电导线圈内嵌在电动伸缩管内壁设计而成；当电动伸缩管内的流体中有连续液膜流过时，所述环形电导线圈与外部电源电路形成回路并输出连续的电流信号；当电动伸缩管内的流体中没有连续液膜流过时，所述环形电导线圈无输出电流或输出断续的电流信号。

所述电动伸缩管包括固定主管、活动连接管以及波纹管；所述固定主管穿过所述储液容器的侧面，所述液膜检测机构设置在所述储液容器外侧的固定主管上；所述活动连接管以及所述波纹管位于所述储液容器内，所述波纹管用于连接所述固定主管与所述活动连接管；所述活动连接管的自由端自所述扩张管的大口径端伸入到所述扩张管内并与所述扩张管的内壁之间间隙相接；通过所述波纹管的伸缩可以调节所述扩张管与所述活动连接管自由端之间的间隙。

所述储液容器是由有机玻璃构成的长方体结构的容器。

本发明还提供了一种新型气液两相环状流液膜质量流量测量方法，包括如下步骤：

a、搭建新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置；具体是：使电动伸缩管和多孔渗透管分别自储液容器相对的两个侧面横向穿过储液容器，且在储液容器内，多孔渗透管的自由端通过直管段与扩张管的小口径端固接，电动伸缩管的自由端自扩张管的大口径端伸入到扩张管内并与扩张管内壁之间间隙相接；在储液容器一侧设置气泵，在储液容器上方设置电容式液位计，在储液容器外的电动伸缩管上设置液膜检测机构；在储液容器下方通过导流管连接换向器，换向器的两支管路分别接储液罐和废液罐，储液罐置于电子秤，在导流管上设电动调节阀；使电动伸缩管、气泵、电容式液位计、液膜检测机构、电动调节阀、换向器和电子秤均与自动控制系统电连接；

b、向上述装置中通入稳定的气液两相环状流，电动调节阀处于打开状态，控制换向器使液膜流入废液罐；

c、关闭电动调节阀，设定电动伸缩管中活动连接管与扩张管间的初始间隙，打开气泵调节储液容器与多孔渗透管内的压力差，使液膜被取出；

d、液膜检测机构检测液膜是否被完全取出，如果否，则由自动控制系统控制气泵增大排气量和/或控制电动伸缩管增大扩张管与活动连接管之间的间隙，直至液膜被完全取出；

e、打开电动调节阀，由自动控制系统控制换向器使液膜导入废液罐；

f、根据电容式液位计测试结果调节电动调节阀开度，控制液膜导入废液罐的流量，以使储液容器内液膜液位保持不变；

g、待储液容器内液膜液位在1-2min内保持不变后，由自动控制系统控制换向器使液膜导入储液罐；

h、经预设时间间隔后由自动控制系统控制换向器使液膜导入废液罐；

i、电子秤将预设时间间隔内导入储液罐内液膜的质量进行称量并传送给自动控制系统，自动控制系统根据如下公式计算得出液膜质量流量：

w=m/t；

式中，w是气液两相环状流液膜质量流量，m是电子秤所称量的预设时间间隔内导入储液罐内液膜的质量，t是预设时间间隔。

本发明使气液两相环状流沿多孔渗透管流动，同时沿液膜流动方向设置与多孔渗透管相接的扩张管，通过电动伸缩管可以调节扩张管与电动伸缩管的活动连接管自由端之间的间隙距离，在多孔渗透管与扩张管的联合作用下，可实现多种液膜流速、流量条件下气液两相环状流液膜的取出；结合对换向器的设计以及由自动控制系统对气泵、电动伸缩管、液膜检测机构、电容式液位计、电动调节阀、换向器、电子秤等器件的控制，实现了pid调节，保证了液膜的精确自动在线取出，为环状流液膜质量流量的测量提供了新方法新思路。

与现有技术中的液膜取出方法相比，本发明可实现多种流速流量条件下液膜的精确取出与计量。自动控制系统的设计避免了人为操作因素所带来的误差，自动控制系统对电容式液位计、液膜检测机构等所测数据进行处理，通过pid调节控制气泵、电动伸缩管、电动调节阀和换向器等器件，确保了液膜自动取出的同时也保证了液膜的完全取出，并实现了液膜质量流量的精确计量。

附图说明

图1是现有技术中液膜提取方法所用萃取装置的结构示意图。

图2是本发明中液膜质量流量测量装置的整体结构示意图。

图3是本发明中换向器及其两个管路导出液膜并称量的结构示意图。

图4是本发明中液膜取出过程控制信号的传输示意图。

图5是本发明中液膜导出过程控制信号的传输示意图。

图中：1、多孔渗透管；2、储液容器；3、导流管；4、侧向管；5、电容式液位计；6、电动调节阀；7、气泵；8、液膜检测机构；9、电动伸缩管；10、扩张管；11、换向控制阀；12、废液罐；13、储液罐；14、电子秤。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的特征、技术手段以及所要达到的具体目的与功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1，新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置。

如图2所示，本发明所提供的新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置包括液膜取出与收集机构、液膜检测机构、质量流量测量机构以及自动控制系统。

液膜取出与收集机构用于实现气液两相环状流中液膜的取出以及收集。液膜取出与收集机构包括多孔渗透管1、扩张管10、电动伸缩管9、储液容器2和气泵7。储液容器2是由有机玻璃构成的长方体结构的容器，其用来存储由管道中取出的液膜。本发明中用于取出液膜的管道包括多孔渗透管1和扩张管10，多孔渗透管1自储液容器2的一个侧壁横向穿接在储液容器2内，多孔渗透管1留在储液容器2外部的一端通过法兰连接两相流管道，多孔渗透管1由多孔渗液介质加工而成，多孔渗透管1上的渗透孔均位于储液容器2内，多孔渗透管1上的渗透孔孔隙为100μm。扩张管10呈圆台状的变径管结构，也即呈现出“喇叭形”的管路结构，扩张管10位于储液容器2内，扩张管10的小口径端的管径与多孔渗透管1的管径相同，且扩张管10的小口径端在储液容器2内与多孔渗透管1的自由端固接，可以在多孔渗透管1的自由端设置直管段，使扩张管10的小口径端与多孔渗透管1自由端的直管段固接。两相流自多孔渗透管1流向扩张管10，因此，扩张管10是沿液膜流向方向管壁以一定角度向外扩张的管路。电动伸缩管9相对多孔渗透管1自储液容器2的另一个侧壁横向穿接在储液容器2内，电动伸缩管9具体包括固定主管、活动连接管以及波纹管。固定主管横向穿过储液容器2的侧壁，活动连接管和波纹管均位于储液容器2内部。固定主管在储液容器2外部的一端通过法兰连接两相流管道，固定主管在储液容器2内的一端通过波纹管连接活动连接管。且在储液容器2内，活动连接管的自由端自扩张管10的大口径端伸入到扩张管10内，活动连接管与扩张管10之间间隙相接。活动连接管自由端的管径与扩张管10小口径端的管径相同。波纹管可以伸长或缩短，从而可以控制活动连接管自由端与扩张管10内壁之间的间隙，一般扩张管10内壁与活动连接管自由端之间的间隙控制在0-3mm之间。对于小流量、低流速条件下的气液两相环状流，可以通过波纹管减小活动连接管与扩张管10之间的间隙，使液膜仅通过多孔渗透管1被取出；而对于大流量、高流速条件下的气液两相环状流，液膜通过多孔渗透管1不能被完全取出，此时需通过波纹管增大活动连接管与扩张管10之间的间隙，使经多孔渗透管1未被取出的液膜经由活动连接管与扩张管10之间的间隙并沿扩张管10内壁流入储液容器2内。需要说明的是，活动连接管与扩张管10之间的间隙的设置应保证只允许液膜流过，气相部分沿扩张管10流入活动连接管，再经波纹管流入固定主管。本发明中通过设置多孔渗透管1、扩张管10和电动伸缩管9，可以对多种流量、流速条件下的液膜进行取出。

气泵7设置在储液容器2的左侧且靠近储液容器2上方，在储液容器2的左侧壁开孔并安装侧向管4，气泵7通过侧向管4与储液容器2内腔相连通。气泵7一般为小型气泵，通过气泵7可以制造负压以使液膜被取出并被收集于储液容器2内，即：气泵7用于调节储液容器2与多孔渗透管1内的压力差，以使液膜顺利取出。

液膜检测机构8设置在储液容器2外侧电动伸缩管9的固定主管上，通过液膜检测机构8可以检测经多孔渗透管1和扩张管10后进入电动伸缩管9内的流体中是否存在未被取出的连续液膜。液膜检测机构8是由两组有一定间隔（该一定间隔可以预先设置好）的环形电导线圈内嵌在电动伸缩管9的固定主管内壁设计而成，两组环形电导线圈与外部电源电路形成回路。当固定主管内的流体中存在连续液膜时（即当液膜未被完全取出时），环形电导线圈会输出连续的电流信号；当固定主管内的流体中不存在连续液膜时（即当液膜已被完全取出时），环形电导线圈无输出电流，也可能因气芯夹带液滴等因素的影响，环形电导线圈输出个别断续的电流信号。因此通过环形电导线圈输出信号的连续性即可判断液膜是否被完全取出。

如图4所示，液膜检测机构8检测液膜是否被完全取出，并将检测结果发送至自动控制系统，本发明中自动控制系统的核心是单片机。当液膜未被完全取出时，单片机控制气泵7增大排气量，或者单片机控制电动伸缩管9调节活动连接管与扩张管10之间的间隙，单片机也可以控制气泵7和电动伸缩管9同时作用，在扩张管10和多孔渗透管1的共同作用下，使得液膜被完全取出。因此，气泵7的工作状态和电动伸缩管9中波纹管的伸缩量是由液膜检测机构8所反馈的信号进行调节的，通过pid调节，以实现液膜的完全取出。

质量流量测量机构用于在电动伸缩管9内的流体中不存在液膜时（即在流入电动伸缩管9内的两相流中的液膜被完全取出时）将储液容器2中的液膜导出并进行称量。结合图2和图3，质量流量测量机构包括换向器、储液罐12、废液罐13、电动调节阀6、电子秤14和电容式液位计5。

在储液容器2的右侧上方开孔安装电容式液位计5，电容式液位计5用于测量储液容器2内液膜的液位，如图5所示，电容式液位计5可将测量结果发送至单片机。在储液容器2的下方开孔并安装导流管3，电动调节阀6安装在导流管3上。电容式液位计5将所测得的液位参数反馈给单片机，由单片机控制电动调节阀6的开关以及开度大小，从而对导流管3处液膜流动的通断以及导出液膜的流量大小进行控制，通过pid调节，保证储液容器2内液位不变，此时经导流管3导出的液膜流量与经多孔渗透管1和扩张管10取出的液膜流量相等。

换向器设置在储液容器2的下方，换向器通过导流管3与储液容器2相接，储液容器2内的液膜可经导流管3流入换向器。为了方便换向器与储液容器2的连接与拆卸，换向器通过法兰与储液容器2下方的导流管3连接。

如图3所示，在换向器上设有两个分支管路，其外部形状仿照y型管路设计，内部流体在分流处设置换向控制阀，通过换向控制阀的动作，可以使一支管路流向储液罐13，另一支管路流向废液罐12。储液罐13置于电子秤14上。本发明中电子秤14是高精度精密电子秤，通过电子秤14可以称量流入储液罐13内液膜的质量。单片机对换向器的控制即是对换向控制阀动作的控制，单片机可以测得换向控制阀每次换向的时间以及两次换向的时间间隔。当液膜检测机构8检测到电动伸缩管9内的流体中不存在液膜时（即当液膜被完全取出时），单片机控制换向器使液膜导入废液罐12；同时单片机接收电容式液位计5所测液位数据，并根据所接收到的液位数据控制电动调节阀6，以使储液容器2内的液膜液位保持不变。待储液容器2内的液膜液位在一段时间内保持不变后，单片机控制换向器使液膜导入储液罐13，实现储液罐13对液膜的收集；储液罐13收集液膜完成后，单片机再次控制换向器使液膜导入废液罐12。除储液罐13收集液膜的时间段外，其余时间均控制换向器使液膜流向废液罐12。单片机可精确计量换向器两次换向的时间，单片机根据电子秤14所测储液罐13内液膜的质量以及液膜导入/导出储液罐13的时间间隔（该时间间隔指液膜导入储液罐13的时间与液膜导出储液罐13的时间差，即液膜导入储液罐13后又导入废液罐12的两次换向时间间隔）即可计算得到气液两相环状流液膜质量流量。

本发明中液膜检测机构、电容式液位计、气泵、电动伸缩管和电动调节阀，其均输入、输出4～20ma的电流信号，并与单片机相连接实现对取出液膜流量的自动控制，并经由pid调节实验液膜的完全取出。

本发明所提供的液膜质量流量测量装置，通过对换向器的设计及对气泵、电容式液位计、电动调节阀、电动伸缩管等设备器件的自动控制，并设计沿液膜流动方向向外以一定角度扩张的扩张管结合多孔渗透管，通过处理液膜检测机构、电容式液位计输出的信号，以及对气泵、电动伸缩管、电动调节阀、换向器等器件的pid调节控制，实现了多种流量流速条件下气液两相环状流液膜的精确取出与计量，为环状流液膜质量流量的测量提供了新方法新思路。

实施例2，新型气液两相环状流液膜质量流量测量方法。

本发明所提供的新型气液两相环状流液膜质量流量测量方法，包括如下步骤：

a、搭建新型气液两相环状流液膜质量流量测量装置。对该液膜质量流量测量装置的具体介绍可参见实施例1所述，此处不再赘述。

b、向多孔渗透管内通入稳定的气液两相环状流；打开电动调节阀，由自动控制系统控制换向器使液膜流入废液罐。

c、关闭电动调节阀，设定电动伸缩管与扩张管间的初始间隙（初始间隙可以设定为零，也可以设定为1mm），打开气泵调节储液容器与多孔渗透管内的压力差，使液膜被取出。

d、由液膜检测机构检测液膜是否被完全取出，如果否，则由自动控制系统控制气泵增大排气量和/或控制电动伸缩管增大电动伸缩管与扩张管之间的间隙，增大液膜取出量；直至液膜被完全取出。

当液膜流速、流量较低时，可以控制电动伸缩管使活动连接管与扩张管之间的间隙为零，此时仅由多孔渗透管即可将液膜完全取出。当液膜流速流量大时，通过调节气泵增大负压，液膜检测机构仍然有连续信号输出时，便可通过电动伸缩管使波纹管收缩，通过增大活动连接管与扩张管之间的间隙以增大液膜取出量，在扩张管和多孔渗透管的共同作用下将液膜取出。

e、打开电动调节阀，由自动控制系统控制换向器使液膜导入废液罐。

f、电容式液位计测量储液容器内液膜的液位并将所测数据发送至自动控制系统，自动控制系统根据电容式液位计所测数据对电动调节阀的开度进行调节，控制液膜导入废液罐的流量，以使储液容器内液膜液位保持不变，此时经换向器导出的液膜流量与经多孔渗透管和扩张管取出的液膜流量相等。

g、待储液容器内液膜液位在1-2min内保持不变后，由自动控制系统控制换向器使液膜导入储液罐，经一段时间后由自动控制系统控制换向器使液膜再次导入废液罐，自动控制系统监测并记录该两次换向的时间间隔t（单位：s），该两次换向的时间间隔t即是液膜导入储液罐后又导出储液罐的时间间隔。

h、电子秤将一段时间段内导入储液罐内液膜的质量进行称量并传送给自动控制系统，自动控制系统根据如下公式计算得出液膜质量流量：

w=m/t；

上式中，w是气液两相环状流液膜质量流量(单位：kg/s)，m是电子秤所称量的一段时间内导入储液罐内液膜的质量（单位：kg），t是液膜导入/导出储液罐的时间间隔（单位：s）。