CN103983415A - 用于研究蒸汽***的装置及*** - Google Patents

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张超
贾永忠
景燕
马军
孙进贺
姚颖
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Abstract

本发明公开了一种用于研究蒸汽***的装置，包括：罐体，被设置为装载实验介质，所述罐体的顶部由一盖体密封，所述罐体具有一定高度使得所述罐体内顶部和底部具有温差和压差；泄压管，设置于所述盖体上，连通到所述罐体内，所述泄压管上设置有电动调节阀和蒸汽流量计；所述电动调节阀用于调节泄压管泄压口大小以及泄压时间，所述蒸汽流量计用于检测泄压管泄压过程的流量数值；至少2个压力传感器，设置于所述罐体内，用于至少检测所述罐体内顶部和底部的压力；多个温度传感器，设置于所述罐体内并且沿所述罐体的高度依次排列，分别检测所述罐体内不同高度的温度；加热装置，用于加热装载于所述罐体内的实验介质；底座，用于固定所述罐体。

Description

用于研究蒸汽***的装置及***
技术领域
本发明涉及一种实验设备，尤其是一种用于研究蒸汽***的装置。
背景技术
沸腾液体扩展蒸汽***(BLEVE，Boiling Liquid Expanding VaporExplosion)，是指大量过热液体瞬时泄放到大气环境中而形成的蒸汽***。蒸汽***是以过热液体蒸发为基础的物理***现象，是液化气体快速膨胀和储罐约束相互耦合的结果，后果可能有火焰喷射、破片抛射、火球及热辐射，有毒物质外泄，冲击波等。大多数BLEVE的发生是由于外来热辐射作用使得容器内易燃易爆液体处于过热状态，容器内压力超过对应温度下材料的承压极限，导致容器发生失效，容器内易燃易爆液体发生***性汽化，快速泄放。导致BLEVE的因素很多，包括罐体材料缺陷、材料疲劳、腐蚀、热应力、池火焰包围或喷射火焰环境下罐体材料强度下降、容器过载、操作不当等，通常BLEVE的发生是由于上述几个因素的联合作用的结果。
许多压力容器，特别是大型储罐，充装着各种生产生活中使用的可汽化易燃易爆液体，通常它们的使用率高、储存量大。这些容器在生产或使用中，由于各种原因当容器内外的环境急剧变化，突然换热行为等，可能使得可汽化液体急速沸腾就会造成BLEVE的发生。对BLEVE的研究包括火焰侵袭实验研究、火焰中热力模型、热力响应研究；蒸汽***理论、蒸汽***过程的泄压过程、蒸汽***引起储罐投射的模拟、***效应对容器结构的影响。
针对上面这些问题，Abbasi[S.M.Tauseef,T.Abbasi,S.A.Abbasi.Risks of Fire and Explosion Associated With the Increasing Use ofLiquefied Petroleum Gas.Journal of Failure Analysis and Prevention,2010,10:322-333.]重点研究了大型装置中液化石油气(LPG)发生BLEVE时过热液体导致容器失效的机理和控制BLEVEs发生的手段。Landucci[G.Landucci.Experimental and analytical investigation of thermalcoatingeffectiveness for3m3LPGtanks engulfed by fire.Journal ofHazardous,2009,161:1182-1192.]对大尺度火焰侵袭的热力响应进行了研究，测量热响应过程中储罐的压力和温度，储罐内部气相和液相的温度，提出了涂层法预防BLEVE的方案。Birk[A.M.Birk.Review of expanded aluminumproducts for explosion suppression in containers holding flammableliquids and gases.Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2008,21:493-505.]等对中等尺寸液化气储罐的压力容器失效进行了分析。俞昌铭等分析了在圆柱形和球形储罐中受热弯曲表面上自然对流边界层的发展及分层区的形成。淮秀兰等计算了高温环境下储罐内液化气的热响应，预测了压力阀的启动时间。北京理工大学***科学与技术国家重点实验室的钱新明、刘振翼等[钱新明,徐亚博,刘振翼.球罐BLEVE碎片抛射的危害性研究.高压物理学报,2009,23(5):389-394.]，采用蒙特卡罗方法进行模拟，利用相关数据确定了***碎片产生和飞行中的不确定性参数，计算出碎片的抛射范围。得到了不同充装水平下的球罐***后产生碎片碰撞目标容器的概率。弓燕舞[弓燕舞,林文盛.热分层对蒸汽***过程影响的实验研究.工程热物理学报,2004,25(6):925-928.]等对液化石油气受热侵袭时出现的热分层现象和模拟蒸汽***的泄压进行了研究，分析了液化石油气的热响应曲线。俞昌铭等对火焰包围下容器内液化气的传热传质机理进行分析研究，提出了模拟受热条件下LPG储罐热力响应的PLGS模型。孙金华[S.N.Chen,J.H.Sun,W.Wan.Boiling liquidexpanding vapor explosion:Experimental research in the evolution of thetwo-phase flow and over-pressure.Journal of Hazardous Materials,2008,156:530-537.]等采用高速摄像仪记录BLEVE的微观动力过程以及气液两相流的运动特性，使用高频响的压力传感器等测试手段记录了BLEVE过程中超压的形成及变化规律。
目前，对BLEVE效应研究主要采用对装有易燃、易爆的液体的大型储罐或中等尺寸液化气储罐等压力容器，研究过程这些储罐的损坏具有不可逆性，无法重复使用，同时试验过程很危险且不具有试验过程的精确可控性和参数的准确收集手段。目前为止，还没有一种能够在实验室内进行研究BLEVE效应的专用设备，为实验室研究带来诸多困难。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于研究蒸汽***的装置，该装置可以在实验室内安全有效的对BLEVE效应进行模拟研究，研究过程精确可控且相关试验过程参数可以方便的收集与分析。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于研究蒸汽***的装置，包括：
罐体，被设置为装载实验介质，所述罐体的顶部由一盖体密封，所述罐体具有一定高度使得所述罐体内顶部和底部具有温差和压差；
泄压管，设置于所述盖体上，连通到所述罐体内，所述泄压管上设置有电动调节阀和蒸汽流量计；所述电动调节阀用于调节泄压管泄压口大小以及泄压时间，所述蒸汽流量计用于检测泄压管泄压过程的流量数值；
至少2个压力传感器，设置于所述罐体内，用于至少检测所述罐体内顶部和底部的压力；
多个温度传感器，设置于所述罐体内并且沿所述罐体的高度依次排列，分别检测所述罐体内不同高度的温度；
加热装置，用于加热装载于所述罐体内的实验介质；
底座，用于固定所述罐体。
优选地，该装置还包括一个液位计，设置于所述罐体的侧壁，用于显示所述罐体内的液位高度。
优选地，该装置还包括一安全阀，设置于所述盖体上，连通到所述罐体内。
优选地，所述盖体上还设置有一温度传感器，用于检测所述罐体顶部泄压口的温度；所述盖体上还设置有一压力传感器，用于检测所述罐体顶部泄压口的压力。
优选地，所述加热装置为电磁加热器或火焰加热器。
优选地，所述加热装置中还设置有一温度传感器，用于检测加热温度。
优选地，所述罐体的侧壁上还连接有加样阀和出样阀，所述加样阀设置于所述罐体顶部附近的侧壁上，用于向所述罐体内加入实验介质；所述出样阀设置于所述罐体底部附近的侧壁上，用于排出所述罐体内的实验介质。
优选地，所述罐体的顶部与所述盖体通过法兰连接。
优选地，所述实验介质为水、乙醇或石油。
优选地，所述实验介质中还加入抑爆材料，所述抑爆材料为铝合金材料。
优选地，设置于所述罐体内的压力传感器的数量为3个，分别检测所述罐体内顶部、中部和底部的压力。
优选地，设置于所述罐体内的温度传感器的数量为10个。
本发明还提供了一种用于研究蒸汽***的***，包括：
如上所述的用于研究蒸汽***的装置；
数据采集***，连接到所述装置中的各个压力传感器和温度传感器以及所述蒸汽流量计，用于采集压力值、温度值以及蒸汽流量值；
计算机控制***，接收所述数据采集***采集到的数据并进行分析。
与现有技术相比，本发明提供的用于研究蒸汽***的装置，可以在实验室内安全有效的对BLEVE效应进行模拟研究，研究过程精确可控且相关试验过程参数可以方便的收集与分析；并且该装置结构简单，易于实现，并且可重复使用，成本低廉。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的用于研究蒸汽***的装置的结构示意图。
图2是本发明具体实施方式提供的用于研究蒸汽***的***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图用实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供的一种用于研究蒸汽***的装置包括：
罐体1，被设置为装载实验介质，所述罐体1的顶部由一盖体2密封，所述罐体1具有一定高度使得所述罐体内顶部和底部具有温差和压差；其中，可以使用于该装置中的实验介质包括水、乙醇以及石油等有机物，实验介质中还可以加入抑爆材料，主要选用铝合金抑爆材料；所述盖体2通过法兰16固定连接罐体1的顶部；
泄压管3，设置于所述盖体2上，连通到所述罐体1内，所述泄压管3上连接有电动调节阀4和蒸汽流量计5；所述电动调节阀4用于调节泄压管3泄压口大小以及泄压时间，电动调节阀4可以连续调节泄压管3泄压口大小，从完全封闭泄压管3到将泄压管3泄压口完全打开；所述蒸汽流量计5用于检测泄压管3泄压过程的流量数值；
设置于所述罐体1内的3个压力传感器6，分别检测所述罐体1内顶部、中部和底部的压力；在另外的一些实施例中，压力传感器6的数量可以具有更多的数量，或者仅仅设置为2个，该些压力传感器6用于至少检测所述罐体1内顶部和底部的压力；
设置于所述罐体1内10个温度传感器7，该些温度传感器7沿所述罐体1的高度依次排列，分别检测所述罐体1内不同高度的温度；在另外的一些实施例中，温度传感器7的数量可以具有更多的数量，或者可以设置有更少一些的数量，该些温度传感器7至少用于检测所述罐体1内液相部分和气相部分的多个不同位点的温度；该些温度温度传感器7可以采用L型的集成型温度传感器；
加热装置8，用于加热装载于所述罐体1内的实验介质；加热装置8为电磁加热器或火焰加热器；该加热装置8中还设置有一温度传感器(附图中未标示出)，用于检测加热温度；
底座9，用于固定所述罐体1；本实施例中，加热装置8安装于底座9上，其上为罐体1，加热装置8从罐体1的底部进行加热。
在本实施例中，该装置还包括一个液位计10，设置于所述罐体1的侧壁，用于显示所述罐体1内的液位高度。
在本实施例中，该装置还包括一安全阀11，设置于所述盖体2上，连通到所述罐体1内。该安全阀11主要作用是保障设备的使用安全，在设备的压力超过设定值且设备不受控是，具备自动安全泄压的功能。
在本实施例中，所述盖体2上还连接有一温度传感器12，用于检测所述罐体1顶部泄压口的温度；所述盖体2上还连接有一压力传感器13，用于检测所述罐体1顶部泄压口的压力。
在本实施例中，所述罐体1的侧壁上还连接有加样阀14和出样阀(15)。其中，所述加样阀14设置于所述罐体1顶部附近的侧壁上，用于向所述罐体1内加入实验介质；所述出样阀15设置于所述罐体1底部附近的侧壁上，用于排出所述罐体1内的实验介质。
如图2所示，本实施例提供的一种用于研究蒸汽***的***，该***包括：
用于研究蒸汽***的装置100，该装置为如前所述的用于研究蒸汽***的装置；数据采集***200，连接到所述装置100中的各个压力传感器和温度传感器以及所述蒸汽流量计，用于采集压力值、温度值以及蒸汽流量值并将这些数据反馈到计算机控制***300；计算机控制***300，接收所述数据采集***200采集到的数据并进行分析。
下面介绍使用该***进行蒸汽***(BLEVE)研究的过程，具体如下：
一、向罐体内加入实验介质，封闭盖体后检查装置的密封性；如前所述，其中的实验介质可以为水、乙醇或石油等有机物，实验介质中还可以加入铝合金抑爆材料；
二、由加热装置加热罐体，升温至T1(T1主要指罐体内液体主体的温度，在温度达到T1时，整个罐体内各个位点的温度是一致的)，由数据采集***采集加热过程中各个压力传感器和温度传感器的压力值P和温度值T的变化，计算机控制***接收到数据之后拟合成曲线并在显示屏上显示，并导出数据；
三、温度达到T1后，保持恒温一段时间，考察温度的波动；
四、在T1的温度条件下进行泄压实验：通过电动调节阀调节泄压管泄压口大小，考察不同的泄压口径、记录流量的变化，并重复闭合-泄压的重复操作性；由数据采集***采集加热过程中各个压力传感器和温度传感器的压力值P和温度值T以及蒸汽流量值；计算机控制***接收到数据之后拟合成曲线并在显示屏上显示，并导出数据，同时分析这一过程中的温度、压力、流量等随着不同泄压口径的变化规律；
五、设定考察的温度为T2(T2主要指罐体内液体主体的温度，在温度达到T1时，整个罐体内各个位点的温度是一致的)，重复步骤二至步骤四的操作过程；
六、实验结束，关闭电源，使设备进行自然降温。
最后，综合上述数据，对BLEVE效应进行分析。同理，其它条件(例如加入不同形状或者不同总量的抑爆材料)的平行试验步骤基本同上，只需改变不同的研究测试条件即可对不同因素下的BLEVE效应进行研究。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的用于研究蒸汽***的装置，可以在实验室内安全有效的对BLEVE效应进行模拟研究，研究过程精确可控且相关试验过程参数可以方便的收集与分析；并且该装置结构简单，易于实现，并且可重复使用，成本低廉。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于研究蒸汽***的装置，其特征在于，包括：
罐体(1)，被设置为装载实验介质，所述罐体(1)的顶部由一盖体(2)密封，所述罐体(1)具有一定高度使得所述罐体内顶部和底部具有温差和压差；
泄压管(3)，设置于所述盖体(2)上，连通到所述罐体(1)内，所述泄压管(3)上连接有电动调节阀(4)和蒸汽流量计(5)；所述电动调节阀(4)用于调节泄压管(3)泄压口大小以及泄压时间，所述蒸汽流量计(5)用于检测泄压管(3)泄压过程的流量数值；
至少2个压力传感器(6)，设置于所述罐体(1)内，用于至少检测所述罐体(1)内顶部和底部的压力；
多个温度传感器(7)，设置于所述罐体(1)内并且沿所述罐体(1)的高度依次排列，分别检测所述罐体(1)内不同高度的温度；
加热装置(8)，用于加热装载于所述罐体(1)内的实验介质；
底座(9)，用于固定所述罐体(1)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括一个液位计(10)，设置于所述罐体(1)的侧壁，用于显示所述罐体(1)内的液位高度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括一安全阀(11)，设置于所述盖体(2)上，连通到所述罐体(1)内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盖体(2)上还连接有一温度传感器(12)，用于检测所述罐体(1)顶部泄压口的温度；所述盖体(2)上还连接有一压力传感器(13)，用于检测所述罐体(1)顶部泄压口的压力。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热装置(8)为电磁加热器或火焰加热器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热装置(8)中还设置有一温度传感器，用于检测加热温度。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述罐体(1)的侧壁上还连接有加样阀(14)和出样阀(15)，所述加样阀(14)设置于所述罐体(1)顶部附近的侧壁上，用于向所述罐体(1)内加入实验介质；所述出样阀(15)设置于所述罐体(1)底部附近的侧壁上，用于排出所述罐体(1)内的实验介质。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述罐体(1)的顶部与所述盖体(2)通过法兰(16)连接。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述实验介质为水、乙醇或石油。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述实验介质中还加入抑爆材料，所述抑爆材料为铝合金材料。
11.根据权利要求1-10任一所述的装置，其特征在于，设置于所述罐体(1)内的压力传感器(6)的数量为3个，分别检测所述罐体(1)内顶部、中部和底部的压力。
12.根据权利要求1-10任一所述的装置，其特征在于，设置于所述罐体(1)内的温度传感器(7)的数量为10个。
13.一种用于研究蒸汽***的***，其特征在于，包括：
权利要求1-12所述的用于研究蒸汽***的装置(100)；
数据采集***(200)，连接到所述装置(100)中的各个压力传感器和温度传感器以及所述蒸汽流量计，用于采集压力值、温度值以及蒸汽流量值；
计算机控制***(300)，接收所述数据采集***(200)采集到的数据并进行分析。
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