POPP OLIVER (CH)
CN101929884B | 2012-05-09 | |||
US5127272A | 1992-07-07 | |||
US20090229375A1 | 2009-09-17 | |||
JP2000320933A | 2000-11-24 |
Patentansprüche Messanordnung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit zumindest einer Flüssigphase (cp2) und/oder einer Gasphase (cpi ) eines Dampfes oder eines aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase bestehenden Fluides oder eines überkritischen Fluids, wobei die Messanordnung ein Messrohr (5) aufweist, an oder in welchem zumindest ein Sensorelement (10A, 15A) zumindest eines ersten Durchflussmessgerätes (10, 15) angeordnet ist, zur Bestimmung der Flüssigphase (cp2) oder der Gasphase (ψι), wobei das Messrohr (5) zumindest einen Einströmbereich (1 ) und einen Ausströmbereich (2) aufweist, wobei zwischen diesen beiden Bereichen ein Mittelbereich (7) angeordnet ist, dessen Messrohrquerschnitt einen größeren Flächeninhalt aufweist als der Flächeninhalt des Messrohrquerschnitts des Ausströmbereichs (2) oder des Einströmbereiches (1 ). Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Messrohr (5) zumindest ein weiteres Sensorelement (9A, 16A) des ersten Durchflussmessgerätes (15) oder eines weiteren Durchflussmessgerätes (9) aufweist, so dass durch Messanordnung die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigphase (cp2) oder der Gasphase (cpi ) bestimmbar ist. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung einen Füllstandssensor (14) oder einen Grenzstandsensor (1 1 ) aufweist zur Bestimmung des Füllstandes oder zur Anzeige eines erreichten Grenzstandes der Flüssigphase (cp2) im Messrohr (5) Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (7) des Messrohres (5) einen Gerinnekanal (4) zur Sammlung der Flüssigphase (cp2) aufweist. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (7) des Messrohres (5) ein Gasleitungsrohrsegment (3) aufweist. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daduch gekennzeichnet, dass das Messrohr (5) jeweils endständig an eine Prozessleitung, vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung, anschließbar ist. 7. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung zumindest ein Sensorelement (9A, 15A) aufweist, welches in einem oberen Bereich des Messrohres (5) zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases angeordnet ist; zumindest ein Sensorelement aufweist, welches in einem unteren Bereich des Messrohres zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit angeordnet ist; ein Sensorelement zur Bestimmung des Füllstandes der zumindest einen Flüssigkeit im Messrohr vorgesehen ist und eine Auswerteeinheit, welche den Durchfluss der zumindest zwei Einzelphasen ermittelt und welche mit den Sensorelementen verbunden ist. 8. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr im eingebauten Zustand eine Orientierung aufweist, bei dem der Einströmbereich und der Ausströmbereich auf im wesentlichen auf gleicher Höhe bezüglich der Schwerkraft angeordnet sind. 9. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Verbindungslinie zwischen den Schnittpunkten der Messrohrmittellinie mit einer Stirnfläche des Messrohrs am Einströmbereich und einer Stirnfläche des Messrohrs am Ausströmbereich waagerecht verläuft, bzw. von der Waagerechten um nicht mehr als 20° insbsondere nicht mehr als 10° abweicht. 10. Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses von Einzelphasen eines Dampfes oder eines aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase bestehenden Fluides oder eines überkritischen Fluides, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Einleiten des Dampfes oder des Fluides in das Messrohr einer Messanordnung, welches zumindest einen Einström- und einen Mittelbereich aufweist, wobei der Einströmbereich einen Querschnitt mit kleinerem Flächeninhalt als der Mittelbereich aufweist, und wobei sich der Dampf oder das Fluid im Messrohr in zumindest eine Flüssigphase und eine Gasphase aufteilt b) Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Phasen c) Ermittlung des Füllstandes der Flüssigphase oder der Flüssighasen im Messrohr d) Berechnung des Durchflusses der Einzelphasen unter Berücksichtigung der ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten und des Füllstandes. |
EINER FLÜSSIGEN PHASE UND EINER GASPHASE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit zumindest einer Einzelphase eines Dampfes und ein Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses von Einzelphasen eines Dampfes.
Bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit und des Durchflusses von Dampf, beispielsweise Wasserdampf, kann es zu einer sogenannten Filmströmung kommen, bei welcher sich Flüssigkeit an der Messrohrwandung absetzt und dort einen
Flüssigkeitsfilm umfangsverteilt ausbildet. Dieser Flüssigkeitsfilm bzw. diese
Wandströmung stört bei der Durchflussmessung bzw. wird bei der Massung nicht erfasst.
Die vorliegende Erfindung setzt bei der Aufgabe an eine Messanordnung
bereitzustellen, welche eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung von zumindest einer Einzelphase des Dampfes mit geringerer Störung ermöglicht.
Erfindungsgemäß soll eine Messanordnung zur Bestimmung der
Strömungsgeschwindigkeit zumindest einer Flüssigphase und/oder einer Gasphase eines Dampfes bereitgestellt werden. Diese weist ein Messrohr auf, an oder in welchem zumindest ein Sensorelement zumindest eines ersten Durchflussmessgerätes angeordnet ist. Dieses Sensorelement ist Teil eines Durchflussmessgerätes und ermöglicht die Bestimmung der Flüssigphase oder der Gasphase oder eines aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase bestehenden Fluides oder eines überkritischen Fluids.
Weiterhin erfindungsgemäß weist das Messrohr zumindest einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf, wobei zwischen diesen beiden Bereichen ein Mittelbereich angeordnet ist, dessen Messrohrquerschnitt einen größeren Flächeninhalt aufweist als der Flächeninhalt des Messrohrquerschnitts des Ausströmbereichs oder des
Einströmbereiches. Durch den vergrößerten Querschnitt wird der Dampf verlangsamt und flüssige
Bestandteile können vollständig in einem Gerinne am Boden des Messrohres überführt werden. Somit kann der Dampf in eine Flüssigphase und eine Gasphase getrennt werden und die Flüssigkeit in den unteren Bereich des Messrohres transportiert werden. Jede Phase kann einzeln hinsichtlich ihrer Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden. Störende umfangsverteilte Flüssigkeitsfilme, welche eingangs beschrieben wurden, treten dabei nicht auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Messrohr der Messanordnung im eingebauten Zustand eine Orientierung auf, bei dem der Einströmbereich und der Ausströmbereich im wesentlichen auf gleicher Höhe bezüglich der Schwerkraft angeordnet sind. Insbesondere verläuft eine gerade Verbindungslinie zwischen den Schnittpunkten der Messrohrmittellinie mit einer Stirnfläche des Messrohrs am
Einströmbereich und einer Stirnfläche des Messrohrs am Ausströmbereich waagerecht, bzw. die Verbindungslinie weicht von der Waagerechten um nicht mehr als 20° insbsondere nicht mehr als 10° ab.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn am oder im Messrohr zusätzlich zu dem in Anspruch 1 definierten Sensorelement zumindest ein weiteres Sensorelement angeordnet ist, welches jeweils die Strömungsgeschwindigkeit der zweiten Einzelphase misst. Dadurch können die Strömungsgeschwindigkeiten der Einzelphasen des Dampfes erfasst werden. Dabei ist die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigphase oftmals geringer als die Strömungsgeschwindigkeit der Gasphase.
Das Sensorelement kann Teil des ersten Durchflussmessgerätes sein. Dies ist z.B. bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät mit mehreren Ultraschallwandlerpaaren der Fall. Dadurch kann eine kompakte Bauweise realisiert werden. Es ist allerdings auch möglich, in einer Messanordnung zwei oder mehr separate Durchflussmessgeräte vorzusehen. In beiden Fällen ermöglicht die die Messanordnung eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit sowohl der Flüssigphase oder Flüssigphasen als auch der Gasphase.
Es ist zudem möglich eine Durchflussmessung zu realisieren. Hierfür kann man die Messanordnung um einen Füllstandssensor oder einen Grenzstandsensor ergänzen, welcher eine Bestimmung des Füllstandes oder eine Anzeige eines erreichten
Grenzstandes der Flüssigphase im Messrohr ermöglicht. Damit ist das Volumen der Flüssigkeitsanteils und des Gasanteils ermittelbar und bei bekannter Dichte deren Massenanteile.
Für eine günstige Positionierung der Sensorelemente ist es von Vorteil, wenn der Mittelbereich des Messrohres einen Gerinnekanal zur Sammlung der Flüssigphase aufweist. Durch die Sammlung der Flüssigphase in einem Kanal können auch geringe Flüssigkeitsmengen hinreichend genau detektiert werden.
Der Mittelbereich des Messrohres weist ein Gasleitungsrohrsegment auf. Dieses ermöglicht die günstige Positionierung der Sensorelemente.
Das Messrohr kann ohne Weiteres in eine bestehende Anlage integriert werden, Hierfür ist das Messrohr jeweils endständig an einer Prozessleitung, vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung, anschließbar.
Insgesamt kann die Messanordnung in besonders kompakter Bauweise vorteilhaft realisiert werden, indem sie zumindest ein Sensorelement aufweist, welches in einem oberen Bereich des Messrohres zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases angeordnet ist; zumindest ein Sensorelement aufweist, welches in einem unteren Bereich des Messrohres zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit angeordnet ist und indem zumindest ein Sensorelement zur Bestimmung des Füllstandes der zumindest einen Flüssigkeit im Messrohr vorgesehen ist und dass eine Auswerteeinheit, welche den Durchfluss der zumindest zwei Einzelphasen ermittelt und welche mit den Sensorelementen verbunden ist. Die Verbindung kann durch Kabel oder auch durch eine Funkverbindung erfolgen. Dabei benötigt nicht jedes
Sensorelement eine extra Auswerteeinheit sondern alle Sensorsignale können durch eine einzige Auswerteeinheit verwaltet werden.
Weiterhin umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung eines Durchflusses von Einzelphasen eines Dampfes, die folgenden Schritte:
a) Einleiten des Dampfes in das Messrohr einer Messanordnung, welches
zumindest einen Einström- und einen Mittelbereich aufweist, wobei der Einströmbereich einen Querschnitt mit kleinerem Flächeninhalt als der Mittelbereich aufweist,
und wobei sich der Dampf im Messrohr in zumindest eine Flüssigphase und eine Gasphase aufteilt
b) Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeiten der einzelnen Phasen
c) Ermittlung des Füllstandes der Flüssigphase oder der Flüssighasen im
Messrohr
Berechnung des Durchflusses der Einzelphasen unter Berücksichtigung der ermittelten Strömungsgeschwindigkeiten und des Füllstandes.
Dadurch wird eine Durchflussmessung der Einzelkomponenten von Dampf ermöglicht.
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele und unter Zuhilfenahme von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Perspektivansicht eines Messrohr einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder eines Durchflusses von Dampf;
Fig. 2 Schnittansicht eines schematischen Aufbaus einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 Schnittansicht eines schematischen Aufbaus einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft vorrangig die Messung der Einzelphasen von
Dampfströmungen. Dabei kann es sich z.B. um Wasserdampf handeln. Allerdings kommen auch andere kondensierte Gase, wie Kohlenwasserstoffverbindungen in Betracht. Dabei kann es sich insbesondere um Flüssigkeiten handeln, die gedacht sind, sich zu verflüssigen oder zu kondensieren. Eine typische Anwendung derartiger Fluide findet sich in einem Kühlschrank. Weiterhin kann die Erfindung auch bei nicht kondensierten Gasen angewandt werden, in welchen eine zweite, flüssige Phase vorhanden sind. Derartige Dämpfe weisen eine Froude-Zahl von kleiner als 1 auf und einen Lockhart- Martinelli-Parameter von kleiner als 0,3. Jedwede Strömung oberhalb dieser Parameter ist als Flüssigkeit mit Luftblasen zu verstehen.
In Dampfleitungen ist es für den Anwender sehr hilfreich die Dampfqualität zu bestimmen. Diese ergibt sich aus dem Anteil der Gesamtmasse geteilt durch den Anteil der Masse an Dampf. Diese Messaufgabe kann mittels eines Diffusors gelöst werden, welcher die Strömung aufgrund der Erhöhung des Messrohrquerschnitts entlang der Messrohrachse verlangsamt.
Dieser Diffusor selbst stellt zugleich das Messrohr dar und weist Sensorelemente einer Messanordnung auf, welche die Strömungsgeschwindigkeit und/oder den Durchfluss der Einzelphasen bestimmen.
Durch die Nennweitenvergrößerung innerhalb des Messrohres 5 bildet sich unabhängig vom Betriebszustand in der angrenzenden Prozessleitung eine Gerinneströmung aus einer flüssigen Phase aus. Geht man davon aus, dass entweder der
Gesamtmassenstrom oder der Dampfmassenstrom separat gemessen werden kann, so ermöglicht dies die Bestimmung der Dampfqualität.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Messrohr 5 für eine Trennung eines Dampfgemisches in eine Gasphase cpi und eine Flüssigphase >2. Das Messrohr 5 weist einen
Einströmbereich 1 auf, mit einer Einlauföffnung 1A. Weiterhin weist das Messrohr einen Ausströmbereich 2 auf, mit einer Auslauföffnung 2A. Die Einlauföffnung 1A und die Auslauföffnung 2A weisen jeweils einen Mittelpunkt M1 und M2 auf. Die Strecke zwischen diesen Mittelpunkten M1 und M2 ist die Messrohrachse A.
Die Querschnittsform der Einlauföffnungen 1A und 2A ist entweder kreisrund oder oval. Im Verlauf der Messrohrachse A von den Mittelpunkten M1 zu M2 ändert sich die Querschnittsform. Es erfolgt zudem eine Aufweitung des Querschnitts, das heißt der Flächeninhalt des Querschnitts nimmt zu. Die Querschnittsform des Messrohres 5 ändert sich derart, dass in einem in Lotrichtung L unteren Bereich des Messrohres 5 ein Gerinnekanal 4 angeordnet ist, in welchem sich die flüssige Phase sammelt. In einem in Lotrichtung L oberen Bereich des
Messrohres 5 befindet sich ein Gasleitungsrohrsegment 3. Das
Gasleitungsrohrsegment 3 weist dabei einen wesentlich höheren Flächeninhalt auf als der Gerinnekanal 4.
Das in Fig. 1 dargestellte Messrohr 5 unterteilt sich in einen Einströmbereich 1 , in einen ersten Überführungsbereich 6, in einen Mittelbereich 7, in einen zweiten
Überführungsbereich 8 und in einen Ausström bereich 2, welche nachfolgend näher erläutert werden.
Der Einströmbereich 1 weist einen Messrohrquerschnitt auf, welcher kreisrund oder oval ist. Insbesondere kann sich bereits im Einströmbereich 1 die Form des
Messrohrquerschnitts gegebenenfalls sprunghaft ändern. So kann vor der
Einlauföffnung 1A ein zum Einström bereich 1 zugehöriger Rohrabschnitt angeordnet sein, welcher einen Flansch zum Anschluss an ein Prozessrohr aufweist. In analoger Weise kann auch ein Ausströmbereich 2 einen vorbeschriebenen Rohrabschnitt aufweisen.
Innerhalb des ersten und des zweiten Überführungsbereichs 6 und 8 ändert sich der Messrohrquerschnitt in seiner Form und in seinem Flächeninhalt, wobei der
Flächeninhalt bis zum Mittelbereich 7 kontinuierlich ansteigt oder kontinuierlich abfällt.
Im Mittelbereich 7 weist das Messrohr 5 über diesen gesamten Bereich einen einheitlichen Messrohrquerschnitt mit dem besagten Gerinnekanal 4 und dem
Gasleitungsrohrsegment 3.
In Fig. 1 weist das Gasleitungsrohrsegments 3 eine rohrbogenförmige Außenkontur auf und der Gerinnekanal 4 eine u-förmige Außenkontur. Beide Außenkonturen gehen dabei ineinander über. Die in Fig. 1 abgebildete Form eines Messrohres 5 ist jedoch lediglich eine bevorzugte von mehreren Ausführungsvarianten. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass das Mittelsegment 7 dreieckig ausgebildet ist, wobei eine Dreiecksspitze den Gerinnekanal 2 ausbildet.
Durch die Erweiterung des Flächeninhalts des Messrohrquerschnitts im Verlauf der Messrohrachse A wird eine Entmischung der Dampfphase in eine Gas- und eine Flüssigphase erreicht.
Der Gerinnekanal 4 ermöglicht eine ausreichende Füllhöhe an Flüssigkeit um eine Durchflussmessung vorzunehmen,
Zur Realisierung der Durchflussmessung der Gasphase und der Flüssigphase können an sich bekannte Durchflussmesstechniken genutzt werden. Entsprechende
Durchflussmesstechniken für Gase sind beispielsweise eine Ultraschall- Durchflussmessung, eine thermische Durchflussmessung, eine Vortex- Durchflussmessung, eine Differenzdruck-Durchflussmessung oder eine
Durchflussmessung anhand eines sogenannten„V-cone".
Der Durchfluss der Flüssigphase kann beispielsweise mittels magnetisch-induktiver Durchflussmessung, Ultraschallmesstechnik oder Differenzdruckmessung erfolgen.
Hierfür sind in Fig. 2 und 3 zwei Kombinationsvarianten dargestellt.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts des Mittelsegments 7 des
Messrohres 5. Sie zeigt eine Anordnung eines thermischen Durchflussmessgerätes 9 und eines Differenzdruckmessgerates 10 bzw. eine Anordnung der Sensorelemente 9A und 10A dieser Durchflussmessgeräte am Messrohr 5. Dabei misst das
Differenzdruckmessgerät 10 die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigphase >2 und das thermische Durchflussmessgerät 9 misst die Strömungsgeschwindigkeit der Gasphase ψι . Um zusätzlich einen Durchfluss zu bestimmen muss das Volumen der Flüssigkeit im Gerinnekanal 4 ermittelt werden. Dies kann beispielsweise über Grenzstandsensoren z.B. Vibrationsgrenzschalter 11 oder alternativ durch Lichtschranken erfolgen.
Alternativ kann auch eine Füllstandsmessung erfolgen. Hierfür kann im oberen Bereich des Messrohres 5 ein Ultraschallsensor angeordnet sein, welcher den Füllstand durch Laufzeiterfassung ermittelt. Eine weitere Möglichkeit der Füllstandsmessung bietet die Radarmessung. Es sind darüber hinaus auch andere Füllstandsmessmethoden bekannt.
Die Messwerte welche von dem thermischen Durchflussmessgerät 9, dem
Differenzdruckmessgerät 10 und den Grenzstandsensoren 1 1 ermittelt werden können an eine Auswerteeinheit 13 übertragen werden. Dies erfolgt in Fig. 1 durch eine
Drahtlose Funkverbindung 12.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Einzelbestimmung der Gasphase ψι und der Flüssigphase >2 in dem Messrohr 5. Beide Phasen werden dabei durch Ultraschall- Durchflussmessung bestimmt. Die Bestimmung des Volumens an Flüssigkeit kann anhand eines kapazitiven Füllstandsmessgerätes erfolgen. Ein kapazitiver
Messaufnehmer 14 ist in Fig. 3 mit einem Messtransmitter 17 verbunden. Die
Ultraschallsensorelemente 15A und 16A eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes 15, welche am Messrohr 5 angeordnet sind, sind ebenfalls mit dem Messtransmitter verbunden. Der Messtransmitter weist eine Auswerteeinheit auf, welcher die Messwerte auswertet und Werte bezüglich der Strömungsgeschwindigkeiten der Einzelphasen und/oder die Durchflusswerte der Einzelphasen ausgibt.
Besonders die kapazitive Füllstandsmessung und die Ultraschall-Füllstandsmessung ist von Vorteil bei der Messung eines Dreiphasengemisches, wobei bei Phasentrennung eine Gasphase und zwei nicht- oder nur begrenzt mischbare Flüssigkeiten auftreten. Die kapazitive Füllstandsmessung ermöglicht hier die Messung der Füllstandshöhen beider Flüssigkeiten und erlaubt damit eine Aussage bezüglich des Durchflusses jeder flüssigen Einzelphase. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann die Messvorrichtung zusätzlich um einen oder mehrere Temperatursensor ergänzt werden, zur Ermittlung der Temperatur der Flüssigphase und/oder der Gasphase.
Die Leerrohrgeschwindigkeiten der beiden Phasen sind durch die geometrischen Verhältnisse so anzupassen, dass sich für die flüssige Phase sicher eine
Gerinneströmung einstellt
Bezugszeichenliste
1 Einströmbereich
1A Einlauföffnung
2 Au sströmbe reich
2A Auslauföffnung
3 Gasleitungsrohrsegment
4 Gerinnekanal
5 Messrohr
6 erster Übergangsbereich
7 Mittelbereich
8 zweiter Übergangsbereich
9A thermisches Durchfluss-Sensorelement
9 thermisches Durchflussmessgerat
10A Differenzdruck-Sensorelement
10 Differenzdruck-Durchflussmessgerät
11 Vibronikgrenzschalter
12 Wireless-Funkverbindung
13 Auswerteeinheit
14 kapazitives Füllstandsmessgerät
15A Ultraschallsensorelement
15 Ultraschall-Durchflussmessgerät
16A Ultraschallsensorelement
17 Auswerteeinheit
A Messrohrachse L Lotrichtung Φι Gasphase Φ 2 Flüssigphase
Next Patent: METHOD FOR PRODUCING A CONTAINER FOR A MEDIUM