CN106768170A - 高温导电液体的流体参数测量装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高温导电液体的流体参数测量装置，属于流体测量技术领域。该装置包括：总压管、静压管、气罐、温控单元、电气检测单元；气罐为充有气体的密闭容器，气罐内部与总压管、静压管上端管口分别密封连接；温控单元用于使总压管和静压管的温度与高温导电液体的温度一致；在总压管及静压管上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，液位指示机构包括一根具有刚性导线芯的陶瓷管，一端垂直***所对应高度处的总压管/静压管内，另一端位于外部，在陶瓷管的外层密封嵌套有金属管；电气检测单元用于检测刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。本发明还公开了高温导电液体的流体参数测量方法。本发明测量准确且结构简单、成本低。

Description

高温导电液体的流体参数测量装置、方法

技术领域

本发明涉及一种流体参数测量装置，尤其涉及一种高温导电液体的流体参数测量装置、方法，属于流体测量技术领域。

背景技术

随着熔盐反应堆技术、熔盐集热技术等的发展，熔盐作为能量的储存和转移媒介，越来越受到重视，高温环境下的熔盐流速测定亟待研究。例如，***核反应堆-熔盐堆因其具有固有安全性及高效等优点，成为了未来核电领域的重要发展方向。该反应堆运行温度为600℃～700℃，以抗熔盐腐蚀的镍基高温合金(例如美国橡树岭实验室开发的Hastelloy N合金或我国科研单位开发的GH3535合金)作为结构材料，采用腐蚀性强的熔盐作为冷却剂。熔盐换热器作为反应堆的核心设备，为了保证其安全可靠运行，有必要对其中的熔盐流速、压力等流体参数进行准确地测量。

常温下的流体测量技术经长期发展，已比较成熟。依据测量原理的不同，大致可分为以下几种类型：1、机械法，其是根据置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成正比的原理进行流速测量。2、散热率法测流速，将发热的传感器置于被测流体中，利用发热传感器的散热率与流体流速成比例的特点，通过测量传感器的散热率来获得流体流速。3、动力测压法，根据伯努利方程，通过测量出流体总压与静压之差(即动压)来测量流体流速，由于该方法为法国工程师Henri Pitot所发明，因此，此种流体测速装置通常被称为“皮托管”或“毕托管”。4、激光多普勒法，其原理是：当激光照射到跟随流体一起运动的微粒时，其中微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率(此现象称为激光多普勒效应)，散射光与入射光之间的频率偏移量(称为多普勒频移)与微粒的运动速度(及流体速度)成正比，通过测量多普勒频移即可获得流体流速。

虽然上述技术在常温流体流速测量方面已得到广泛应用，但对于高温液体(例如熔盐、熔融金属等)而言，由于高温、腐蚀性以及不透明等原因的影响，这些方法均难以适用，需要使用针对高温液体的特殊流速测量方法，但这些方法均存在一些缺陷。例如，有研究者提出利用卡门涡街法测量液态金属的流速，该方法为接触式测量，高温探头的使用寿命极其有限，且受流体雷诺数、探头浸入深度与探头直径比值等限制。又如，利用超声波多普勒法测量液体金属的流速，但受限于超声探头材料特性，该方法仅适用于较低温度下的液体金属流速测量(通常在200℃以下)。还有研究人员提出了火法冶炼过程中高温熔体，特别是铝电解过程中电解质熔盐及铝液流速的测定方法，其主要原理为将阻流件放入待测流体区域，将阻流件所受的作用力，经刚性连接的传递件至力传感器，将力的信号转变为电的信号。该方法需要经过刚性连接的传递至力传感器，可靠性难以保证，且不能同时获取静态压力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种高温导电液体的流体参数测量装置，可对包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体的流速等流体参数进行准确测量，且结构简单、实现成本低廉。

本发明的高温导电液体的流体参数测量装置，包括：总压管、静压管、气罐、温控单元、电气检测单元；所述总压管的下端管口设置于高温导电液体所在管道的中轴线上，且管口开口朝向高温导电液体的来流方向，上端管口从高温导电液体所在管道壁穿出后竖直向上延伸；所述静压管的下端管口与高温导电液体所在管道壁上的一个静压孔密封连接，上端管口在高温导电液体所在管道壁外竖直向上延伸；所述气罐为充有气体的密闭容器，气罐内部与总压管上端管口、静压管上端管口分别密封连接；所述温控单元用于使总压管和静压管的温度与高温导电液体的温度一致，其包括将总压管的竖直向上延伸段和静压管的竖直向上延伸段包裹住的保温层以及温控组件；在总压管的竖直向上延伸段以及静压管的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，所述液位指示机构包括一根具有刚性导线芯的陶瓷管，该陶瓷管的一端垂直***所对应高度处总压管/静压管内，该陶瓷管的另一端位于所述保温层之外，在该陶瓷管位于总压管/静压管外的部分的外层密封嵌套有金属管；所述电气检测单元用于检测各液位指示机构中陶瓷管位于保温层外一端的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。

为了能够在测量流速的同时测量总压和静压，进一步地，所述装置还包括可监测气罐内部气压的气压表。

为了能有效扩展测量量程，更进一步地，所述装置还包括可调节气罐内部气压的气压调节装置。

为了防止温度过高情况下的密封措施失效，进一步地，所述装置还包括冷却***，用于对各液位指示机构位于保温层外的部分进行降温。

本发明的高温导电液体的流体参数测量方法，利用上述装置实现，具体为：首先利用电气检测单元检测出总压管/静压管上与高温导电液体之间电气导通的液位指示机构，并从中选出所对应高度最大的一个，以该液位指示机构所对应高度作为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度；然后利用以下公式计算出管道中心的高温导电液体流速：

u＝(2g·Δh)^1/2，

式中，u为管道中心的高温导电液体流速，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s²；Δh为总压管与静压管内高温导电液体的液位高度差，单位为m。

或者，首先利用电气检测单元检测出总压管/静压管上与高温导电液体之间电气导通的液位指示机构，并从中选出所对应高度最大的一个，以该液位指示机构所对应高度作为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度；然后利用以下公式计算出管道中高温导电液体的总压/静压：

P＝P₀+ρgh，

式中，P为管道中高温导电液体的总压/静压，单位为Pa；P₀为气罐中的气压，单位为Pa；ρ为高温导电液体的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；h为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度，单位为m。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明可实现包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体的流速、总压等参数的实时测量，且测量结果准确，装置结构简单，实现成本低廉，可广泛应用于熔盐堆、熔盐集热、金属冶炼等诸多领域。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构原理示意图；

图2为液位指示机构一个优选结构的结构示意图；

图中标号含义具体如下：

1、气压调节装置，2、主刻度；3、辅刻度；4、总压管、5、气罐、6、静压管，7、熔盐管壁，8、总压管管口，9.静压管管口，10、熔盐，11、刻度处电气连线，12、熔盐电气连线，13、电气检测单元，200、冷却水管，201、螺纹，202、陶瓷管，203、金属管，204、密封垫圈，205、刚性导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是在动力测压原理基础上，对现有毕托管测速装置进行大幅改进，从而实现对包括熔盐和熔融金属在内的高温导电液体的流速、总压等参数的实时准确测量。

现有毕托管采用U型管进行压力测定，U型管中指示剂液体的密度需高于流体密度，且与流体不互溶,常用于气流速度和风速测定。高温流体常为离子化合物或金属液体，难以找到另外一种熔点接近、密度更高、且不互溶的流体。另，现有毕托管采用透明玻璃作为U型管材质，采用光学法直接读取液位高度。高温下，需采用金属材料，指示管外面需包裹加热和保温元件,无法采用光学法读取液位高度，因此传统的毕托管并无法应用于高温流体的测量。

本发明针对高温导电流体流速测量的问题，基于动力测压法测速的原理，采用n型管成功解决了指示剂问题，采用特殊结构的液位指示机构，解决了读取金属材料中液体液位的关键问题，从而实现高温下利用动力测压法进行流体流速的测定。

图1显示了本发明高温导电液体的流体参数测量装置的一个优选实施例的结构原理。如图1所示，该装置包括：总压管4、静压管6、气罐5、温控单元(图中未示出)、电气检测单元13；如图1所示，所述总压管4的下端管口8设置于高温导电液体(本实施例以熔盐为例)所在管道的中轴线上，且管口开口朝向熔盐的来流方向，上端管口从熔盐管壁7穿出后竖直向上延伸；静压管6的下端管口9与熔盐管壁7上的一个静压孔密封连接，上端管口在熔盐管道壁外竖直向上延伸；所述气罐5为充有气体(可以是空气或惰性气体)的密闭容器，如图1所示，气罐5内部与总压管4上端管口、静压管6上端管口分别密封连接，这样，三者就形成了一个相互连通整体。总压管管口8与静压管管口9在熔盐中的位置、方向等要求与现有毕托管测速的要求一致，此处不再赘述。

所述温控单元是用于使总压管4和静压管6的温度与管道内熔盐的温度一致，为便于描述，图1中并未示出。本实施例中的温控单元包括将总压管4的竖直向上延伸段和静压管6的竖直向上延伸段包裹住的保温层以及温控组件；所述温控组件包括设置于保温层内的电热元件、热电偶及温控器等。

如图1所示，在总压管4的竖直向上延伸段以及静压管6的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，即在每一条主刻度2和辅刻度3处均设置有一个相应的液位指示机构。如图2所示，本发明所采用的液位指示机构包括一根具有刚性导线205芯的陶瓷管202，该陶瓷管202的一端垂直***所对应高度处总压管4(或者静压管6)内，该陶瓷管202的另一端位于所述保温层之外，这样的结构可使得刚性导线205与总压管4(或者静压管6)的金属管壁绝缘；为了保护陶瓷管202并同时起到将陶瓷管202与总压管4(或者静压管6)的连接处进行密封的作用，如图2所示，在陶瓷管202位于总压管4(或者静压管6)外的部分的外层密封嵌套有金属管203；金属管203端部带金属螺纹201，并采用螺母和橡胶圈进行密封，防止熔盐从陶瓷管道与金属管道的间隙中流出。冷却水管200可降低金属管端部温度，保证陶瓷管与金属管之间的密封效果。其中，所述具有刚性导线205芯的陶瓷管202可以通过在刚性导线205上利用烧结方式制备出一层陶瓷层的方法制得，这样，刚性导线205与陶瓷管202之间紧密结合，不会产生空隙；或者，也可以在空心的陶瓷管202中***刚性导线205，这样的方式会在刚性导线205与陶瓷管202之间产生空隙，因此还需要在刚性导线205与陶瓷管202之间用高温胶进行密封，以防止熔盐从缝隙中流出。

电气检测单元13用于检测各液位指示机构中陶瓷管位于保温层外一端的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况，如图1所示，电气检测单元13通过刻度处电气连线11、熔盐电气连线12分别与刚性导线205、熔盐金属管道电连接。电气检测单元13可以是电阻测量或电流测量或电压测量设备，例如最常用的万用表，或者串接有指示灯的电压源。如图1所示，总压管4(或者静压管6)中的熔盐10的液面上升到某一高度，此时，在液面高度以下的所有液位指示机构中的刚性导线205均与管道中的熔盐电气导通，则指示灯会亮起，或者测得的电阻极小；而处于液面高度以上的所有液位指示机构中的刚性导线205均与管道中的熔盐电气断开，则指示灯不会亮，或者测得的电阻极大；因此，利用电气检测单元13检测出总压管4(或静压管6)上与熔盐电气导通的液位指示机构，并从中选出所对应高度最大的一个，则该液位指示机构所对应高度即为总压管4(或静压管6)内的熔盐液位高度。

确定总压管4和静压管6内的熔盐液位高度后，与现有皮托管测速原理相似，根据伯努利方程经简单推导即可得到流速计算公式如下：

u＝(2g·Δh)^1/2，

式中，u为管道中心的高温导电液体流速，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s²；Δh为总压管与静压管内高温导电液体的液位高度差，单位为m。

类似地，还可以得到压力(总压或静压)公式如下：

P＝P₀+ρgh，

式中，P为管道中高温导电液体的总压/静压，单位为Pa；P₀为气罐中的气压，单位为Pa；ρ为高温导电液体的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；h为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度，单位为m。

由于测量总压或静压需要知道气罐5内部的压力，因此需要增加一个可测量出气罐5内部气压的压力表。

为了利用较短的总压管和静压管来实现更大流速范围和更大压力范围的测量，从而有效扩展测量量程，本实施例中还增加了可调节气罐内部气压的气压调节装置1，利用气压调节装置1适当增加气罐内部的气压，可降低总压管和静压管中的液面高度(但对液面高度差无影响)。

为了提高测量的自动化程度，可以通过单片机或计算机控制的多路选择开关实现液位指示机构的自动扫描测量，并利用单片机或计算机直接计算并输出流速、压力的测量结果。

本发明测量装置中的总压管和静压管的材质可根据所测量的高温导电液体的类型来确定，对于钢水这样不具有腐蚀性的液体金属，采用常规高温合金即可，而对于熔盐来说，则最好选择Hastelloy N合金或GH3535合金等抗熔盐腐蚀的镍基高温合金。

本发明适用于高温导电液体的流速、总压、静压的实时测量，尤其适用于熔盐堆和太阳能集热领域中熔盐流体参数的测量，具有测量结果准确、结构简单、实现成本低廉的优点，应用前景十分广阔。

Claims (7)

1.高温导电液体的流体参数测量装置，其特征在于，包括：总压管、静压管、气罐、温控单元、电气检测单元；所述总压管的下端管口设置于高温导电液体所在管道的中轴线上，且管口开口朝向高温导电液体的来流方向，上端管口从高温导电液体所在管道壁穿出后竖直向上延伸；所述静压管的下端管口与高温导电液体所在管道壁上的一个静压孔密封连接，上端管口在高温导电液体所在管道壁外竖直向上延伸；所述气罐为充有气体的密闭容器，气罐内部与总压管上端管口、静压管上端管口分别密封连接；所述温控单元用于使总压管和静压管的温度与高温导电液体的温度一致，其包括将总压管的竖直向上延伸段和静压管的竖直向上延伸段包裹住的保温层以及温控组件；在总压管的竖直向上延伸段以及静压管的竖直向上延伸段上均设置有一组分别对应于不同高度的液位指示机构，所述液位指示机构包括一根具有刚性导线芯的陶瓷管，该陶瓷管的一端垂直***所对应高度处总压管/静压管内，该陶瓷管的另一端位于所述保温层之外，在该陶瓷管位于总压管/静压管外的部分的外层密封嵌套有金属管；所述电气检测单元用于检测各液位指示机构中陶瓷管位于保温层外一端的刚性导线芯与高温导电液体之间的电气连接情况。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括可监测气罐内部气压的气压表。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于，还包括可调节气罐内部气压的气压调节装置。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括冷却***，用于对各液位指示机构位于保温层外的部分进行降温。

5.如权利要求1～4任一项所述装置，所述高温导电液体为熔融金属或者熔盐。

6.高温导电液体的流体参数测量方法，其特征在于，利用权利要求1～5任一项所述装置实现，具体为：首先利用电气检测单元检测出总压管/静压管上与高温导电液体之间电气导通的液位指示机构，并从中选出所对应高度最大的一个，以该液位指示机构所对应高度作为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度；然后利用以下公式计算出管道中心的高温导电液体流速：

u＝(2g·Δh)^1/2，

式中，u为管道中心的高温导电液体流速，单位为m/s；g为重力加速度，单位为m/s²；Δh为总压管与静压管内高温导电液体的液位高度差，单位为m。

7.高温导电液体的流体参数测量方法，其特征在于，利用权利要求2或3所述装置实现，具体为：首先利用电气检测单元检测出总压管/静压管上与高温导电液体之间电气导通的液位指示机构，并从中选出所对应高度最大的一个，以该液位指示机构所对应高度作为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度；然后利用以下公式计算出管道中高温导电液体的总压/静压：

P＝P₀+ρgh，

式中，P为管道中高温导电液体的总压/静压，单位为Pa；P₀为气罐中的气压，单位为Pa；ρ为高温导电液体的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；h为总压管/静压管内高温导电液体的液位高度，单位为m。