超音速氣液分離器測試及實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超音速氣液分離器測試及實驗方法，目的在于，對超音速氣液分離器進行相關(guān)實驗，并利用所獲得的實驗數(shù)據(jù)對流場進行深入研究，驗證相關(guān)理論，為工程實踐提供可靠依據(jù)，根據(jù)采集的溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)，得到超音速氣液分離器的壓比、分離效率、溫度降和喉部速度值，經(jīng)過調(diào)整超音速氣液分離器的參數(shù)后，得到多組超音速氣液分離器的各項實驗參數(shù)，實驗的參數(shù)分為操作參數(shù)與性能參數(shù)，操作參數(shù)用于進行不同的工況設(shè)定，主要的操作參數(shù)包括含液濃度和壓比，性能參數(shù)用于表征超音速氣液分離器的性能優(yōu)劣，主要的性能參數(shù)有分離效率和溫度降，利用所獲得的實驗數(shù)據(jù)對流場進行深入研究，驗證相關(guān)理論，為工程實踐提供可靠的依據(jù)。
【專利說明】
超音速氣液分離器測試及實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及超音速氣液分離器領(lǐng)域，具體涉及一種超音速氣液分離器測試及實驗 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在對超音速氣流分離器進行研究過程中，利用專用實驗系統(tǒng)對其進行全面的參數(shù) 測試及性能實驗，是進一步完善超音速分離器設(shè)計與制造，檢驗其工作性能及達到設(shè)計指 標的一個十分必要的環(huán)節(jié)。目前的超音速氣液分離器研究主要以理論設(shè)計及軟件模擬為 主，缺少完善的實驗系統(tǒng)。同時現(xiàn)有的研究成果中，軟件模擬的成果非常多，實驗研究的成 果相對$父少。
[0003] 對于軟件模擬的結(jié)果，由于軟件的設(shè)置、模型簡化等諸多因素的影響，模擬的結(jié)果 存在很大的不確定性或不完整性，軟件模擬通常需要有實驗研究的成果進行論證才更具有 可信度。同時通過實驗才能較為完整真實的反映理論研究的成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種能夠?qū)Τ羲贇庖悍蛛x器進行相關(guān) 實驗，并利用所獲得的實驗數(shù)據(jù)對流場進行深入研究，驗證相關(guān)理論，為工程實踐提供可靠 依據(jù)的超音速氣液分離器測試及實驗方法。
[0005] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:包括以下步驟：
[0006] 1)設(shè)定超音速氣液分離器的參數(shù)后，在超音速氣液分離器的氣液入口連接霧化裝 置，在氣體出口連接集氣裝置，在液體出口連接集液裝置，并將整個實驗系統(tǒng)密封；
[0007] 2)設(shè)定霧化裝置的實驗用濕空氣濕度，并在達到實驗壓力后，開啟霧化裝置，將高 壓濕空氣注入超音速氣液分離器中；
[0008] 3)采集超音速氣液分離器的入口壓力Pin和氣體出口的壓力Pciut,根據(jù)公式

辱到壓比Pr ;采集超音速氣液分離器的入口含液濃度值C1，采集超音速氣液分離器 的入口濕空氣質(zhì)量流量G，并測量超音速氣液分離器的液體出口液體質(zhì)量m 2，根據(jù)公式 >得到分離效率Et;采集超音速氣液分離器的入口溫度Tir^P噴管出口溫度 9 Tmin，根據(jù)公式△ T = Tin-Tmin，得到溫度降Δ T;采集超音速氣液分離器的喉部溫度T*，根據(jù)公 ￥
得到喉部速度值v，式中k為絕熱指數(shù)，Rg為氣體常數(shù)；
[0009] 4)關(guān)閉實驗系統(tǒng)后，調(diào)整超音速氣液分離器的參數(shù)后重復步驟1)~3)，最終得到 若干組超音速氣液分離器的壓比、分離效率、溫度降和喉部速度值，繪制實驗數(shù)據(jù)圖，即完 成實驗。
[0010]所述步驟1)中在密封整個實驗系統(tǒng)后需要通入低壓空氣進行氣密性檢驗。
[0011] 所述步驟I)中在集氣裝置和集液裝置的出口均設(shè)置有能夠開閉的干燥器，實驗時 關(guān)閉干燥器。
[0012] 所述步驟3)中超音速氣液分離器的喉部和噴管出口均采用耐低溫高壓的溫度傳 感器采集溫度數(shù)據(jù)，該溫度傳感器的工作溫度為-100°c~50°C，承受壓力為20MPa。
[0013] 所述超音速氣液分離器喉部的溫度傳感器采用螺釘頭傳感器。
[0014] 所述步驟3)中采集超音速氣液分離器的入口含液濃度值匕時，首先需要根據(jù)公式 Cm二計算預設(shè)入口含液濃度CiO，式中，G1-入口液體質(zhì)量流量，kg/s; G2-入口氣體質(zhì) 量流量，kg/s;然后采用溫濕度傳感器采集入口含液濃度值Ci，保證入口含液濃度值Ci與預 設(shè)入口含液濃度Cio的誤差在0.5 %以內(nèi)。
[00?5 ]所述入口液體質(zhì)量流量Gi采用孔板流量計測量，入口氣體質(zhì)量流量G2采用壓縮空 氣流量計測量。
[0016] 所述步驟3)采用干燥劑吸附超音速氣液分離器的液體出口液體，通過測量干燥劑 的吸附量得到液體出口液體質(zhì)量m2。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用霧化裝置模擬產(chǎn)生的高壓濕空氣，通入超音速氣液 分離器中進行氣液分離，采集超音速氣液分離器的入口壓力P in和氣體出口的壓力Ρ_，得到 壓比Pr ;采集超音速氣液分離器的入口含液濃度值Ci，采集超音速氣液分離器的入口濕空氣 質(zhì)量流量G，并測量超音速氣液分離器的液體出口液體質(zhì)量m2,得到分離效率Et;采集超音速 氣液分離器的入口溫度T in和噴管出口溫度Tmin，得到溫度降ΔΤ;采集超音速氣液分離器的 喉部溫度T*，得到喉部速度值V，經(jīng)過調(diào)整超音速氣液分離器的參數(shù)后，得到多組超音速氣 液分離器的各項實驗參數(shù)，實驗的參數(shù)分為操作參數(shù)與性能參數(shù)，操作參數(shù)用于進行不同 的工況設(shè)定，主要的操作參數(shù)包括含液濃度和壓比，性能參數(shù)用于表征超音速氣液分離器 的性能優(yōu)劣，主要的性能參數(shù)有分離效率和溫度降，利用所獲得的實驗數(shù)據(jù)對流場進行深 入研究，驗證相關(guān)理論，為工程實踐提供可靠的依據(jù)。
[0018] 進一步，進入超音速氣液分離器的濕空氣在喉部速度急劇變化，在喉部達到超音 速，濕空氣在喉部的溫度急速降低，壓力急速升高，這就要求噴管喉部與噴管出口處溫度傳 感器需耐低溫高壓，工作范圍為-l〇〇°C~50°C之間，可承受20MPa壓力，同時由于喉部尺寸 很小，因而選用尺寸較小的螺釘頭傳感器進行喉部溫度測量，螺紋安裝，探頭伸出管道的長 度因喉部直徑不同而略有差異，進一步提高本發(fā)明過程中的穩(wěn)定性，提高實驗的精準度。
[0019] 進一步，在集氣裝置和集液裝置的出口均設(shè)置有能夠開閉的干燥器，在正式實驗 時需關(guān)閉，干燥器采用物理吸附的方法，排除環(huán)境濕度對實驗的影響。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明使用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 其中，I-儲水罐、2_水栗、3_閥門、4_孔板流量計、5_霧化噴嘴、6_緩沖器、7_旋進游 渦流量計、8-超音速氣液分離器、9-干氣儲罐、10-放空口、11-集水罐、12-排水口、13-壓縮 空氣流量計、14-儲氣罐、15-空壓機。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的解釋說明。
[0023] 參見圖1，本發(fā)明的系統(tǒng)包括與超音速氣液分離器8的氣液入口連接的霧化裝置， 霧化裝置包括用于產(chǎn)生霧化液體的液路和用于產(chǎn)生高壓氣體的氣路，液路和氣路均連接至 緩沖器6，緩沖器6的氣液出口連接超音速氣液分離器8的氣液入口；液路包括依次連接的儲 水罐1、水栗2和霧化噴嘴5,霧化噴嘴5設(shè)置在緩沖器6的液體入口上，溫度傳感器和壓力傳 感器設(shè)置在水栗2的出口，流量計設(shè)置在霧化噴嘴5的入口，流量計與水栗2之間設(shè)置閥門3， 霧化噴嘴5入口和超音速氣液分離器8液體出口的流量計均采用孔板流量計4;氣路包括依 次連接的空壓機15和儲氣罐14,溫度傳感器和壓力傳感器設(shè)置在儲氣罐14的出口，緩沖器6 的氣體入口與儲氣罐14的出口間設(shè)置閥門3，緩沖器6氣體入口的流量計為壓縮空氣流量計 13。
[0024] 超音速氣液分離器8包括帶有喉部的噴管，以及擴壓管，超音速氣液分離器8的液 體出口連接有集液裝置，集液裝置為集水罐11，集水罐11底部開排水口 12，超音速氣液分離 器8的氣體出口連接有集氣裝置，集氣裝置為干氣儲罐9，干氣儲罐9上開放空口 10;所述液 路的出口、氣路的出口、噴管的出口、擴壓管的入口、超音速氣液分離器8的液體出口、超音 速氣液分離器8的氣體出口上均設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，所述超音速氣液分離器8 的喉部設(shè)置有溫度傳感器，緩沖器6的液體入口、緩沖器6的氣體入口、超音速氣液分離器8 的氣液入口和超音速氣液分離器8的液體出口均設(shè)置有流量計，液路的出口、氣路的出口、 超音速氣液分離器8的氣液入口、超音速氣液分離器8的液體出口和超音速氣液分離器8的 氣體出口均設(shè)置有閥門3。
[0025] 超音速氣液分離器8氣液入口的流量計采用旋進漩渦流量計7，旋進漩渦流量計7 設(shè)置于超音速氣液分離器8氣液入口前端5倍于管道直徑的部位。喉部和噴管出口的溫度傳 感器采用能夠耐低溫高壓的溫度傳感器，工作溫度為-l〇〇°C~50°C，承受壓力為20MPa，喉 部的溫度傳感器采用螺釘頭傳感器。所有閥門、流量計、溫度傳感器和壓力傳感器均連接至 PLC控制器。
[0026] 本發(fā)明使用的系統(tǒng)根據(jù)功能分為霧化裝置、分離裝置、測量裝置以及收集裝置，霧 化裝置包括空壓機15、水栗2、緩沖器6、穩(wěn)壓閥、儲水罐1以及霧化噴嘴5等，并在管線位置設(shè) 置測量儀表。分離裝置主要是指超音速分離器8,分離裝置包括管線、閥門、變徑等管道附 件。測量裝置主要是指預設(shè)在各處的壓力、溫度傳感器與變送器，及用于記錄和顯示的PLC 單片機及計算機。收集裝置主要包括干氣儲罐9、集水罐11以及相應(yīng)的管路附件。
[0027] 本發(fā)明所使用系統(tǒng)的安裝和調(diào)試過程：
[0028] (1)設(shè)備安裝:在選定的試驗場地內(nèi)，按照由主到次的順序，從中間位置安裝分離 器樣機，在入口端依次將霧化裝置位置排放好，在出口端將集氣設(shè)備和集液設(shè)備位置排定， 根據(jù)分離器組合可調(diào)的尺寸變化，預留足夠空間，選擇中間參數(shù)的分離器模型組裝固定各 個裝置，測量儀器儀表最后裝入預設(shè)位置，設(shè)備安裝時需考慮相互之間的影響，在確保不干 涉的基礎(chǔ)上盡量使安裝位置緊湊，水栗2與空壓機15布置位置應(yīng)盡量錯開，注意設(shè)備震動對 實驗的影響；
[0029] (2)測量儀表檢定:將各個測量儀表按照說明書要求接入系統(tǒng)中，初始化，檢定工 作狀態(tài)，檢查量程與精度是否滿足要求，確保信號測量與傳輸正常；
[0030] (3)氣密性檢驗:實驗開始前，需進行氣密性檢查，在各裝置安裝到位后，通入低壓 空氣進行檢查，檢查分離器各連接部位是否緊密無泄漏，檢查測量儀表安裝是否緊密牢固， 檢查管線接頭部位是否密封到位；
[0031] (4)環(huán)境濕度測定與影響排除：在實驗場地設(shè)置濕度計，測定環(huán)境濕度以作參考， 同時為確保分離效率的計量準確，在收集裝置出口處分別設(shè)置可開閉的干燥器，干燥器主 要使用物理吸附的方法，排除環(huán)境濕度對實驗的影響。在正式實驗時需關(guān)閉；
[0032] (5)裝置的啟停:考慮到氣壓實驗的安全性，除空壓機15和水栗2外，實驗中其他裝 置的啟閉均通過單片機或計算機遠距離操作，實驗結(jié)束時，先關(guān)閉水栗2及其閥門，空壓機 15繼續(xù)工作，利用空氣壓力將系統(tǒng)內(nèi)的濕空氣排出。
[0033] 本發(fā)明的實驗參數(shù)分為操作參數(shù)與性能參數(shù)，操作參數(shù)用于進行不同的工況設(shè) 定，主要的操作參數(shù)包括含液濃度C1和壓比P r。性能參數(shù)用于表征分離器的性能優(yōu)劣，主要 的性能參數(shù)有分離效率Et和溫度降△ T。各參數(shù)的測算方法如下所示：
[0034] (1)入口含液濃度Ci
[0035] 入口含液濃度主要用于模擬天然氣的含水率，天然氣含水率因其出產(chǎn)地域不同而 存在差異。C1值對于分離器的分離效率有著非常直接的影響。實驗時需預先設(shè)定入口含液 濃度C lQ，預設(shè)入口含液濃度通過下式計算：
[0036] Π )
[0037] 式中，Gi-液體質(zhì)量流量，kg/s;G2-氣體質(zhì)量流量，kg/s。
[0038] 考慮到氣體流量調(diào)節(jié)較為困難，預設(shè)時保持氣體質(zhì)量流量G2不變，通過調(diào)節(jié)G1來達 到預定的含液濃度，在緩沖器6出口端設(shè)置有溫、濕度傳感器用于測定分離器入口端流體濕 度，測定值C i與設(shè)定值Cio誤差在0.5 %以內(nèi)即視為合格。
[0039] (2)壓比 Pr
[0040] 壓比是指超音速分離器入口壓力Pin與干氣出口壓力比值。
[0041] (2)
[0042] 式中，Pr-壓比；Pin-入口壓力PinG2氣體質(zhì)量流量，MPa; Pcmt-出口壓力，MPa。
[0043] 根據(jù)現(xiàn)有的理論可知，壓比對于分離器內(nèi)氣流的流動狀態(tài)有著非常重要的影響。 壓比過大時，導致分離器內(nèi)流體速度過高，氣流均勻性不足，無法保證后續(xù)旋流的有效進 行，壓比過大則意味著氣體能量損失過大，較高的能量損失無法滿足后續(xù)其他工藝的順利 進行。壓比較小時，流經(jīng)噴管的氣體能量有限，不能保證有效的實現(xiàn)超音速流動，噴管出口 的氣體速度較小，在流經(jīng)分離翼時不能產(chǎn)生足夠的旋流強度，氣液分離不徹底。在工藝允許 的范圍內(nèi)，盡量選擇小壓比進行實驗。
[0044] (3)分離效率Et
[0045] 分離效率是表征超音速分離器性能的關(guān)鍵指標，分離效率是指分離器對含濕氣體 的處理效率，通過測定液體質(zhì)量變化進行表征，其采用下式進行測定計算：
[0046] (3)
[0047I 式中G-濕空氣質(zhì)量流量，kg/s;m2-出口液體質(zhì)量，kg，通過測量排液口液體質(zhì)量獲 得。
[0048] (4)溫度降 Δ T
[0049] 溫度降是表征分離器性能的又一重要指標。溫度降是指分離器入口溫度Tin與噴管 出口溫度Tmin(最低溫度值)之間的差值。
[0050] AT = Tin-Tmin (4)
[0051] Δ T值越大，則表征分離器能夠達到的最低溫度越低，可產(chǎn)生的低溫驅(qū)動力越強。 溫度降A(chǔ) T通過讀取預定位置的溫度傳感器數(shù)值，通過單片機進行計算之后直接可顯示出 來。
[0052]本發(fā)明實驗中所需測量的物理量有:溫度T，流量Q，壓力P以及喉部速度V。實驗中 所有儀器儀表的數(shù)據(jù)讀取與記錄均通過單片機或計算機軟件完成，減少人為誤差的影響。
[0053] 霧化裝置中，分別在氣路和液路設(shè)置壓力、溫度、流量測量裝置，主要是為了進行 入口參數(shù)調(diào)節(jié)，考慮到單片機的容量有限，該部分設(shè)備不接入單片機，使用傳統(tǒng)的儀表測量 顯示，實驗開始前做好人工記錄，實驗時只需保證其參數(shù)維持穩(wěn)定即可。
[0054] 流量測量:流量Q包括超音速分離器入口濕空氣流量、出口液體流量。
[0055] (1)入口濕空氣流量入口濕空氣流量采用高壓天然氣流量計計量，該流量計屬于 智能旋進漩渦流量計，主要利用卡門渦街原理測量。為減少測量儀表的影響，儀表安裝位置 根據(jù)廠家建議，在距分離器入口前端需保證有5倍于管道直徑的長度作為緩沖。
[0056] (2)出口液體流量出口液體計量采用質(zhì)量換算。通過在出口部位設(shè)置集液裝置，實 驗完成后稱量收集到的液體質(zhì)量m(kg)，記錄實驗所用時間t(s)，即可測得出口液體流量。 根據(jù)出口液體質(zhì)量的多少采用不同的方式稱重，出口液體質(zhì)量較少時，使用干燥劑吸附，根 據(jù)干燥劑質(zhì)量測定出口液體流量；出口液體質(zhì)量較多時，先稱量已有液體質(zhì)量，再使用干燥 劑干燥集液裝置，疊加兩者質(zhì)量進行計算。
[0057] 溫度測量：
[0058] 溫度T測量使用溫度傳感器測量，在超音速分離器喉部、噴管出口、擴壓管入口及 氣、液出口分別設(shè)置溫度傳感器測量，通過單片機進行測量數(shù)據(jù)的記錄與顯示。噴管喉部與 噴管出口處溫度傳感器需耐低溫高壓，工作范圍為-100 °C~50 °C之間，可承受20MPa壓力。
[0059] 由于喉部尺寸很小，因而選用尺寸較小的螺釘頭傳感器進行喉部溫度測量。螺紋 安裝，探頭伸出管道的長度因喉部直徑不同而略有差異。
[0060] 除喉部和噴管出口外，其他部位的尺寸較大，溫度要求不高。因而傳感器選型比較 容易，一般的溫度傳感器均可勝任。只需注意傳感器信號傳輸與單片機的匹配即可。
[0061 ]壓力測量：
[0062]壓力P測量使用壓力傳感器，在噴管出口、擴壓管入口和分離器氣相出口、液相出 口分別設(shè)置壓力傳感器。壓力傳感器測量結(jié)果通過單片機進行數(shù)據(jù)顯示與記錄，壓力傳感 器的精度要求在〇. 5 %以內(nèi)，量程為0~25Pa。噴管出口由于溫度較低，需注意壓力傳感器的 耐低溫特性。
[0063]喉部速度測算：
[0064] 喉部能否達到音速是實現(xiàn)分離的關(guān)鍵，因而喉部速度值的測量非常重要。喉部尺 寸較小，壓力較高，直接進行速度測量時，現(xiàn)有儀表難以滿足要求，喉部速度值的獲得需通 過其他測量值進行換算。
[0065] 超音速分離器的低溫性能具有重要的參考價值。因而在喉部設(shè)置溫度傳感器進行 測量，喉部溫度測量值記為T*，將流體視為理想流體，根據(jù)空氣動力學關(guān)系，可以換算出喉 部的速度值V。
[0066] V ~yUcRJ\ (.5)
[0067] 式中，k-絕熱指數(shù)，空氣取1.4;Rg_氣體常數(shù)，空氣取287J/(kg · K);T*_喉部溫度測 量值Κ。
[0068] 本發(fā)明實驗中以超音速氣液分離器樣機為實驗對象，該分離器由拉瓦爾噴管、旋 流管、分離翼、擴壓管等部件構(gòu)成。拉瓦爾噴管設(shè)置多種結(jié)構(gòu)，分離翼的位置可調(diào)節(jié)，擴壓管 長度可調(diào)節(jié)，不同可調(diào)結(jié)構(gòu)組合可形成多種結(jié)構(gòu)，重點研究可調(diào)結(jié)構(gòu)對流場的影響。
[0069] 實驗的初始條件:選擇使用壓縮濕空氣為實驗材料，設(shè)置入、出口溫度，壓力及流 速。壓縮濕空氣視作理想氣體，忽略質(zhì)量力并忽略氣體的熱傳導作用。
[0070] 實驗?zāi)康模海?)通過進行超音速氣液分離器的模擬實驗，驗證現(xiàn)有的設(shè)計理論；（2) 研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的影響，研究內(nèi)部流場的分布規(guī)律；（3)研究影響分離器分離效率的主 要因素、結(jié)構(gòu)因素及流場特點；（4)確定最佳組合結(jié)構(gòu)，在多種組合變化中尋找分離效率最 佳而壓力損失較小的結(jié)構(gòu)，總結(jié)分離器的設(shè)計理論；（5)在實驗中研究調(diào)節(jié)參數(shù)的方法。如 控制激波產(chǎn)生的位置、實現(xiàn)極限低溫的方法、減小壓降的方式等。
[0071 ]實驗原理:主要是將氣體的壓力能在拉瓦爾噴管中轉(zhuǎn)化為速度，同時將溫度降低， 在溫度降低的過程中，露點高的成分逐漸凝結(jié)，經(jīng)旋流作用后在壁面積聚分離，處理過的干 氣經(jīng)擴壓裝置后速度降低，壓力回升，便于進行后續(xù)處理及管道輸運。
[0072] 實驗研究內(nèi)容：（1)拉瓦爾噴管、分離翼、擴壓管等結(jié)構(gòu)部件對分離效率的影響； (2)出口流速、氣溫、氣壓等流體狀態(tài)對分離效率的影響；（3)入口含液濃度對分離效率的影 響；（4)流量、壓力降、溫度降等對分離效率的影響(總效率Et)。
[0073] 實驗方法主要采用對比法進行，即在超音速分離器入口參數(shù)(入口流量、入口含液 濃度)不變的前提下，選擇中間參數(shù)的結(jié)構(gòu)作為基準，每次實驗改變一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，其他變 量保持不變進行實驗。每個結(jié)構(gòu)至少進行3次實驗，取平均值作為最終取值。
[0074] 根據(jù)設(shè)定，入口角度有3種變化（γ、θ、ω )，每種角度的變化又對應(yīng)3個不同的喉部 直徑(s、m、l)，同時，分離翼的位置有3個位置，擴壓段長度變化有3種，根據(jù)以上分析，從理 論上講，所設(shè)計的超音速分離器可以產(chǎn)生81種結(jié)構(gòu)變化。
[0075]實驗結(jié)果分析時，除對各個關(guān)鍵參數(shù)進測算以外，還應(yīng)綜合分析多次實驗的結(jié)果， 總結(jié)各個參數(shù)的變化趨勢對分離性能的影響，在進行一定次數(shù)的實驗后，可根據(jù)已有的實 驗數(shù)據(jù)預計各參數(shù)的調(diào)節(jié)趨勢，對明顯已不符合要求的結(jié)構(gòu)可不予實驗。經(jīng)過多次實驗后 選定最佳結(jié)構(gòu)，選定的最佳結(jié)構(gòu)用于進行后期的現(xiàn)場實驗。
[0076]本發(fā)明的具體實驗流程：
[0077] (1)儀器儀表校正:根據(jù)儀表設(shè)置，檢定各儀表及傳感器的工作狀態(tài)，修正儀器儀 表讀數(shù)；
[0078] (2)調(diào)整分離器參數(shù):將噴管結(jié)構(gòu)、分離翼位置、擴壓管長度等參數(shù)設(shè)置在中間位 置；
[0079] (3)設(shè)定實驗用濕空氣濕度：設(shè)定空氣的濕度，根據(jù)空壓機15和水栗2的流量計算 所需的閥門開度；
[0080] (4)濕空氣霧化及壓力保持:開啟霧化裝置，將高壓濕空氣注入緩沖器6內(nèi)，緩沖器 6內(nèi)保持足夠的壓力；
[0081 ] (5)氣液分離:待各個儀器設(shè)備工作穩(wěn)定時，通過單片機開啟分離器入口端閥門， 單片機自動記錄各儀器參數(shù)并記錄實驗時間；
[0082] (6)數(shù)據(jù)處理與分析;在相同工況下，至少開展三次實驗，每次實驗持續(xù)時間不少 于5min，分析對比多次實驗的數(shù)據(jù)，確認喉部是否達到音速，分析溫度變化、壓降數(shù)據(jù)，根據(jù) 實驗數(shù)據(jù)，調(diào)整分離器參數(shù)的變化趨勢；
[0083] (7)結(jié)構(gòu)調(diào)整:根據(jù)預測的趨勢調(diào)整分離器，在相同的工況下重復步驟(2)至(6)。
[0084]實驗數(shù)據(jù)處理方法：
[0085] 每進行一次實驗可獲得溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的記錄工作由單片機完 成，對實驗數(shù)據(jù)的處理則需要借助計算機進行，對測量結(jié)果分別建立數(shù)據(jù)庫，并繪制為直觀 的折線圖，剔除粗大誤差數(shù)據(jù)。交叉對比不同結(jié)構(gòu)同一位置的數(shù)據(jù)，預測下一步的參數(shù)調(diào)節(jié) 趨勢，并結(jié)合軟件模擬的結(jié)果進行分析。
[0086] 分離器的低溫制冷作用是實驗中需重點關(guān)注的，軟件模擬結(jié)果顯示最低溫度出現(xiàn) 的位置在噴管出口處，為驗證該結(jié)論是否正確，處理溫度數(shù)據(jù)時，分別繪制單次實驗的溫度 沿軸線位置分布曲線，然后疊加多次實驗的分布曲線分析驗證。
[0087] 分離器低溫環(huán)境的獲得與壓力損失有關(guān)，壓損越大，溫度越低。為驗證該結(jié)論，對 每次實驗的溫度曲線與壓力曲線進行擬合對比。
[0088] 在驗證有關(guān)結(jié)論的基礎(chǔ)上，綜合多次實驗的數(shù)據(jù)，分別分析影響溫度、壓力、速度 的結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究控制這些參數(shù)變化的方式。
[0089] 進行超音速氣液分離器測試系統(tǒng)研究的目的在于組建測試平臺，通過該平臺開展 超音速分離器的室內(nèi)實驗。通過實驗，欲解決的問題及預期的實驗效果如下：
[0090] (1)通過多次實驗，結(jié)合計算機軟件分析的結(jié)果，在81種結(jié)構(gòu)變化中尋找分離效率 最好的結(jié)構(gòu)，這是開展本實驗的根本目的。
[0091] (2)驗證相關(guān)理論的準確性，證實超音速分離技術(shù)的可行性以及所設(shè)計結(jié)構(gòu)的實 用性。
[0092] (3)通過在實驗中記錄不同位置的壓力、溫度等流場參數(shù)，研究分離器內(nèi)部流動規(guī) 律。氣流在分離器內(nèi)部的流動是多組分、可壓縮、有相變的超音速流動，其流動規(guī)律綜合了 熱力學、空氣動力學、流體力學等多個學科的理論，對內(nèi)部流場流動規(guī)律有更深入的認識與 研究。
[0093] (4)超音速分離器能保持較好的分離效率的必要條件是入口氣流必須保證有一定 的壓力，且該壓力數(shù)值通常較高，出口處的壓力回升有限，整個分離過程壓力損失較大。如 何能以較低的初始能量(如較低的入口壓力）及較少的能量損失而獲取較高的脫水效率實 驗要解決的重要方面之一。
[0094] (5)掌握超音速分離器低溫制冷效應(yīng)的作用，通過降低氣體溫度，使氣體在低溫環(huán) 境和旋流以及重力的共同作用下發(fā)生氣液分離。分析氣體流速的變化，如達到超音狀態(tài)時 所必須的條件，解決如何能最大限度的降低氣體的溫度的問題。
[0095] (6)如何以該裝置替代或與現(xiàn)有脫水裝置配合使用，特別制定在基本對原有脫水 工藝裝置無需進行重大改動的前提下，可直接地應(yīng)用于實際的工藝的方案。
[0096] (7)超音速分離器中，氣體流速很高，分離器結(jié)構(gòu)的微小變化都會對整體工作效應(yīng) 產(chǎn)生很大的影響，對分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行全方位細致的研究，找到最佳或最合理的結(jié)構(gòu)模 型，積累和總結(jié)超音速分離器的設(shè)計經(jīng)驗與理論。
[0097] (8)在一定的處理量的前提下，縮小整體體積。在不利于單獨使用的條件時，與現(xiàn) 有裝置(換熱器、增壓機、膨脹劑等）的配合使用，達到減少后續(xù)處理量或提高處理效果的目 的。
[0098] (9)結(jié)合實驗結(jié)果，進行進一步的理論研究，可以解決現(xiàn)存的理論問題，通過實驗， 對理論計算及計算機輔助設(shè)計進行對比驗證，利用數(shù)值分析等各種方法，不斷修正理論計 算的各種參數(shù)，得出更加接近真實氣體的數(shù)學模型，為該氣液分離裝置進一步深入研究奠 定理論基礎(chǔ)。
【主權(quán)項】
1. 一種超音速氣液分離器測試及實驗方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 設(shè)定超音速氣液分離器(8)的參數(shù)后，在超音速氣液分離器(8)的氣液入口連接霧化 裝置，在氣體出口連接集氣裝置，在液體出口連接集液裝置，并將整個實驗系統(tǒng)密封； 2) 設(shè)定霧化裝置的實驗用濕空氣的濕度，并在達到實驗壓力后，開啟霧化裝置，將高壓 濕空氣注入超音速氣液分離器(8)中； 3) 采集超音速氣液分離器(8)的入口壓力Pin和氣體出口的壓力Pciut，根據(jù)公式 1 out 得到壓比Pr;采集超音速氣液分離器(8)的入口含液濃度匕，采集超音速氣液分離器(8)的入 口濕空氣質(zhì)量流量G，并測量超音速氣液分離器（8)的液體出口液體質(zhì)量m2，根據(jù)公式u得到分離效率Et;采集超音速氣液分離器(8)的入口溫度T in和噴管出口 溫度Tmin，根據(jù)公式AT = Tin-Tmin，得到溫度降ΛΤ;采集超音速氣液分離器(8)的喉部溫度 T*，根據(jù)公式V = ，得到喉部速度值v，式中k為絕熱指數(shù)，Rg為氣體常數(shù)； 4) 關(guān)閉實驗系統(tǒng)后，調(diào)整超音速氣液分離器(8)的參數(shù)后重復步驟1)~3)，最終得到若 干組超音速氣液分離器(8)的壓比、分離效率、溫度降和喉部速度值，繪制實驗數(shù)據(jù)圖，即完 成實驗。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述步 驟1)中在密封整個實驗系統(tǒng)后需要進行氣密性檢驗。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述步 驟1)中在集氣裝置和集液裝置的出口均設(shè)置有能夠開閉的干燥器，實驗時關(guān)閉干燥器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述步 驟3)中超音速氣液分離器(8)的喉部和噴管出口均采用耐低溫高壓的溫度傳感器采集溫度 數(shù)據(jù)，該溫度傳感器的工作溫度為-l〇〇°C~50°C，承受壓力為20MPa。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述超 音速氣液分離器(8)喉部的溫度傳感器采用螺釘頭傳感器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述步 驟3)中采集超音速氣液分離器(8)的入口含液濃度值(^時，首先需要根據(jù)公j計算預設(shè)入口含液濃度Cio，式中，Gi-入口液體質(zhì)量流量，kg/s; G2-入口氣體質(zhì)重沭重，kg/ s ;然后采用溫濕度傳感器采集入口含液濃度值匕，保證入口含液濃度值匕與預設(shè)入口含液 濃度CiQ的誤差在0.5%以內(nèi)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述入 口液體質(zhì)量流量Gi采用孔板流量計測量，入口氣體質(zhì)量流量G2采用壓縮空氣流量計測量。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣液分離器測試及實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述步 驟3)采用干燥劑吸附超音速氣液分離器(8)的液體出口液體，通過測量干燥劑的吸附量得 到液體出口液體質(zhì)量m2。
【文檔編號】G01F15/08GK105890720SQ201610279841
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】王鳳琴, 康勇
【申請人】西安石油大學