純組分液化氣體分層翻滾過程實(shí)驗(yàn)研究

張德林 李曼琪 李貫一 姜濤

摘要：本文搭建了以可視化儲(chǔ)罐，可控加熱裝置，五點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娕?，壓力變送器，?shù)據(jù)采集器為基礎(chǔ)的研究平臺(tái)，搭建了能耐一定壓力，可在常溫下進(jìn)行加熱的儲(chǔ)罐，并采用真空泵抽真空方法從儲(chǔ)罐下方進(jìn)液，保證了分層的實(shí)現(xiàn)，并通過熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以供分析。

本文進(jìn)行了純組分的熱分層實(shí)驗(yàn)，研究了受熱條件對(duì)熱分層的影響，并分析了介質(zhì)流動(dòng)模式。

關(guān)鍵詞： 液化氣體；分層翻滾；實(shí)驗(yàn)

本文利用實(shí)驗(yàn)室的電加熱設(shè)備，在常溫常壓環(huán)境下，以水和以水為溶劑的溶液為介質(zhì)進(jìn)行分層翻滾現(xiàn)象的模擬。并利用熱電偶和數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過溫度變化來(lái)分析分層翻滾現(xiàn)象，加深對(duì)分層翻滾現(xiàn)象的了解。

（一）實(shí)驗(yàn)方案及裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為核心實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)量變送設(shè)備和分析計(jì)算系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)核心設(shè)備為可視化側(cè)壁加熱容器，利用該容器模擬液化天然氣儲(chǔ)罐；利用電加熱設(shè)備對(duì)容器側(cè)壁的加熱模擬液化天然氣儲(chǔ)罐受到的環(huán)境漏熱影響。測(cè)量變送設(shè)備分為多點(diǎn)熱電偶，壓力變送器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多點(diǎn)熱電偶可以深入儲(chǔ)罐中，在實(shí)驗(yàn)容器上由低到高布置共5個(gè)測(cè)量點(diǎn)：T1、T2、T3、T4、T5，當(dāng)分層發(fā)生時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各分層的溫度數(shù)據(jù)；壓力變送器安置在儲(chǔ)罐頂部，用來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)壓力；前二者輸出信號(hào)接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后傳送到計(jì)算機(jī)中。分析計(jì)算系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和軟件行使功能，能夠記錄，整合，分析由測(cè)量變送系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將之處理為需要的圖像，以利進(jìn)一步的分析研究。

（二）僅液相側(cè)壁受熱實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

本文探究?jī)H液相側(cè)壁受熱時(shí)的分層翻滾過程，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，在實(shí)驗(yàn)容器側(cè)壁等間距安裝了三套加熱裝置，通過接入電源與否來(lái)控制加熱區(qū)域的大小，并與介質(zhì)充裝量進(jìn)行配合，可模擬液化氣體儲(chǔ)罐僅液相側(cè)壁受熱的情形。實(shí)驗(yàn)容器加熱位置為下部加熱、介質(zhì)充裝率34%、液位與測(cè)溫點(diǎn)的位置關(guān)系為T4。該條件下進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以排除隨機(jī)因素，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。

圖1.1～1.2所示為34%充裝率下僅液相側(cè)壁受熱的介質(zhì)溫度響應(yīng)和儲(chǔ)罐壁面溫度響應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。平面直角坐標(biāo)系中橫軸為從加熱開始到測(cè)量時(shí)的時(shí)間間隔，縱軸為熱電偶測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，圖1.1為時(shí)間和介質(zhì)溫度的圖像，圖1.2為時(shí)間和壁面溫度的圖像。圖中分別用不同符號(hào)標(biāo)志的曲線來(lái)表示不同位置的熱電偶測(cè)得的溫度曲線。觀察圖像可以看出，當(dāng)僅液相側(cè)壁受熱時(shí)，罐內(nèi)溫度始終處于上升狀態(tài)，而在同一時(shí)刻，不同高度的熱電偶測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫度非常接近，也就是說儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度基本均勻，氣液相的溫度也基本相同，也就是并無(wú)溫度分層現(xiàn)象。而罐壁的溫度，由于只有液相加熱，氣相部分的加熱片并不工作，并且儲(chǔ)罐壁的熱電偶測(cè)溫點(diǎn)離加熱片非常的近，所以液相部分的高度所對(duì)應(yīng)的一系列熱電偶測(cè)溫點(diǎn)都測(cè)到了相對(duì)較高的溫度，而氣相部分的高度所對(duì)應(yīng)的測(cè)溫點(diǎn)因?yàn)椴]有直接加熱，而是通過儲(chǔ)罐壁的導(dǎo)熱效應(yīng)和氣體的傳熱而造成的溫度升高，所以其同一時(shí)刻的溫度比液相高度所對(duì)應(yīng)的熱電偶測(cè)溫點(diǎn)溫度要低，由圖可以看出只有Tw4和Tw5對(duì)應(yīng)在液相高度，所以所以其同一時(shí)刻的溫度比液相高度所對(duì)應(yīng)的熱電偶測(cè)溫點(diǎn)溫度要低，而Tw1和Tw2，Tw3都在氣相高度，他們的溫度在同一時(shí)刻則非常相近。簡(jiǎn)而言之，介質(zhì)縱向溫度相差較小，即無(wú)明顯熱分層形成；壁面溫度響應(yīng)結(jié)果顯示，由于直接受熱，液相壁面溫度Tw4和Tw5比氣相壁面溫度Tw1、Tw2和Tw3略高。

僅液相側(cè)壁受熱的情況，與加熱帶相貼近的壁面是直接的熱量來(lái)源，非加熱部位的熱量均來(lái)自于該區(qū)域。加熱前液相溫度均勻相同，容器內(nèi)壓力為此溫度下液相介質(zhì)的飽和蒸汽壓。開始加熱后，受熱處內(nèi)壁附近的介質(zhì)溫度升高，由于液面以上部位不受熱，液體介質(zhì)得以在整個(gè)液相區(qū)形成自然對(duì)流循環(huán)。使整個(gè)容器內(nèi)的溫差可以很快消除，液相整體處在飽和狀態(tài)。由于加熱位置位于液相側(cè)壁，所以靠近避免部分的液體溫度上升很快，而同時(shí)不靠近壁面的部分溫度并不上升。此時(shí)液體分子間存在擴(kuò)散傳熱，即高溫部分液體的溫度自發(fā)地向低溫部分傳導(dǎo)，但由于液體存在循環(huán)對(duì)流現(xiàn)象，所以此種傳熱方法并不是本實(shí)驗(yàn)傳熱現(xiàn)象的主導(dǎo)因素。首先液體被加熱的過程中，密度會(huì)隨著溫度的升高而降低，同一水平高度的液體，靠近壁面的部分溫度較高，而密度較小，密度小的部分液體會(huì)自發(fā)上升，達(dá)到更高的水平高度，整個(gè)靠近壁面部分的液體密度都發(fā)生了降低，所以整個(gè)靠近壁面部分的液體處于上升流動(dòng)狀態(tài)。最上層的液體無(wú)法上升，所以在側(cè)壁上流的推動(dòng)下向儲(chǔ)罐中心未受熱的部分進(jìn)行流動(dòng)，這種流動(dòng)在側(cè)壁上流的作用下不斷進(jìn)行，直至上層液體全部被高溫低密度的受熱液體充滿，而此時(shí)原中心部分的未受熱液體在上述流動(dòng)的推動(dòng)下向下流動(dòng)，并充滿下層空間，而繼續(xù)進(jìn)行側(cè)壁加熱流動(dòng)，在這些流動(dòng)的帶動(dòng)下，中心部分的液體溫度就會(huì)呈現(xiàn)由上向下依次升高的現(xiàn)象。流動(dòng)進(jìn)行的很快，在很短時(shí)間內(nèi)整個(gè)儲(chǔ)罐的液體溫度趨于一致，并共同升高。

（三）結(jié)論

本文搭建了以可視化儲(chǔ)罐，可控加熱裝置，五點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娕?，壓力變送器，?shù)據(jù)采集器為基礎(chǔ)的研究平臺(tái)，搭建了能耐一定壓力，可在常溫下進(jìn)行加熱的儲(chǔ)罐，并采用真空泵抽真空方法從儲(chǔ)罐下方進(jìn)液，保證了分層的實(shí)現(xiàn)，并通過熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以供分析。本文進(jìn)行了純組分的熱分層實(shí)驗(yàn)，研究了受熱條件對(duì)熱分層的影響，并分析了介質(zhì)流動(dòng)模式，得到結(jié)論：僅液相側(cè)壁受熱時(shí)液相內(nèi)部發(fā)生熱循環(huán)對(duì)流，無(wú)穩(wěn)定溫度分層。