碳氢燃料超临界裂解产物的密度和流速测定装置及其测定方法

技术领域

本发明涉及一种碳氢燃料高温裂解产物的密度和流速测定装置及其测定方法，属于工 程热物理及燃料物性测试领域。

背景技术

超燃冲压发动机技术要求一定流量的碳氢燃料在小口径冷却通道中加热并发生相变 和裂解反应，吸收发动机燃烧室的热量，从而实现发动机的冷却。冷却通道内径一般在3mm 以下。由于反应存在，高温体系中存在气-液(液体燃料和蒸汽)和气-固(裂解气和结焦 微粒)等多相平衡问题，目前尚无一种方法能实现燃料在高温相变和裂解反应过程中流动 体系的密度和流速的在线测定。

由于燃料分子在高温下得相变和反应，体系的相态、分子量和密度不断发生变化。由 于裂解反应是吸热反应，难以达到化学平衡，所以体系密度和流速除受温度和压力影响外， 还受到加热时间的影响。在工程性试验中，随着燃料在管内质量流量的变化，燃料在管内 加热段停留时间发生变化，裂解反应开始后，密度受多个参数影响，需要实现不同工程条 件下燃料密度的在线测量。

差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差， 此压力差与与流体密度乘积与流体流量之间有确定的数值关系，在已知密度条件下，通过 测量差压值可以求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合 而成。产生差压的节流装置有多种型式，如孔板、喷嘴、文丘利管等。差压流量计已经广 泛用于液体和非反应气相低温介质流量的测定，如我国的流量计标准“用标准孔板流量计测 量天然气流量”(GB/T 21446-2008)，“流量测量节流装置”(GB/T 2624-1993)和液体燃 料流量测定的孔板流量计(王朋军，火箭推进，2005，31，50)。

现有的孔板流量计管道内径一般要求50mm以上(GB/T 21446-2008)，而用于超燃冲 压发动机冷却的燃料通道一般在3mm以下，目前的已开发成熟的孔板流量计不能适应这 种工况。

另一方面，常温液体燃料的质量流量测定已有成熟技术，可选用商品化质量流量计来 实现冷态条件下得流体质量流量的测定。

本发明的基本思想就是将冷态条件下的质量流量测定和高温条件下的孔板差压信号 测定联合起来，开发一种小口径孔板装置，建立小口径管道内燃料高温裂解过程介质密度 和流速的在线测定方法。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足而提供一种碳氢燃料高温裂解产物的密度和流速 测定装置及其在线测定方法，其特点是将成熟的冷态液体质量流量测定与小口径管道节流 孔板取压方法联合起来，实现高温(1200K以下)、超临界和亚临界(0.1～6MPa)多相反 应流条件下燃料密度和流速的测量。

本发明目的工作原理

差压计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力 差与流体流量之间有确定的数值关系。设D和d为截面I和II上流束直径，u₁和u₂为截面 I和II上轴向流速，ρ为流体密度，则

$u_1\rho \frac{{\mathrm{\pi D}}^2}{4}=u_2\rho \frac{{\mathrm{\pi d}}^2}{4}---\left(1\right)$

当理想流体在管内定常流动时，对于管道中任意两个截面I和II有如下关系式，

${\mathrm{gh}}_1+\frac{p_1}{\rho }+\frac{{u_1}^2}{2}={\mathrm{gh}}_2+\frac{p_2}{\rho }+\frac{{u_2}^2}{2}---\left(2\right)$

上式为不可压缩流的伯努利方程。其中，g为重力加速度；h₁和h₂为截面I和II相对基准线 的高度；p₁和p₂为截面I和II上流体的静压力。由(4)和(5)式可导出质量流量为

$q_m={\mathrm{\rho u}}_2{A}_2=\frac{1}{\sqrt{1-{(d/D)}^4}}\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{2\rho (p_1-p_2)}---\left(3\right)$

由于取压位置不同可能带来差别，需引入流出系数C对(3)式进行修正，C是通过计量标定 的设备参数，即

$q_m=\frac{C}{\sqrt{1-{\beta }^4}}\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\rho \Delta p}}---\left(4\right)$

β＝(d/D)⁴是一个设备参数。

对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数ε对(4)式 进行修正，即：

$q_m=\frac{\mathrm{Cϵ}}{\sqrt{1-{\beta }^4}}\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\rho \Delta p}}---\left(5\right)$

密度表示为

$\rho =\frac{8(1-{\beta }^4)}{{\pi }^2{d}^4}\frac{{q_m}^2}{{\left(\mathrm{Cϵ}\right)}^2\mathrm{\Delta p}}---\left(6\right)$

对于标准孔板，可膨胀系数计算有不同经验公式，如按标准文件ISO5167给出的公式

$ϵ=1-(0.41+0.35{\beta }^4)\frac{\mathrm{\Delta p}}{{\mathrm{kp}}_1}---\left(7\right)$

和GB/T 21446-2008采用的计算式

$ϵ=1-(0.351+0.256{\beta }^2+0.93{\beta }^8{(1-\frac{p_2}{p_1})}^{1/\kappa }---\left(8\right)$

对于本申请的非标准孔板，采用标定的办法确定。方法是，用不可压缩流体，先测流 出系数C，再用可压缩流体测出流出系数和可膨胀系数的乘积Cε，可得ε。

对伴有相变和气相化学反应的流体，从(5)式可见，孔板流量计可以获得差压Δp， 但由于密度未知，因此不能用于质量流量的测定。

本发明的主要创新在于利用质量流量计测定冷态燃料的入口质量流量q_m，再结合孔板 装置获得差压Δp，根据(6)式得到流体的密度，再根据

${\mu }_1=\frac{{4q}_m}{{\mathrm{\pi D}}^2\rho }---\left(9\right)$

得到流体在管道中的流速u₁.由于差压信号不受温度影响，本方法可用于高温测量 (T＜1200K)。

由于发动机主动冷却等条件下流体在小口径管道(一般不大于3mm)，节流孔径一般 在2mm左右，为了既能避免节流孔径太小可能造成的结焦堵管现象，又能获得足够的差 压信号，本方法要求孔板前端直管管径在10mm以下，节流孔直径为1.5-5mm。

本发明的目的由以下技术措施实现

碳氢燃料超临界裂解产物的密度和流速测定装置由加压气源通过针型阀与储油罐连 接，储油罐通过流量调节阀，质量流量计与加热管连接，加热管与孔板取压装置连接，孔 板取压装置经冷凝器与背压阀连接。

孔板取压装置上设压差变送器，孔板取压装置前端设压力表和热电偶，孔板取压装置 的节流孔直径为1.5-5mm。

加热管接交流电源.

储油罐上设进油口，储油罐下设出油口。

冷凝器下设进水口，冷凝器上设出水口。

碳氢燃料超临界裂解产物的密线测定装置的测定方法包括以下步骤：

1)通过加压方式使液态燃料以0.2～4m/s的流速进入超临界裂解加热管，实现1200K 以下的高温、0.1～6MPa的超临界和亚临界裂解；

2)用质量流量计测定液态燃料的质量流量；

3)开启电加热系统，对燃料管路进行加热，使之发生相变和裂解反应；

4)用压力表和热电偶测量孔板前端介质压力和温度；

5)用孔板取压装置测量孔板前后差压；

6)通过数据采集软件按不低于1次/s的频率采集上述参数；

7)孔板取压装置获得的差压值Δp和质量流量计测定的质量流量q_m相结合，按(5) 式

$q_m=\frac{C^{\prime }}{\sqrt{1-{\beta }^4}}\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\rho \Delta p}}$

式中C′＝Cε，称为孔板校正系数，d和D节流孔直径和前端管道直径，流速u可根据密度、 管径和质量流量计算。

碳氢燃料超临界裂解产物的密度和流速测定装置用于超燃冲压发动机主动冷却系统、 石油、化工和冶金高温反应和多相流动体系的密度和流速测量。

本发明具有以下优点

本发明在质量流量测定技术的基础上，开发非标小口径的孔板节流装置，实现了小管 径内高温多相反应介质的密度和流速测量，解决了超燃冲压发动机主动冷却系统超临界裂 解等工程研究中的介质密度和流速的在线测量问题，进而使我们可能实现燃料裂解气体的 平均分子量计算，实现小管径通道中多相反应流动过程的性能评价。采集的参数对发动机 主动冷却系统设计有重要作用。

附图说明

图1.超临界裂解密度测量系统示意图

1-加压气源，2-针型阀，3-储油罐，4-流量调节阀，5-质量流量计，6-加热管，7-交 流电源，8-热电偶，9-前端压力表，10-压差变送器，11-孔板取压装置，12-冷凝器，13- 背压阀。

图2.孔板校正系数标定结果.(a)为孔板校正系数随雷诺数的变化；(b)为局部放大图

图3.航空煤油在不同温度下的密度和流速测试结果

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本 发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以 根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例

如图1所示，碳氢燃料超临界裂解产物的密度和流速测定装置由加压气源1通过针型 阀2与储油罐3连接，储油罐通过流量调节阀4，质量流量计5与加热管6连接，加热管 与孔板取压装置11连接，孔板取压装置经冷凝器12与背压阀13连接。

孔板取压装置11上设压差变送器10，孔板取压装置11，前端设压力表9和热电偶8， 孔板取压装置的节流孔直径为1.5-5mm。

加热管接交流电源7.

该储油罐3上设进油口，储油罐下设出油口。

冷凝器12下设进水口，冷凝器上设出水口。

碳氢燃料超临界裂解产物的密线测定装置的测定方法包括以下步骤：

1)非标准节流装置

我们自己开发了小孔径孔板流量计，其参数如下

节流前后管径：3-10mm；节流孔直径：1.5-5mm；节流板厚度：1-3mm。

2)流出系数标定

我们用常温气体和冷态煤油对Cε值进行标定。实际上，在超临界条件下，由于差压 值Δp(10kPa以下)远小于体系压力值，按(7)和(8)式计算可见得ε≈1。本发明不单独 对ε进行标定，而是将Cε作为一个参数标定，称为孔板校正系数，即

$\mathrm{Cϵ}=\frac{{4q}_m\sqrt{1-{\beta }^4}}{\sqrt{2}{\mathrm{\pi d}}^2\sqrt{\mathrm{p\Delta p}}}---\left(10\right)$

3)气体标定

温度，300K；当地环境压力：96kPa

标定步骤为：

在常温条件下，加压使1MPa的N₂和CH₄气体通过孔板装置；

用压力传感器测定孔板前气体压力，待压力和差压稳定后，用湿式气体流量计测量排 出气体体积60秒，用以计算体积流量q_v。用理想气态方程计算质量流量q_m；

用微差压计读取孔板两端压差值Δp；

根据孔板前端压力值p₁，按理想气体(试验时保持管内压力不大于1MPa，因而可按 理想气体处理)计算孔板前气体密度，即

$\rho =\frac{\mathrm{Mp}}{\mathrm{RT}}---\left(11\right)$

M为气体分子量，R为气体常数。为了得到Cε值对雷诺数Re的依赖关系，按下式计算不 同流量时的雷诺数

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\rho uD}}{\mu }==\frac{{4q}_m}{\mathrm{\pi \mu d}}---\left(12\right)$

u为流速，μ为介质粘度，d为特征尺寸(本试验的节流孔直径)。

4)液体标定

由于液体密度ρ恒定，标定较为简单，标定步骤如下：

测定液体密度ρ；

在一定压力下(如1MPa)让常温液体流过孔板装置并测定质量流量和差压信号；

按(12)式，根据介质粘度和流速，计算雷诺数；

按(10)计算孔板校正系数；

确定孔板校正系数随雷诺数的变化关系。

三种介质常温标定的孔板校正系数见图2。

5)测量误差来源初步分析

我们用已知密度介质在常温下获得孔板校正系数，并用此系数进行密度和流量计算。

孔板孔径变化：考虑到高温条件下孔板装置由于热膨胀原因，按线膨胀系数计算，孔 板孔径变形带来的误差不超过0.1％。

误差主要来源有两方面：

一是裂解结焦在节流孔表面积碳，引起节流孔径变化，使(5)式中的孔径值发生变 化，造成误差，解决的办法是实验完成后通入冷油，检验孔板校正系数是否变化。如发生 变化，则实验结果的高温数据需要用表面积碳情况下测得的孔板校正系数进行修正

二是由于质量流量和差压的测定位置不同，质量流量的波动传递到节流孔位置有一个 时间差，所以质量流量波动可能会造成按(5)式计算得到的介质密度产生较大误差。解 决此问题的办法是保持冷油质量流量的稳定。

在高温条件下，裂解气密度目前尚无一种方法可实现精确测定，我们只能采用多次重 复实验并确定偏差的方式来考察本方法的测量误差。从我们的重复实验看，在两相流动和 高温裂解阶段的密度测量偏差可保证在4％以内。

6)应用实例

介质：航空煤油；加热管内径：2mm；加热管长度：100mm；孔板前端管径：5mm；节 流孔直径：3mm；质量流量：2g/s；介质压力：3.5MPa。

具体操作步骤如下：

1)开启进油阀门，通过加压方式使液态燃料以0.2～4m/s的流速进入超临界裂解管路；

2)用质量流量计5测定液态燃料的质量流量；

3)待质量流量计显示流量稳定后，开启电加热系统，对燃料管路进行加热，使之发 生相变和裂解反应；

4)用压力表9和热电偶8测量孔板前端介质压力和温度；

5)用孔板取压装置11和微差压计测量孔板两端压差值Δp(微差压计量程为10kPa)；

6)通过数据采集软件按不低于1次/s的频率在线采集质量流量、介质温度、介质压力、 差压值；

7)孔板取压装置获得的差压值Δp和质量流量计测定的质量流量q_m相结合，计算燃料 多相流和裂解产物的密度ρ和流速，即

$q_m=\frac{C^{\prime }}{\sqrt{1-{(d/D)}^4}}\frac{\pi }{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\rho \Delta p}}$

式中C′为孔板校正系数，d和D节流孔直径和前端管道直径，流速u可根据密度、管径和 质量流量计算，通过计算机软件做数据处理并在监视屏给出密度、流速等数据的图形输出。

本实例航空煤油在不同温度下的密度和流速测试结果测量结果如图3所示。