電容法測(cè)量蒸汽濕度的研究.pdf

1、蒸汽濕度的大小對(duì)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行具有重要的意義,若蒸汽濕度太大,水滴會(huì)對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象,導(dǎo)致汽輪機(jī)的工作效率降低,并影響汽輪機(jī)的使用壽命。因此,要對(duì)蒸汽濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以判定蒸汽濕度是否超標(biāo),是否會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行造成威脅。由此可見,蒸汽濕度的準(zhǔn)確測(cè)量顯得非常重要。
　　蒸汽濕度不同,其等效介電常數(shù)不同。電容式傳感器極板間濕蒸汽的濕度不同時(shí),其電容值不同?；诖嗽?本文開展了電容法測(cè)量蒸汽濕度的研究。
　

2、　基于電容法測(cè)量原理,本研究中設(shè)計(jì)了一種同軸并聯(lián)圓柱形電容式濕度傳感器和一套蒸汽濕度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對(duì)電容式傳感器測(cè)量蒸汽濕度的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分:濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種螺旋導(dǎo)流片換熱器作為濕度調(diào)節(jié)裝置;電容式濕度傳感器,設(shè)計(jì)了一種同軸并聯(lián)型電容式傳感器;濕度標(biāo)定系統(tǒng),采用加熱法進(jìn)行濕度標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:傳感器存在一定的不穩(wěn)定性,電容值隨蒸汽濕度的增加逐漸增大,其靈敏度受濕度變化范圍影響較大

3、,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性較好。通過分析傳感器的特性可知,利用電容式傳感器測(cè)量蒸汽濕度是可行的。
　　基于可行性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,對(duì)電容式傳感器和濕度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),稱為改進(jìn)型傳感器I、II和改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,采用噴霧的方法對(duì)蒸汽進(jìn)行造濕,采用外加熱的加熱方案對(duì)蒸汽濕度進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)行了濕蒸汽兩相流完全汽化長(zhǎng)度的數(shù)值研究。利用改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量濕度的實(shí)驗(yàn)研究,分析了其響應(yīng)特性及極板長(zhǎng)度與間距比值對(duì)傳感器響應(yīng)特性的影

4、響。研究結(jié)果表明:濕蒸汽完全汽化長(zhǎng)度與加熱功率、濕蒸汽中液滴的平均直徑、蒸汽濕度、蒸汽流速成正比線性關(guān)系;極板長(zhǎng)度與間距比值越小,傳感器穩(wěn)定性越好;蒸汽流量對(duì)電容式傳感器輸出電容值無影響;電容式濕度傳感器靈敏度受蒸汽濕度變化大小的影響;極板長(zhǎng)度與間距比值增加,電容值與濕度的線性關(guān)系先加強(qiáng)后減弱,傳感器靈敏度值增大,但其靈敏度穩(wěn)定性先加強(qiáng)后減弱;極板長(zhǎng)度與間距的比值越小,傳感器動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)速度越快;適當(dāng)?shù)臏p小傳感器極板長(zhǎng)度與間距比值,可以

5、在一定程度上減小綜合誤差。
　　本文基于電動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)的基本理論,對(duì)電容式濕度傳感器內(nèi)部電場(chǎng)和流場(chǎng)多場(chǎng)耦合控制方程進(jìn)行了推導(dǎo),建立了傳感器內(nèi)電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合數(shù)值模型,利用FLUENT軟件對(duì)電容式濕度傳感器內(nèi)部電場(chǎng)和流場(chǎng)的耦合特性進(jìn)行了數(shù)值研究。研究過程中通過UDF代碼程序的編寫,實(shí)現(xiàn)了利用FLUENT軟件計(jì)算電場(chǎng)、電場(chǎng)數(shù)據(jù)與流場(chǎng)數(shù)據(jù)相互交換的功能。研究了傳感器電場(chǎng)和流場(chǎng)的分布特點(diǎn)以及其耦合特性。研究結(jié)果表明:傳感器進(jìn)口和出口端面

6、處,極板間電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出中央?yún)^(qū)域低,極板附近高的分布狀態(tài);極板中間截面場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)出由內(nèi)極板向外極板逐漸減小的分布狀態(tài),遞減過程近似線性;內(nèi)極板附近場(chǎng)強(qiáng)比外極板附近場(chǎng)強(qiáng)高,而且同一極板外表面場(chǎng)強(qiáng)比其內(nèi)表面場(chǎng)強(qiáng)高;蒸汽流動(dòng)會(huì)造成電荷沿傳感器軸向的運(yùn)動(dòng),而且蒸汽流速越大,電荷沿傳感器軸向運(yùn)動(dòng)越劇烈,電流密度軸向分量絕對(duì)值越大;極板間施加激勵(lì)電壓,會(huì)改變極板附近蒸汽的流動(dòng)狀態(tài),負(fù)極板附近蒸汽徑向流速絕對(duì)值隨著電壓的增加逐漸增大,正極板附近蒸汽徑向

7、流速絕對(duì)值逐漸減小。
　　利用傳感器內(nèi)電場(chǎng)與流場(chǎng)耦合計(jì)算模型,對(duì)改進(jìn)型傳感器I、II響應(yīng)特性進(jìn)行了耦合模擬研究,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析,結(jié)果表明數(shù)值模擬得到的時(shí)漂特性、流量對(duì)傳感器電容值的影響、傳感器電容值隨蒸汽濕度的變化規(guī)律等,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,但數(shù)值模擬結(jié)果值小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果值,最大相差19.8％。此外,研究了極板壁厚、極板長(zhǎng)度、極板間距、極板長(zhǎng)度與間距比值等結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)傳感器電場(chǎng)與流場(chǎng)耦合特性及電容值與蒸汽濕度關(guān)系的影響。研究結(jié)

8、果表明:傳感器極板厚度越小,越不容易被擊穿,邊緣效應(yīng)越弱,同一濕度的情況下,電容值隨極板壁厚增加逐漸增大,電容值與蒸汽濕度的線性關(guān)系逐漸減弱;傳感器極板越長(zhǎng),邊緣效應(yīng)越弱,并且邊緣場(chǎng)強(qiáng)的遞減速率逐漸減弱;極板增加同樣長(zhǎng)度時(shí),其電容變化值隨極板長(zhǎng)度增加逐漸增大;增大極板間距可以提高傳感器的耐壓強(qiáng)度,減小極板對(duì)蒸汽流場(chǎng)的影響,但同時(shí)降低了傳感器的電容值、靈敏度,加強(qiáng)了電場(chǎng)的邊緣效應(yīng),極板間距增大同樣值時(shí),電容變化值隨極板間距增加逐漸減小;傳