一种湿蒸汽干度测量方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种湿蒸汽干度测量方法，通过测量流入待测管路的湿蒸汽在流入各测量单元时的对流换热系数以及相邻两个测量单元的对流换热系数的改变量来判断湿蒸汽的干度；以及一种应用上述湿蒸汽干度测量方法的测量装置。本发明操作简单，能耗低，相应速度快，精度高，可适应的干度范围广。
【专利说明】
一种湿蒸汽干度测量方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于两相流测量领域，特别涉及一种湿蒸汽状态参数的测量方法及应用该 方法测量湿蒸汽干度的装置。
【背景技术】
[0002] 蒸汽由于具有生产运输方便、焓值高、无毒无害等物理化学性质，已经被当成一种 重要的二次能源，广泛应用于能源、冶金、化工、制药和食品加工等领域，为生产生活提供热 能与动力。
[0003] 蒸汽在运输过程中主要是以两相流湿蒸汽的形式存在。研究和生产实际显示，蒸 汽的品质，也就是蒸汽的各项参数，如温度、压力、干度和流量等对蒸汽的生产单位和使用 单位的生产效率和质量有着重要影响。而两相流湿蒸汽状态参数的测量，尤其是干度的测 量，是一个国际性的难题。
[0004] 现阶段采用的湿蒸汽干度测量方法主要有热力学法、分离法、电导率法、中子密度 计等，普遍存在精度差、响应速度慢、使用条件苛刻、可靠性差、价格昂贵等缺点，缺乏实用 价值，8%的测量精度就属国际先进水平。综合考虑各种湿蒸汽干度测量方法，其中以热力学 法中的冷凝法和加热法应用较为广泛。但是冷凝法需要提供冷却水，在使用场合上受到很 大限制;加热法需要消耗大量电能，响应速度慢，难以实现自动控制。
【发明内容】
[0005] 为弥补现有湿蒸汽干度测量方法的上述缺点，本发明公开了一种响应速度快、功 耗低，适应干度范围广的湿蒸汽干度测量方法及测量装置。
[0006] 本发明公开了一种湿蒸汽干度测量方法，包括如下步骤： (a) 湿蒸汽流入待测管路； (b) 控制每个测量单元中的电加热管的加热功率一致，均为P;待测量装置稳定后，通过 下列公式计算各测量单元测量得到的对流换热系数hi:
(1) 式(1)中： lu为第i个测量单元测量得到的对流换热系数； P为各测量单元电加热管的加热功率； A为各测量单兀中电加热管发热部分的表面积； tWl为第i个测量单元中贴片式温度传感器的测量温度； tfi为第i个测量单元中插入式温度传感器的测量温度； (c) 按照下列公式计算相邻两个测量单元之间对流换热系数的改变量： (2) 式(2)中：
ΛΙη为第i+1个测量单元和第i个测量单元测量测量得到的对流换热系数之差； lu为第i个测量单元测量得到的对流换热系数； h1+1为第i+Ι个测量单元测量得到的对流换热系数； (d)根据Ahi的变化趋势来判断湿蒸汽干度X。
[0007] 进一步地，增加所述测量单元的数量，可以增加湿蒸汽干度的测量精度，从而提高 对待测管路中湿蒸汽干度的测量精度。
[0008] -种应用上述湿蒸汽干度测量方法的测量装置，包括待测管路、测量单元，所述待 测管路内沿蒸汽流动方向设置至少4组测量单元;所述测量单元包括插入式温度传感器、电 加热管、贴片式温度传感器，所述待测管路内沿蒸汽流动方向依次安装有插入式温度传感 器、电加热管，所述贴片式温度传感器安装在电加热管外表面上。
[0009] 本发明的有益效果：同基于热力学的加热法相比，本发明公开的湿蒸汽干度测量 方法及装置无需测量湿蒸汽的流量，操作更为简单；因为无需将湿蒸汽完全加热成过热蒸 汽，能耗更低，相应速度更快，可适应的干度范围也更广。此外，该测量方法对湿蒸汽干度的 测量精度更高可达5%，具有很强的应用价值。
【附图说明】
[0010] 图1为基于本发明的测量装置的结构示意图； 图2为湿蒸汽对流换热系数与干度的关系示意图； 图中：1、待测管路，2、测量单元，3、插入式温度传感器，4、电加热管，5、贴片式温度传感 器。
【具体实施方式】
[0011] 为使对本发明的特征和所达成的功效有进一步的了解和认识，用以较佳的实施例 和附图配合详细说明，说明如下： 如图1所示，湿蒸汽干度测量装置包括待测管路1、测量单元2,在待测管路1沿蒸汽流动 方向依次布置5组测量单元2，所述测量单元2包括插入式温度传感器3、电加热管4;贴片式 温度传感器5安装在电加热管4的外表面上。插入式温度传感器3沿待测管路1的径向插入到 待测管路1的中央，从而让插入式温度传感器3可以测量到流经待测管路1的湿蒸汽的温度； 电加热管4沿测量管路1的径向插入待测管路1，插入端距离待测管路1管壁另一端的距离小 于等于2_，不得触碰管壁，防止电加热管4的热量被待测管路1吸收;贴片式温度传感器5固 定在电加热管4外表面上，位于待测管路1的中央，用于测量电加热管4的表面温度。
[0012] 每个测量单元2中插入式温度传感器3、贴片式温度传感器5、电加热管4的型号、尺 寸、安装位置等均一致。
[0013]使用上述测量装置的湿蒸汽干度测量方法是按照如下步骤进行的： (1) 湿蒸汽流入待测管路1; (2) 控制每个测量单元2中的电加热管4的加热功率一致，均为P;待测量装置稳定后，通 过下列公式计算各测量单元测量得到的对流换热系数hi:
上式中： lu为第i个测量单元测量得到的对流换热系数，W/(m2-K); P为各测量单元电加热管4的加热功率，W; A为各测量单兀中电加热管4发热部分的表面积(该值为定值），m2; tWl为第i个测量单元中贴片式温度传感器4的测量温度，K; tfi为第i个测量单元中插入式温度传感器2的测量温度，K; (3 )按照下列公式计算相邻两个测暈单元之间对流换热系数的改变量：
上式中： ΛΙη为第i+Ι个测量单元和第i个测量单元测量得到的对流换热系数之差W/(m2，K); lu为第i个测量单元测量得到的对流换热系数，W/(m2-K); h1+1为第i+1个测量单元测量得到的对流换热系数，W/(m 2J); (4)根据传热学原理可知，在其他条件相同时，不同干度的湿蒸汽具有不同的对流换热 系数，如图2所示。湿蒸汽干度X从0%增加到100%的过程中，湿蒸汽的对流换热系数随干度的 改变呈现出不同的规律，按规律可将整个过程划分为I，Π ，ΙΠ ，IV，V五个区域。当0〈x〈 10% 时为I区，此时对流换热系数随干度的增加呈快速上升趋势；当10%〈x〈50%时为Π 区，此时对 流换热系数几乎不随干度的增加而改变;当50%〈x〈85%时为ΙΠ 区，此时对流换热系数随干度 的增加呈慢速上升趋势；当85%〈x〈90%时为IV区，此时对流换热系数随干度的增加呈快速下 降趋势；当90%〈x〈100%时为V区，此时对流换热系数随干度的增加呈慢速上升趋势；I区以 前为液态水，V区以后为过热蒸汽。因此可以根据和的变化趋势来判断待测湿蒸汽的干度。 具体判断方法如下。
[0014] (&)若:_|_1￡=_爲:,:5:)，且当:- 2,…，m-Ι组测量单元处于V区，第m，m+l，…，5组测量单元处在过热蒸汽中，则湿蒸汽的干 度1>90%。例如111到115均大于0 4€2=3731(4€3=3831(，即111=3，则在第3测量单元时湿蒸汽已经 过热，第1、2两个测量单元处在V区内，这时判断湿蒸汽的干度x>90%，可取中间值x=95%。
[0015] (b)若当:K丨釋濟:玄时有義.喝:，当/乏m )时有厶气〉?)，说明第1，2，···，ηι 组测量单元处于IV区，第m+l，m+2,…，5组测量单元处于V区或者过热蒸汽中，则湿蒸汽的 干度X 为 85〈x〈90%。例如hi=20000W/(m2.K)，h2=2500W/(m2.K)，h 3=2700W/(m2.K)，h4=2900W/ (n^K)，h5=3100W/(n^K)，即m=2,说明湿蒸汽的对流换热系数经历了一个快速下降的过程， 从图2中可以看出，该过程只能出现在IV区。也就是说第1组测量单元处在IV区，后面4组测 量单元处在V区或者过热蒸汽中，这时判断湿蒸汽的干度为85%〈x〈90%，可取中间值x= 87.5%〇
[0016] (c)若当? <极时有錢;_，当极幻</时有.Δ為功，当时有騎趣兮:?5 )，说 明第1，2,…，m组测量单元处于Π ，ΙΠ 区，第m+1，m+2,…，1组测量单元处于IV区，第1 + 1，1 + 气裕.. 2，…，5组测量单元处于V区或者过热蒸汽中，则湿蒸汽的干度为v 4的~· Γ、一^。例如hi= 18000W/(m2.K)，h2=19000W/(m2.K)，h3=20000W/(m 2.K)，h4=2900W/(m2.K)，h5=3100W/(m2.K)， 艮Pm=3，l=4,也就是说湿蒸汽的对流换热系数经历了一个慢速上升、快速下降、慢速上升的 过程。由于湿蒸汽经过每个测量单元发生的干度改变量是相等的，第3测量单元和第4测量 单元之间湿蒸汽干度的改变量为5%，则认为湿蒸汽的干度x=80%。
[0017] (d)若当 ?.(附（构心）时，有輪續，邊..土.惑:士爲，，说明 1，2，…，m-1 组测量单元处于I区，则湿蒸汽的干度为〇〈x〈l〇%。例如111=50001/(1112.1〇，112=150001/(111 2· K)，h3=16000W/(m2 .K)，h4=17000W/(m2 .K)，h5=18000W/(m2 .K)，霉:=.χ餘…屬=3?3C，即m= 2,说明湿蒸汽的对流换热系数经历了一个快速上升的过程，这时可以认为湿蒸汽的干度为 0〈x〈 10%，可取中间值x=5%。
[0018] 如果未出现上述(a)到（d)的情形，可以逐渐增大每个测量单元中的电加热管4的 加热功率，直到测量得到的值出现很明显的跨区现象，再重复步骤⑴到⑷，完成测量。
[0019] 电加热管4的加热功率P不可能无限增大，必然存在一个最大值。如果P达到最大值 时仍未出现上述(a)到(d)的情形，说明流过测量管路1的湿蒸汽的流量太大，有限的功率不 足以使其干度发生明显的变动。此时可以减少湿蒸汽的流量，再重复步骤(1)到(4)，完成测 量。
[0020] 另外，增加测量单元2的数量，可以采集更多数据用于判断传热系数的变化规律， 从而可以更加清晰地判断各个测量单元所处的工作区域，进而辨别第1个测量单元所处的 工作区域，提高湿蒸汽干度的测量精度，提高对待测管路1中湿蒸汽干度的测量精度。
[0021] 同基于热力学的加热法比，本发明公开的湿蒸汽干度测量装置及方法无需测量湿 蒸汽的流量，结构更为简单；因为无需将湿蒸汽完全加热成过热蒸汽，能耗更低，相应速度 更快，可适应的干度范围也更广。此外，该测量方法对湿蒸汽干度的测量精度可达5%，高于 现有技术中8%的测量精度，具有很强的应用价值。
[0022] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明 的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化 和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及 其等同物界定。
【主权项】
1. 一种湿蒸汽干度测量方法，其特征在于包括如下步骤： (a) 湿蒸汽流入待测管路（1); (b) 控制每个测量单元（2)中的电加热管（4)的加热功率一致，均为；待测量装置稳定 后，通过下列公式计算各测量单元测量得到的对流换热系数：(1) 式(1)中： hi为第i个测量单元测量得到的对流换热系数； P为各测量单元电加热管的加热功率； A为各测量单元中电加热管发热部分的表面积； tWi为第i个测量单元中贴片式溫度传感器的测量溫度； tfi为第i个测量单元中插入式溫度传感器的测量溫度； (C )按照下列公式计算相邻两个测量单元之间对流换热系数的改变量Ahi:(2) 式(2)中： Ahi为第i+1个测量单元和第i个测量单元测量测量得到的对流换热系数之差； hi为第i个测量单元测量得到的对流换热系数； hw为第i+1个测量单元测量得到的对流换热系数； (d)根据Ahi的变化趋势来判断湿蒸汽干度X。2. 根据权利要求1所述的一种湿蒸汽干度测量方法，其特征在于：增加所述测量单元 (2)的数量，可W增加湿蒸汽干度的测量精度，从而提高对待测管路中湿蒸汽干度的测量精 度。3. -种应用权利要求1所述的湿蒸汽干度测量方法的测量装置，其特征在于包括待测 管路（1)、测量单元(2)，所述待测管路（1)内沿蒸汽流动方向设置至少4组测量单元(2)，所 述测量单元(2)包括插入式溫度传感器(3)、电加热管(4)、贴片式溫度传感器巧），所述待测 管路(1)内沿蒸汽流动方向依次安装有插入式溫度传感器(3)、电加热管(4)，所述贴片式溫 度传感器巧)安装在电加热管(4)外表面上。
【文档编号】G01N25/20GK105973932SQ201610280285
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】王筱庐, 王泽元, 王文东
【申请人】西安若水电气设备有限公司