Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 153-154

Разработан емкостный анализатор интенсивных осадков капель из турбулентных выбросов и облаков топливно-воздушных смесей. Принцип действия анализатора основан на измерении электрической емкости плоского конденсатора С, объем которого заполняется жидкостью по мере осаждения грубодисперсных капель и брызг диаметром d > 3–5 мкм [1, 2]. Изменение С от времени t пропорционально интенсивности осадков dV/dt и их количеству V.

На рис. 1 приведена фотография емкостного анализатора осадков капель. Анализатор содержит прямоугольный электрический конденсатор 1, состоящий из двух плоских электродов 2 и 3 и закрепленный на дне прямоугольного, выполненного из поливинилхлорида сборника жидкого осадка 4. Устанавливается прибор на газопроницаемой подставке на высоте до 1 м. Нижний электрод 3 выполнен из листовой нержавеющей стали, а верхний 2 – из нержавеющей сетки с размером квадратных ячеек меньше расстояния между электродами D = 10–25 мм. Конденсатор 1 подключен к электронному блоку измерения емкости частотным методом [2], преобразования аналогового сигнала в цифровой и передачи его с помощью микропроцессора и интерфейса RS-485 на удаленный компьютер.

Рис. 1.

Фотография емкостного анализатора осадков. 1 – электрический конденсатор, 2 и 3 – его плоские электроды, 4 – сборник жидкого фильтрата.

Емкостный анализатор калибровался при фиксированном расстоянии D для различных топливных жидкостей. Наблюдаемая слабая зависимость от типа этих жидкостей, по-видимому, обусловлена тем, что керосин, бензин, маловязкий флотский мазут и дизельное летнее и зимнее топливо характеризуются близкими значениями диэлектрической проницаемости, ε ≈ 2, и удельного сопротивления, σ ≈ 10¹¹–10¹² Ом · см, в отсутствие антистатических добавок [3].

Использование емкостного анализатора для анализа осадков капель воды с интенсивностью более 1 мм/с оказалось невозможным. Удельное сопротивление воды ≤ 10⁴ Ом · см, что существенно меньше σ топливных жидкостей. На поверхности заряженной воды при столь интенсивных осадках наблюдалась рябь с образованием многочисленных каверн и их стохастическим схлопыванием с выбросом вторичных капель. В результате однозначной связи между значениями C и V не наблюдалось.

Анализатор имеет следующие основные характеристики. Диапазон измерения количества осадков варьируется от 0.1 до 30 мм (0.1–30 л/м²). Время отклика τ определяется временем релаксации жидкого осадка на поверхности электродов. Экспериментально показано, что τ < 0.1 c при dV/dt < < 1 мм/с для воды и при dV/dt = 15–20 мм/с для топливных жидкостей с вязкостью менее 30 мПа · с [3]. Анализатор устойчив к воздействию магнитного поля с напряженностью до 200 А/м и промышленной частотой 50–60 Гц. Его конструкция и блок измерения выдерживают напор воздуха до 200 м/с.

Разработана сеть емкостных анализаторов осадков с передачей данных каждые 10 мс в компьютер, удаленный на 600–1200 м от облака и подключенный к серверу оптоволоконной линии длиной до 10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение сохраняет данные в компьютере сервера в реальном масштабе времени.

Сеть анализаторов осадков использовалась при моделировании масштабных аварий систем хранения топливных жидкостей. Двухфазные турбулентные выбросы длиной до 100 м и объемом более 10⁴ м³ с массовой концентрацией капель М ≤ 10 000 г/м³ и d ≤ 10 000 мкм создавались импульсным диспергированием нескольких сотен тонн жидкостей из емкостей хранения на земле в атмосферу при Т = = 15–45°С и ветре 2–8 м/с.

На рис. 2 приведены измеренные количества осадка капель авиационного керосина ТС-1 с d ≈ ≈ 10–10 000 мкм и переменной концентрацией М ≈ 50–5000 г/м³ в зависимости от времени развития горизонтального выброса высотой менее 15 м и объемом до 5 ⋅ 10⁵ м³. Два анализатора были установлены на расстоянии L = 10 и 15 м от емкости с керосином (кривые 1 и 2 соответственно). Их сигналы были синхронизированы с началом импульсного распыления керосина. Из анализа данных рис. 2 следует, что в течение первых 0.5–0.6 с при L = 10 м выпало более 85% массы осадков с максимальной интенсивностью до 20 мм/с, а при L = 15 м – около 55–60% массы с максимумом интенсивности ≈2 мм/с. При t > 1.2 с величины V и dV/dt → 0. Отметим, что при штормовых ливнях в атмосфере максимальные величины dV/dt < 0.01 мм/с, а при испытаниях газотурбинных авиационных двигателей dV/dt < 0.1 мм/с.

Рис. 2.

Измеренные количества V осадков капель керосина в зависимости от времени развития t горизонтального выброса: 1 – при удалении анализатора от емкости с керосином на 10 м, 2 – на 15 м.

Известно [3], что химический состав керосина зависит от способа получения и типа нефти, поэтому данные о скорости испарения и давлении его насыщенных паров могут отличаться. Для определения ошибки измерений из-за испарения ТС-1 измерялось уменьшение емкости С в зависимости от t при постоянной температуре в атмосфере. Показано, что скорость уноса ТС-1 с поверхности конденсатора составляла менее 1 г/(м² · с) и ошибка определения V не превышала 0.1% при Т ≤ 38–40°С и ветре до 8 м/с.

Емкостные анализаторы были также использованы для измерения скорости высокотемпературного динамического испарения сжиженного природного газа с ε ≈ 1.7 и площадью плоской поверхности более 2000 см² из ванны с экранно-вакумной изоляцией в атмосферу при Т = 15–25°С и ветре до 10 м/с.

Cеть емкостных анализаторов интенсивных осадков капель из облаков и двухфазных выбросов воды и топливных жидкостей с их визуализацией на местности может быть использована для мониторинга атмосферы и экологической обстановки объектов нефтегазовой индустрии.