新型电容传感器测量流动湿蒸汽湿度的研究

【摘要】： 目前，自然循环式蒸汽发生器产生的一般是具有一定湿度的湿饱和蒸汽，而蒸汽湿度是以饱和蒸汽为工质的核动力汽轮机运行的一个重要参数。蒸汽湿度的准确测量对核电站以及核动力系统中蒸汽品质监测和汽轮机等装置的安全经济运行具有重要意义，但目前蒸汽湿度测量存在着难度大、准确度差、测量成本高等难点。 本文的主要创新点在于：研制了一种新型的多电极同轴圆筒形电容式传感器用于测量蒸汽湿度，该传感器可直接安装在管道上，实现了蒸汽湿度的在线测量，无需对蒸汽采样，避免了采样误差；根据空气与干饱和蒸汽介电常数十分接近的特点，采用向空气流中喷入雾化水来模拟流动湿蒸汽的方法对电容传感器进行了标定实验；鉴于目前还没有能够产生既定蒸汽湿度的装置，设计了一套“电容传感器湿饱和蒸汽标定系统”。 本文通过研究水和水蒸气的介电常数随温度、压力的变化趋势，结合介电理论论证了电容法用于流动湿蒸汽湿度测量的可行性。所设计的传感器具有结构简单、操作方便、工作稳定、造价低廉等优点。传感器标定实验结果表明，随气流湿度的增大，输出频率值逐渐降低，这与理论分析结果相一致。根据测量数据，对传感器的部分性能指标进行了评估，得出了湿度与频差间的函数关系。 应用CFD方法对传感器结构对气流流场产生的影响、两相喷嘴的外部流场特性，以及空气—喷雾系统中粒子分布情况进行了模拟分析。研究结果表明，当空气流过传感器时，其速度方向基本没有发生变化，圆筒形极板对来流产生了节流作用，极板间气流速度较入口速度有所增大，在最内层极板处，气流速度达到了最大，但极板间其余位置的速度分布比较均匀，没有产生较大的速度梯度；传感器对气流产生了一定阻力，但造成的压降很小，几乎可以忽略。对于两相流喷嘴，不同的入口速度条件下，气流的轴向速度都是在喷嘴出口位置达到最大，且在很短的距离内喷出速度会产生非常剧烈的变化，喷嘴入口气流速度越大，其出口位置喷出速度和振荡幅度也越大。随着喷嘴出口气流速度的增大，计算域内的回流现象会逐渐变得不明显，流线逐渐变得扭曲，流场的湍流强度逐渐增大。喷雾粒子在混合器入口和出口的中间部位密度较大，而在靠近壁面的位置粒子密度较小；混合段内喷雾粒子的粒径大小是较为理想的，没有出现直径很大的液滴，这说明利用两相喷嘴向空气流中喷入雾化水来模拟流动的饱和湿蒸汽是可行的。 “电容传感器湿饱和蒸汽标定系统”能够根据要求产生出既定湿度的饱和蒸汽，所设计的蒸汽雾化喷嘴能够向系统中提供造湿所需的粒径均匀的雾滴，推导出的用于确定喷水量大小的计算公式为编制喷水控制程序提供了依据。 本文的研究成果为进一步探讨电容法测量蒸汽湿度提供了参考依据，为新型电容式湿度传感器的开发奠定了基础。