浓相气/固两相流质量流量测量的新方法

0　引　言

近几十年,对于用文丘里管进行气/固两相流质量流量的测量进行了大量的实验和理论研究[1~3],并得出文丘里管上的压差与均匀的气体/粉体混合物的粉体含量间的对应关系,即ΔPMIX/ΔPGAS=f (st, Z),其中,ΔPMIX为混合物流经文丘里管时产生的差压,ΔPGAS为气体单独流经文丘里管时产生的差压, St为斯托克斯数, Z为固/气比·但其适用对象是稀相的两相流动(固气体积比小于5%),而对于浓相传送则会产生较大误差·因为在稀相传输中,可以忽略固相所占体积及分压,并且认为固相与气相同速运动·对于浓相传输则不同,这时固相所占体积及其分压都比较大,固相和气相间也有较大的速度滑差,若不考虑这些因素,将给测量带来较大误差·

本文利用分相流模型,结合浓相流动的特点,建立了流经文丘里管时气/固两相的总能量方程,推导出固相速度与文丘里管上的压差及固相浓度之间的数学模型,从而得出固相的质量流量·

1　测量原理

测量原理如1图所示·图中ΔP是差压表,测量两相混合物流经文丘里管的入口处1与喉部2两处时所产生的压差;ρls是浓度传器,测量1处的固相体积浓度·下面将给出模型的详细推导过程·

2　分相流模型

分相流模型是依据总能量守恒和连续性方程,假设固相流动与气相流动完全分离而推导出来的·在推导模型之前,做如下假设[5]:

(1)在1, 2两处之间流体是不可压缩的(由于管道内压力变化不大);

(2)两相混合物在水平文丘里管中的流动是等温的稳定流动;

(3)气、固两相的摩擦损失与2处的平均速度的平方成正比·

列出1, 2两处的总能量方程[4,5]

  （1）

式中　G为质量流量,kg/s; P为两相混合物的压力, Pa;ρ为物质密度, kg/m3; v为平均流速, m/s;zg为势能,m2/s2; u为内能, m2/s2;Δq为外界传给的热量, m2/s2;Δw为外界作功,m2/s2;k为摩擦系数,下标1,2分别指文丘里管的入口和喉部·

对于水平管来说, z1=z2·前已假设系统与外部无热量交换,并且不考虑内部的变化,

即

u1= u2　　　Δq =0　　　Δw =0

式(1)简化为

如上所述,考虑到管道中固相与气相是绝对分离的,两相之间有速度滑差,那么,在1,2两处的总能量守恒方程应为

式中　下标a, s分别指气相和固相,P1a, P2a, P1s, P2s指两相在1,2两处的分压,分别为

式中　z1s为固相容积率[3];γs为固相的真实密度·