Каталог
Ваш город: Москва другой город
+7 (495) 730-20-20, +7 (800) 1000-818 пн - пт, с 9:00 до 17:30 info@jumas.ru
Выберите город:

Россия

Москва Волгоград Екатеринбург Иркутск Йошкар-Ола Казань Краснодар

 

Красноярск Кемерово Кострома Нижний Новгород Пенза Самара Саратов

 

Саранск Тюмень Хабаровск Чебоксары Ярославль

Казахстан

Актау Алматы

Беларусь

Минск

Украина

Киев
Наши издания
«Механические приборы измерения и контроля давления» «Манометры»
Автор: Юрий Владимирович Мулёв, генеральный директор НПО «ЮМАС», доктор технических наук, профессор.

Экспериментальное исследование диэлектрической проницаемости сухого насыщенного водяного пара

12 1 Мулёв Ю.В. , Смирнов С.Н. , доктора техн. наук, Мулёв М.Ю. , инж.
НПО ЮМАС1 — МЭИ2

Приведены результаты экспериментальных исследований диэлектрической проницаемости сухого на¬сыщенного водяного пара в диапазоне 388...614 К, по результатам которых предложено уравнение для ее расчета.

Для совершенствования систем управления атомными и тепловыми станциями требуется дополнительная информация о состоянии рабочего тела. Традиционные термодинамические параметры, такие как давление и температура, не могут свидетельствовать о нем при фазовых переходах на протяжении большей части рабочих трактов подавляющего числа энергетических установок. Например, в прямоточном котле по меньшей мере на 60 % длины тракта ни давление, ни температура не могут свидетельствовать о плотности теплоносителя, так как это кипящая вода, влажный водяной пар (в состоянии от мелких пузырьков в воде до мелких вкраплений воды в паре) и сухой насыщенный пар. В атомных энергетических установках влажный водяной пар является основным рабочим телом. Большинство других видов теплоэнергетического оборудования (например, холодильные установки, тепловые трубы и др.) имеют функциональные циклы на основе фазовых переходов.

Одними из наиболее перспективных и разработанных методов контроля состояния двухфазных смесей являются те, которые основаны на измерении электрофизических параметров. Это подтверждается большим объемом экспериментальных исследований водного теплоносителя в различных фазовых состояниях с помощью этих методов [1—3]. Среди электрофизических параметров особое место занимает диэлектрическая проницаемость е [4]. Кроме того, е — это макропараметр, свидетельствующий о межмолекулярном взаимодействии в веществе, а его значение позволяет судить о структурных изменениях в нем. Также s используется в расчетах химических процессов в теплоносителе. Значение комплексной диэлектрической проницаемости зависит от нормируемых показателей водно-химических режимов, а ее активная составляющая предоставляет сведения об электропроводности среды.

Диэлектрическая проницаемость водного теплоносителя является чувствительным параметром и изменяет свои значения даже при появлении небольших концентраций жидкой фазы в паре [3].

Регламент расчета е воды и водяного пара определен уравнением, предложенным в [5], которое базируется на формуле Дебая с эмпирическим корреляционным коэффициентом межмолекулярного взаимодействия. Это уравнение было получено на основе массива экспериментальных данных, заявленная погрешность которых составляет 0,6...5 % [6]. К сожалению, в этом массиве недостаточно данных об s сухого насыщенного пара. В настоящей работе предполагается восполнить массив данных диэлектрической проницаемости воды и водяного пара, а также подтвердить или опровергнуть применимость уравнения из работы [5] для расчетов е сухого насыщенного пара.

Цель настоящей работы — получение экспериментальных данных по диэлектрической проницаемости сухого насыщенного водяного пара с погрешностью не выше 0,3 %. Экспериментальная установка для этого создана на основе опыта МЭИ [3] (рис. 1).

Автоклав внешним диаметром 60 и длиной 150 мм изготовлен из нержавеющей стали. Герметизация верхнего торца устройства обеспечена аргонно-дуговой сваркой. По внешней стороне автоклав опоясан температурно-демпфирующей оболочкой, на которой размещены электрические нагреватели. Весь автоклав покрыт слоем теплоизоляции для предотвращения тепловых потерь наружу.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
1 — автоклав с рабочим блоком; 2 —- система измерения и регистрации параметров; 3 — система подготовки рабочего тела; 4 — узел вакуумирования; ПК — персональный компьютер; ИПДЦ — прибор для измерения давления

Рабочий блок включает в себя измерительную ячейку (рис. 2), крепление и сепарационную сетку. Измерительная ячейка емкостью в вакууме С0 = 30 пФ отличается жесткостью конструкции и свободным доступом исследуемого тела в межэлектродное пространство. Два цилиндрических электрода из нержавеющей стали установлены коаксиально на основании с помощью дистанционирующих втулок. Последние изготовлены из оксида алюминия А1203, который не растворим в водных растворах энергетических параметров и имеет высокие диэлектрические характеристики.

Охранное кольцо гальванически соединено с основанием, которое, в свою очередь, закреплено сваркой на нижней образующей крышки автоклава (заземленного). Для предотвращения случайного попадания капель жидкости в межэлектродное пространство в нижнем торце ячейки предусмотрена защитная сетка.

Рис. 2. Измерительная ячейка.
1,2 — наружный и внутренний электроды; 3 — основание; 4 — дистанционирующая втулка; 5 — охранное кольцо; 6 — сеиарационная сетка; 7 — электровводы

Электрический ввод в зону высоких параметров реализован с помощью электровводов. Их главный элемент — керамическая основа, внутри которой по методике, предложенной в [3], запечена платиновая проволока.

Конструктивной особенностью автоклава является система трех электровводов, смонтированных на верхнем торце устройства и обеспечивающих устранение паразитных емкостей подвода.

Работоспособность измерительной ячейки была проверена измерением диэлектрической проницаемости полярных газов по методике [3]. Также с помощью трансформаторного моста Е8-2 для контроля паразитных составляющих была проверена стабильность значения электрической емкости измерительной ячейки на различных частотах.

Влияние температурных деформаций ячейки в диапазоне температур 388...615 К аппроксимировано линейной зависимостью и скорректировано при проведении экспериментальных исследований по методике [7].

Электрическая емкость С0 была определена с помощью диэлектрических тарировочных жидкостей.

Контроль и измерение температуры рабочего тела внутри автоклава осуществлены хромель-алюмелевы- ми термопарами, размещенными во внутренней полости автоклава на различных уровнях по его высоте. Уровень жидкой фазы регистрировался системой одноэлектродных контактных датчиков (второй электрод — заземленный корпус автоклава). Давление измерено через разделительную мембрану прибором ИПДЦ с классом точности 0,07.

Для регистрации емкости ячейки, заполненной сухим насыщенным водяным паром, применен трансформаторный мост Р-5083, работа которого в выбранном диапазоне измерения соответствует классу точности 0,02. Предел основной допускаемой погрешности моста не превышает 0,15 %. Измерения проведены на основной номинальной частоте, равной 10 кГц, а также на частоте 30 кГц.

Итоговая погрешность системы измерения диэлектрической проницаемости определена как суммарная из следующих составляющих: непосредственно схемы измерения (трансформаторного моста) 0,15 %; измерительной ячейки, включая погрешности определения полезной емкости и влияния краевых эффектов, — 0,17 %; влияния паразитных емкостей подводящих коммуникаций — 0,15 %. Среднеквадратичная погрешность составила 0,28 %.

Результаты экспериментальных исследований диэлектрической проницаемости сухого насыщенного водяного пара и их сравнение с расчетными данными (по уравнению из работы [5])

Г, К

р, МПа

р, кг/м3

еэксп

р

расч

388,45

0,171000

0,97

1,000

1,009

424,75

0,497000

2,65

1,018

1,023

429,80

0,568000

3,01

1,021

1,026

430,77

0,582000

3,08

1,022

1,027

436,03

0,665000

3,49

1,026

1,030

438,56

0,709000

3,71

1,029

1,032

439,81

0,731000

3,82

1,029

1,033

442,34

0,777000

4,05

1,031

1,034

443,35

0,797000

4,14

1,032

1,035

445,86

0,846000

4,38

1,035

1,037

447,12

0,872000

4,51

1,036

1,038

449,61

0,925000

4,77

1,038

1,040

451,00

0,955000

4,92

1,040

1,041

541,30

5,436000

27,21

1,215

1,206

541,73

5,472000

27,41

1,216

1,208

510,27

3,184000

15,91

1,125

1,123

525,09

4,112000

20,65

1,162

1,158

530,10

4,469000

22,51

1,176

1,171

541,06

5,331000

27,11

1,211

1,205

548,78

5,919000

30,84

1,235

1,233

563,60

7,498000

39,42

1,302

1,298

574,35

8,743000

47,10

1,358

1,358

586,67

10,359000

57,87

1,450

1,445

593,28

11,316000

64,78

1,506

1,502

596,65

11,829000

68,68

1,540

1,536

599,14

12,220000

71,74

1,566

1,562

601,94

12,673000

75,40

1,595

1,595

605,73

13,305000

80,73

1,645

1,643

608,50

13,782000

84,96

1,684

1,682

609,48

13,954000

86,52

1,698

1,696

609,91

14,031000

87,22

1,704

1,703

610,86

14,201000

88,80

1,717

1,718

611,61

14,335000

90,07

1,727

1,730

612,77

14,547000

92,08

1,745

1,749

613,58

14,694000

93,53

1,758

1,763

613,91

14,755000

94,13

1,763

1,769

614,20

14,809000

94,66

1,768

1,774

614,71

14,905000

95,61

1,779

1,783

Система подготовки рабочего тела и узел вакуумирования включают в себя стеклянные сосуды для дегазации жидкости, плунжерный насос (см. рис. 1) ВН-2МГ, азотную ловушку и вакуумметр ВИТ-1А.

Измерение диэлектрической проницаемости сухого насыщенного пара сводено к определению емкости ячейки в вакууме С0, которая при правильном монтаже должна соответствовать значению, полученному с помощью тарировочных жидкостей, и емкости ячейки С, заполненной исследуемым веществом. Диэлектрическая проницаемость определена как отношение С/С0.

Рис. 3. Сравнение расчетных и экспериментальных значений е пара в состоянии насыщения. расчет по уравнению из работы [5]; экспериментальные данные: □ — настоящая работа; Ф — [8]; О — [9]; А — [10]

Рис. 4. Экспериментальные данные ъ (а) и их отклонение (б) от значений, рассчитанных по уравнению из [5]. Обозначения см. рис. 3

Измеряемые параметры, включая электрическую емкость ячейки, поступают в персональный компьютер.

Измерения проводились следующим образом. После проверки всех узлов экспериментальной установки она заполнялась рабочим телом, затем на электрические нагреватели подавалось напряжение и выдерживалось время до стабилизации температурных параметров. Далее регистрировались термодинамические и электрические параметры. Полученные экспериментальные данные представлены в таблице. Очевидно, что экспериментальные значения е сухого насыщенного водяного пара хорошо согласуются с результатами расчета по уравнению, приведенному в работе [5]. Только для четырех точек отклонение А [А = [(еэксп - ерасч)/еэксп] 100 %] составляет около 0,5 и для двух точек достигает 0,7 %.

На рис. 3 показано сравнение результатов расчета е по уравнению из работы [5] с экспериментальными данными других авторов. Также наблюдается хорошее их совпадение.

Более наглядно результаты сравнения можно представить в виде функций е = Др/7) [7] и А = Др/Т) (рис. 4).

Полученные в настоящей работе экспериментальные данные по диэлектрической проницаемости сухого насыщенного пара удовлетворительно (А < 0,7 %) согласуются с результатами расчета по уравнению из [5]. Однако экспериментальные данные других авторов [8—10] имеют отклонения 4...6, а в отдельных случаях и 8 %. Кроме того, при р/Т > 0,15 значения А лежат в отрицательной области, что указывает на недостатки принятой модели. Эти обстоятельства побудили авторов настоящей статьи аппроксимировать массив экспериментальных данных для £ сухого насыщенного пара в виде е =J[p/T). Получено следующее уравнение: в = 0,996785 + 3,697335 р/Т +

+ 18,13208 (р/7)2- 133,71953 (р/Т)3 +

+ 573,99166 (р/Т)4 - 799,05976 (р/Т)5. Отклонение экспериментальных данных диэлектрической проницаемости сухого насыщенного пара, полученных в настоящей работе и в [6], от результатов расчета по этому уравнению представлено на рис. 5.

Значения А в основном расположены в интервале ±1,5 %, и только небольшая их часть достигает 2 %. Максимальное расхождение эксперимента и расчета составляет 2,7 % для одной опытной точки из [9], находящейся в околокритической области (Т= 643,11 К). Это позволяет говорить о хорошей сопоставимости расчетной модели и экспериментальных данных.

Рис. 5. Отклонение экспериментальных данных диэлектрической проницаемости сухого насыщенного пара от значений, рассчитанных по предложенному уравнению. □ — экспериментальные данные авторов настоящей статьи и работы [6]; •, О, А — см. рис. 3

Таким образом, полученные экспериментальные данные по диэлектрической проницаемости сухого насыщенного водяного пара имеют высокую степень достоверности и хорошо описываются предложенным уравнением вида £ =f(p/T).

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук О.В. Беляевой за помощь в обработке результатов исследований и представление графических материалов.

Список литературы

  1. К расчету газосодержания смеси при пузырьковом течении по данным измерения резистивным и емкостным методами / В.И. Субботин, Ю.Е. Похвалов, Д.Е. Михайлов и др. // Теплоэнергетика. 1975. № 4. С. 70—75.
  2. Методика измерения толщины и волновых характеристик поверхности жидкой пленки в пароводяном потоке / Б.И. Нигматулин, А.А. Виноградов, В.А. Виноградов, Ш.Э. Курбанов // ТВТ. 198 Т. 20. №6. С. 1145—1152.
  3. Электрофизические методы исследования свойств теплоносителей / Б.П. Голубев, С.Н. Смирнов, Ю.М. Лукашов, Е.П. Свистунов. М.: Энергоатомиздат, 1985.
  4. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978.
  5. A Formulation for the Static Permittivity of Water and Steam at Temperature from 238 К to 873 К at Pressures up to 1200 MPa, Including Derivatives and Debye-Hukel Coefficients / D.P. Fernandez, A.R.H. Goodwin, E. W. Lemmon et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1997. Vol. 26. P. 11—2
  6. A Database for the Static Dielectric Constant of Water and Steam / D.P. Fernandez, Y. Mulev, A.R.H. Goodvin, J.M.N. Levelt Sengers // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1995. Vol. 24. P. 33—69.
  7. Мулёв Ю.В. Электрофизические свойства теплоносителей ТЭС и АЭС при разработке современных диагностических систем: Дис. ... докт. техн. наук. М.: МЭИ, 1992.
  8. Свистунов Е.П., Голубев Е.П., Смирнов С.Н. Измерение диэлектрической проницаемости водяного пара на линии насыщения // Теплоэнергетика. 1974. № 6. С. 69—70.
  9. Лукашов Ю.М., Щербаков В.Н. Исследование диэлектрической проницаемости Н20 при температурах от 573 до 873 К и давлениях до 170 МПа // Теплоэнергетика. 1980. № 3. С. 70—71.

10. Мушаилов М.Р. Определение диэлектрической проницаемости газовых растворов воды, используемых в энергетике, и составление справочных таблиц: Дис...канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1988.


Наверх