CN115655412A - 一种研究油罐沸溢喷溅特性的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种研究油罐沸溢喷溅特性的实验装置，其主要特征是：主要包括油罐、喷溅监测穹顶，加热模块、截面成像模块以及高速摄像机。采用电网加热的方式模拟真实燃烧时火焰向液面进行热量传递的过程，从而诱导沸溢喷溅现象的发生。采用电容电导组合探针结合高速摄像，可实时记录储罐油‑蒸汽分布演化规律，并可对喷溅油滴轨迹进行测量。与传统沸溢喷溅装置相比，本发明构思巧妙，不产生明火，具有安全性高、测量参数多等诸多优点，可广泛应用于油品沸溢喷溅规律的研究。

Description

一种研究油罐沸溢喷溅特性的实验装置

技术领域

本发明属于油气储运安全技术领域，涉及一种研究小尺度油罐沸溢喷溅特性的实验装置。

背景技术

近年来，随着国民经济的发展以及石油储备计划的实施，油罐作为石油存储的主要方式得到大规模应用，然而，一旦油罐发生火灾，如果不能得到及时控制，将会造成巨大的经济损失与人员伤亡。因此，对于油罐火灾的研究，特别是对于油罐火灾中油罐沸溢喷溅特性的研究日渐成为研究重点。现阶段，对于油罐沸溢喷溅特性的研究主要有小尺度研究和大尺度实验研究两方面。其中大尺度实验研究具有规模大，实验费用高，实验危险性大等缺点，而小尺度实验具有实验成本低、实验参数易于精确测量等诸多优点。因此，对于油罐沸溢喷溅特性研究来说，小尺度实验研究是主要研究手段。

目前研究小尺度油罐沸溢喷溅特性的模拟实验，多是采用密闭不锈钢容器下方添加水垫层来模拟油罐着火时的燃烧条件，但这些燃烧模拟装置存在如下不足：

(1)实验采用燃烧方式进行存在较大安全隐患，并且未能对喷溅出的油水分布即喷溅趋势进行分析与整理。油罐发生沸溢喷溅需要三个条件：油罐中含有一定比例的水分、油品具备移动热波特性、油品具有一定粘度。沸溢或喷溅在本质上都是由于原油中的水受热达到沸点发生相变所形成。因此根据油罐发生沸溢喷溅物理本质，可采用非燃烧方式进行热量传导从而诱导沸溢发生；

(2)传统沸溢实验未能对发生沸溢时油水界面的变化进行分析研究，且未能对沸溢发生时罐内气液的分布进行细致分析。根据沸溢机理，发生沸溢是由于底部水层发生相变导致水层体积突然膨胀，致使水层上部的油层在下方水层压力的作用下喷出罐外，导致沸溢的发生。然而，现有的关于油罐沸溢喷溅特性的实验装置，多采用密闭不锈钢容器进行实验，难以对发生沸溢时油水界面变化进行观测。此外，现有关于沸溢喷溅的研究，很少有人关注油品沸溢后，水滴油滴喷溅出罐外的分布情况。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种罐沸溢喷溅实验装置，可有效模拟油罐发生沸溢喷溅的整个过程，减少实验过程的安全隐患，可对沸溢发生时罐内气液相的分布进行观测，以及对沸溢发生时罐内气液相的分布进行记录与分析。与现有技术相比，本发明具有测量成本低、检测参数多，实验风险低等优点。

一种油罐沸溢喷溅实验装置，主要包括油罐、喷溅监测穹顶，加热模块、截面成像模块以及高速摄像机。

所述模拟油罐主要由耐高温透明玻璃组成，可观察发生沸溢喷溅时油水界面的变化情况。

所述的喷溅监测穹顶为半球面结构，穹顶位于模拟油罐的正上方，穹顶下方由立柱支撑，立柱高度为模拟油罐高度的1倍左右，穹顶直径为模拟油罐的2-3倍，穹顶亦由透明玻璃支撑，其上布置有经纬线分布，用于显示喷溅油滴的位置.

所述加热模块主要由加热网、支撑杆、温控旋钮和电源线组成，所述温控旋钮用于控制加热网的温度，所述加热网置于模拟油罐的油层内用于对模拟油罐内的油品加热，模拟真实燃烧时火焰对液面的热传递过程，从而诱导沸溢喷溅现象的发生。

所述的截面成像模块由组合探针，接线端子，集线器，成像计算机组成，组合探针由电容探针和电导探针并行组成，若干条组合探针纵横等间距布局，构成网状结构；电导探针由金属导线制成，电容探针内部为导电金属芯线，外层涂敷有绝缘层；电容探针和电导探针截面均为半圆形，电容探针外径与电导探针外径相同，二者组合后形成圆形截面；组合探针其中一端固定在模拟油罐外壁上，由环氧树脂密封，组合探针另一端与接线端子相连，一根组合探针对应一个接线端子，组合探针中的电容探针的导电金属芯线和电导探针分别与节点端子两个接线柱相连接；接线端子接线柱通过导线与集线器相连，集线器通过信号线与成像计算机相连。

本发明的有益效果是：本发明可以提供一种新的、相似度较高的模拟油罐沸溢喷溅的实验装置；减少实验安全隐患与成本；观察与记录整个实验过程中油水界面变化情况；观察并分析发生沸溢罐内气液相的分布情况；并对喷溅出罐外的液体，即油水两相的喷溅趋势进行分析与研判；整个模拟装置误差小、灵活性高、重复性强。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图。

附图2为喷溅监测穹顶俯视图；

附图3为加热模块示意图；

附图4为截面成像模块示意图；

附图5为组合探针结构示意图；

附图6为截面成像示意图。

上图中：1、模拟油罐；2、喷溅监测穹顶；3、加热模块；4、截面成像模块；5、高速摄像机；6、加热网；7、支撑杆；8、温控旋钮；9、电源线；10、组合探针；11、接线端子；12、集线器；13、成像计算机；14、电容探针；15、电导探针；16、导电金属芯线；17、绝缘层。

具体实施方式

结合图1-6，对本发明具体实施方式进行描述。

如图1所示，本发明公布的一种油罐沸溢喷溅实验装置，主要包括模拟油罐1、喷溅监测穹顶2、加热模块3、截面成像模块4以及高速摄像机5。

所述模拟油罐1主要由耐高温透明玻璃组成，可观察油水界面，以及发生沸溢喷溅时油水界面相分布演化过程。

如图1所示，所述的喷溅监测穹顶2为半球面结构，穹顶位于模拟油罐1的正上方，穹顶下方由立柱支撑，立柱高度为模拟油罐1高度的1倍左右，穹顶直径为模拟油罐1的2-3倍，穹顶亦由透明玻璃制成。

如图2所示，喷溅监测穹顶2上布置有经纬线分布，用于显示喷溅油滴的位置。通过设置在顶部的高速摄像机5可记录喷溅油迹随时间的变化情况。

如图3所示，所述加热模块3主要由加热网6、支撑杆7、温控旋钮8和电源线9组成，所述温控旋钮8用于控制加热网6的温度，所述加热网6置于模拟油罐1的油层内，用于对模拟油罐1内的油品加热。加热网6的作用是模拟真实燃烧时火焰对液面的热传递，从而诱导沸溢喷溅现象的发生。

如图4所示，所述的截面成像模块4由组合探针10、接线端子11、集线器12、成像计算机13组成，组合探针10由电容探针14和电导探针15并行组成，若干条组合探针10纵横等间距布局，构成网状结构；电导探针15由金属导线制成，电容探针14内部为导电金属芯线16，外层涂敷有绝缘层17。组合探针10其中一端固定在模拟油罐1外壁上，由环氧树脂密封，组合探针10的另一端与接线端子11相连，一根组合探针10对应一个接线端子11，组合探针10中的电容探针14的导电金属芯线16和电导探针15分别与接线端子11两个接线柱相连接；接线端子11接线柱通过导线与集线器12相连，集线器12通过信号线与成像计算机13相连。

如图5所示，电容探针14和电导探针15截面均为半圆形，电容探针14的外径与电导探针15的外径相同，二者组合后形成圆形截面。

如图6所示，显示了截面成像模块4的工作原理。本发明提出的电容探针14表面涂覆有绝缘层17，中间的导电金属芯线16和周围流体介质构成圆筒形电容器，从而导电金属芯线16和电导探针15之间的电容的大小与电容探针14所接触到的蒸汽泡长度有关。通过一系列列横向布置的组合探针10可以确定出蒸汽泡在横向方向上的分布；通过一系列纵向布置的组合探针10可以确定出蒸汽泡在纵向方向上的分布。二者相结合，即可确定蒸汽泡的在截面上的形状及位置。

本发明工作过程如下：

将模拟油罐内1底部布置水层，水层上方加注实验油品。通过加热模块3的电源线9向加热网6供电，通过温控旋钮8调节加热温度。加热网6放置在模拟油罐1的油层内，通过对油层加热，油层温度逐渐升高，形成热波面，向下方的水层进行传递。液态水温度升高达到沸点将发生相变产生大量气泡，产生沸溢现象，高速上浮的气泡甚至携带油品喷向罐外导致发生喷溅。

所述模拟油罐1由耐高温透明玻璃组成，可通过高速摄像仪5从油罐外壁拍摄罐内沸溢喷溅发生时储罐侧面的流动图像。而对于储罐截面上的油-蒸汽分布特征则由截面成像模块4测量。组合探针10纵横交错布置形成网状结构，每条组合探针10的导电金属芯线16和电导探针15分别和对应的接线端子11相连，而接线端子11测量信号在集线器12上汇总，最终输入成像计算机13，通过内置算法对储罐截面油-蒸汽分布进行实时成像。因此，截面成像模块4结合高速摄像5，可以获得沸溢喷溅发生时油-蒸汽界面演化全过程。

当喷溅发生时，喷射出的油滴会碰撞到喷溅监测穹顶2，从而在穹顶上形成油迹显示。穹顶上布置有经纬线，可以确定每个油滴喷溅位置。通过实施记录油迹在穹顶上的分布变化，可分析喷溅角度等基本参数，为减少喷溅危害提供科学依据。

本发明可以提出一种新的研究油罐沸溢喷溅特性的实验装置，观察与记录储罐油-蒸汽分布演化规律，并可对喷溅油滴轨迹进行测量。与传统沸溢喷溅装置相比，本发明具有构思巧妙，不产生明火，安全性高，测量参数多等诸多优点，可广泛应用于油品沸溢喷溅规律的研究。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不局限于上述具体实施方式，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种研究油罐沸溢喷溅特性的实验装置，其主要特征是：主要包括油罐(1)、喷溅监测穹顶(2)、加热模块(3)、截面成像模块(4)以及高速摄像机(5)；所述的模拟油罐(1)主要由耐高温透明玻璃组成，可观察发生沸溢喷溅时油水界面的变化情况；所述的喷溅监测穹顶(2)为半球面结构，穹顶位于模拟油罐(1)的正上方，穹顶下方由立柱支撑，立柱高度为模拟油罐(1)高度的1倍左右，穹顶直径为模拟油罐(1)的2-3倍，穹顶亦由透明玻璃制成，其上布置有经纬线分布，用于显示喷溅油滴的位置；所述加热模块(3)主要由加热网(6)、支撑杆(7)、温控旋钮(8)和电源线(9)组成，所述温控旋钮(8)用于控制加热网(6)的加热温度，所述加热网(6)置于模拟油罐(1)的油层内用于对模拟油罐(1)内的油品加热，模拟真实燃烧时火焰对液面的热传递，从而诱导沸溢喷溅现象的发生；所述的截面成像模块(4)由组合探针(10)、接线端子(11)、集线器(12)、成像计算机(13)组成，组合探针(10)由电容探针(14)和电导探针(15)并行组成，若干条组合探针(10)纵横等间距布局，构成网状结构；电导探针(15)由金属导线制成，电容探针(14)内部为导电金属芯线(16)，外层涂敷有绝缘层(17)；组合探针(10)其中一端固定在模拟油罐(1)外壁上，由环氧树脂密封，组合探针(10)另一端与接线端子(11)相连，一根组合探针(10)对应一个接线端子(11)，组合探针(10)中的电容探针(14)的导电金属芯线(16)和电导探针(15)分别与接线端子(11)两个接线柱相连接；接线端子(11)接线柱通过导线与集线器(12)相连，集线器(12)通过信号线与成像计算机(13)相连。

2.根据权利要求1所述的一种研究油罐沸溢喷溅特性的小尺度模拟实验装置，其特征在于：所述的电容探针(14)和电导探针(15)截面均为半圆形，电容探针(14)外径与电导探针(15)外径相同，二者组合后形成圆形截面。

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