CZ36884U1 - Průtokoměr pro roztavené sole - Google Patents

Description

Průtokoměr pro roztavené sole

Oblast techniky

Technické řešení se týká průtokoměru, který díky použitému principu měření průtoku poskytuje spolehlivé měření průtoku roztavených solí. Roztavené sole se v současné době používají v několika aplikacích jako jsou solární koncentrační elektrárny, vysokoteplotní ukládání tepla a v jaderných reaktorech IV. generace typu MSR (molten salt reactor). Díky velmi specifickým vlastnostem solí jako je vysoká teplotní stabilita, vysoký bod varu při atmosférickém tlaku a relativně vysoká teplotní kapacita. Právě teplotní stabilita je jeden z důvodů proč se soli používají, kde většina používaných solí je schopná pracovat při teplotě nad 500 °C. Díky této vlastnosti není potřeba v daných zařízeních udržovat vysoký tlak, který klade nároky na pevnostní odolnost jednotlivých komponent.

Dosavadní stav techniky

Mezi základní principy měření průtoků kapaliny v potrubí patří měření na základě změny tlaku před a za škrtícím orgánem, elektromagnetické průtokoměry, ultrazvukové průtokoměry, coriolisovy průtokoměry, vírové průtokoměry, rotametry či vrtulkové rotametry. Většina běžně dostupných a užívaných průtokoměrů je zpravidla omezena pro použití při běžných teplotách a v nekorozivním a čistém prostředí. Právě měření průtoku roztavených solí je zpravidla zatíženo prostředím s vysokými teplotami, možností solidifikace soli v prostoru průtokoměru, tak i korozivní podstatou samotných solí. Díky tomu není možné použít běžně dostupné průtokoměry, které často používají pohyblivé části, jako jsou rotametr, coriolisův průtokoměr, vrtulkový průtokoměr apod., a materiály neodolávající korozi a vysokým teplotám. Další slabinou běžně dostupných průtokoměrů je i citlivost snímače na okolní prostředí.

Další možností, jak změřit průtok pomocí principu tepelného pulzu. Ten je založen na principu zahřátí tekutiny v jednom místě a změření časové odezvy na vzdálenějším místě. Tento typ měření našel uplatnění pro měření rychlosti a směru proudění podzemních vod, určení rychlosti proudění ve vrtech, či pro měření proudění tekutiny kořenovým systémem a mízy rostlin. Tyto průtokoměry jsou ovšem zatíženy značnou nepřesností, a proto nenašly uplatnění pro měření průtoku v potrubních systémech, a to zejména vzhledem k dostupnosti jiných, mnohem přesnějších průtokoměrů.

Vzhledem k náročným podmínkám a relativně úzkým možnostem použití roztavených solí je pro měření jejich průtoku dosud používán pouze ultrazvukový průtokoměr. Ten je možné mít v přírubovém a v příložném provedení. Příložné provedení poskytuje oproti přírubovému provedení řadu výhod jako je snadná montáž/demontáž a výměna průtokoměru za provozu. Naproti tomu přírubové provedení dosahuje vyšší přesnosti díky jasně definované vzdálenosti a možné tovární kalibraci. Přírubový ultrazvukový průtokoměr našel uplatnění v oblasti měření průtoku v solárních koncentračních elektrárnách. Právě malá velikost komerčního uplatnění měla za následek jejich poměrně vysokou cenu.

Vzhledem k vysokým pořizovacím nákladům není ultrazvukový průtokoměr příliš výhodný pro menší aplikace s ukládáním tepla. Dalším limitujícím faktorem těchto průtokoměrů je citlivá elektronika ultrazvukové sondy. Dále je ultrazvukový průtokoměr velmi ovlivněn použitým médiem. Neboť vyhodnocení rychlosti proudění je závislé na známé rychlosti šíření zvuku v daném médiu. To limituje jeho použití zejména pak pro nové sloučeniny solí, roztavené soli s příměsí nanočástic, případně časově proměnné složení soli. Výše uvedené nevýhody značně limitují jejich použití pro měření průtoku v jaderných reaktorech typu MSR, kde jsou kladeny vysoké nároky na spolehlivost. Při štěpné reakci také dochází ke vzniku štěpných produktů, které postupem času mění složení soli.

- 1 CZ 36884 U1

Výše popsané průtokoměry jsou podrobněji popsány například v: H. Takeda, Y. Igeta, S. Kimura, T. Kiwate, N. Komatsu. Development of groundwater flow meter using a single borehole, 2009; http://geovista.co.uk/product-listing/heat-pulse-flowmeter/;

https://cz.krohne.com/cs/newsdetail/article/optisonic-4400-new-ultrasonic-flowmeter-forelevated-process-temperature-and-pressure-608/;

https://www.flexim.com/us/product/waveinjector a v publikaci: DOE Fundamentals handbook, Thermodynamics, heat trnsfer and fluid flow, U.S. Department of Energy, 1992.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny průtokoměrem pro roztavené sole, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že obsahuje topný element umístěný v potrubí a za ním, ve směru proudění, umístěný alespoň jeden prostorový snímač teploty, přičemž alespoň jeden prostorový snímač teploty a topný element a/nebo další prostorový snímač teploty mají své výstupy propojené s vyhodnocovacím zařízením pro určení objemového průtoku z rychlosti proudění.

Prostorový snímač teploty je ve výhodném provedení umístěn v potrubí v blízkosti průsečíku laminárního proudění a turbulentního proudění.

Topný element plní kromě funkce generování tepelného pulzu, také funkci nahřívání měřící sekce z důvodu zabránění zatuhnutí soli v této části. Tato jedinečná funkce zajišťuje správné fungování průtokoměru a zejména pak zamezení jeho zničení vlivem tlakování. Jednoduchost, kompaktnost, univerzálnost a spolehlivost průtokoměru jsou vlastnosti které vynikají oproti stávajícím ultrazvukovým průtokoměrům.

Kontinuální měření teploty také zajišťuje informaci o aktuálním stavu soli a předejte se tak možnému zatuhnutí soli v měřícím prostoru či k překročení teploty zajišťující chemickou stabilitu. Díky této bezpečnostní funkci se dá předejít zničení komponent potrubního systém vlivem přetlakování v části s roztavenou solí.

Na rozdíl od ultrazvukových průtokoměrů neobsahuje měřící část žádnou citlivou elektroniku. Ta je umístěna mimo potrubní systém a není tak vystavena koroznímu prostředí, vysokým teplotám a ionizujícímu záření v případě použití v jaderných reaktorech. Díky tomu je tento průtokoměr mnohem spolehlivější než v dnešní době dostupné ultrazvukové průtokoměry. Použití prostorového měření má také bezpečnostní charakter, kde v případě výpadku jednoho snímače může průtokoměr nadále spolehlivě fungovat a není tak potřeba odstavit dané zařízení za účelem výměny průtokoměru.

Objasnění výkresů

Průtokoměr pro roztavené sole podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na Obr. 1 je znázorněno zjednodušené schéma průtokoměru. Na Obr. 2 je zobrazen graf se záznamem signálu topného elementu, kde na horizontální ose je čas a na vertikální ose je zdola rychlost průtoku, teplota a tepelný puls. Na Obr. 3 jsou znázorněny rychlostní profily (velocity profiles) v hladkém potrubí (smooth pipe) a hrubém potrubí (rough pipe) s místem turbulentního proudění (turbulent flow) a laminárního proudění (laminar flow) s použitými vzorci, kde f je součinitel tření a Nr je Reynoldsovo číslo. Na Obr. 4 je ukázka z uživatelského rozhraní průtokoměru, kde na horizontální ose je čas a na vertikální ose je objemový průtok a teplota a ve spodní části jsou údaje ze snímače vzdálenosti (sensor distance) a průměr potrubí (tube diameter).

- 2 CZ 36884 U1

Příklady uskutečnění technického řešení

Princip navrženého měření průtoku roztavené soli systémem teplotního pulzu je založen na měření zpoždění teplotního pulzu v proudící kapalině. Zpoždění je měřeno na základě vyhodnocení signálu ze dvou míst snímání teploty, případně vyhodnocení signálu topného elementu 1 a jednoho místa snímání. Na Obr. 1 je zjednodušené schéma průtokoměru s vyznačenými místy jednotlivých sekcí. Topný element 1 plní kromě funkce generování tepelného pulzu, také funkci nahřívání měřící sekce z důvodu zabránění zatuhnutí soli v této části. Tato jedinečná funkce zajišťuje správné fungování průtokoměru a zejména pak zamezení jeho zničení vlivem tlakování.

Na Obr. 2 je zobrazen graf se záznamem signálu topného elementu 1, záznamy z prostorových snímačů 2 teploty a dopočtený objemový průtok. Průtok se dopočte pomocí rychlosti proudění vypočtené na základě časového rozdílu a vzdálenosti dvou míst s prostorovými snímači 2 teploty a v neposlední řadě z průtočného průřezu v měřicí sekci. Záznam z topného elementu - nahoře, teplotních čidel - uprostřed a okamžitém průtoku - dole.

Oproti stávajícím řešením používaných v aplikacích geologického průzkumu, které jsou schopny měřit pouze rychlost je navržený průtokoměr opatřen prostorovým snímáním teploty z důvodu eliminace vlivu rychlostního profilu v potrubí na vyhodnocení dat. Roztavené soli také mají mnohem nižší teplotní vodivost a nedochází tak ke zploštění pulsu vlivem konduktivního přestupu tepla. Zavedením měření v několika bodech není potřeba brát v potaz vliv viskozity měřené kapaliny a s tím korespondující vliv na rychlostí profil dle Obr. 3. Za povšimnutí stojí lokace bodu, kterým procházejí jednotlivé rychlostní profily. Umístění snímače 2 teploty do tohoto místa a do středu proudu lze získat kompletní informaci o rychlostním profilu. Díky uzpůsobenému prostorovému snímaní je dosaženo univerzality průtokoměru.

Základem průtokoměru je procesní jednotka, která zaznamenává signály z prostorových snímačů 2 teploty, řídí spínání topného elementu 1 a zpracovává signál pro určení průtoku. Zpracování signálu je založeno na principu hledání peaků v signálu a výpočtu časového zpoždění. Vzhledem k šumu v signálu je využíváno algoritmů umělé inteligence pro identifikaci peaků. Algoritmy jsou kalibrovány pomocí testovacích sad signálů a dále cvičeny na testovací kalibrační trati. Díky použití strojového učení je procesní jednotka schopna zpracovávat signály v reálném čase a také filtrovat chybné signály ze senzorů. Ukázka z uživatelského rozhraní průtokoměru je na Obr. 4.

Předložené řešení měření průtoku roztavených solí kombinuje současný způsob měření rychlosti proudění v geologických aplikacích rozšířeným o prostorové měření a nahřívání měřicí sekce speciálně uzpůsobené pro použití v roztavených solích, čímž toto řešení je unikátní. Oproti stávajícím způsobům měření průtoku roztavených solí je navrhované řešení jednodušší, univerzálnější, spolehlivější a levnější.

Průmyslová využitelnost

Průtokoměr podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména u solárních koncentračních elektráren, u vysokoteplotního ukládání tepla a v jaderných reaktorech IV. generace typu MSR.

Claims (2)

1. Průtokoměr pro roztavené sole, vyznačující se tím, že obsahuje topný element (1) umístěný v potrubí a za ním, ve směru proudění, umístěný alespoň jeden prostorový snímač (2) teploty, přičemž 5 alespoň jeden prostorový snímač (2) teploty a topný element (1) a/nebo další prostorový snímač (2) teploty mají své výstupy propojené s vyhodnocovacím zařízením pro určení objemového průtoku z rychlosti proudění.

2. Průtokoměr podle nároku 1, vyznačující se tím, že prostorový snímač (2) teploty je umístěn v potrubí v místě průsečíku laminárního proudění a turbulentního proudění.