CN203132996U - 一种观察lng 水域爆发沸腾发生过程的观察*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，***包括：LNG杜瓦、LN2杜瓦、LNG温度调节器、钢制热交换器、高速动态记录仪、第一温度传感器T1、第一压力传感器P1、数据采集仪和计算机。实施本实用新型具有以下有益效果：本观察***通过第一温度传感器和第一压力传感器检测，确定发生爆发沸腾的条件；通过钢制热交换器上的透光率不小于92.5%的透明窗口以及高速动态记录仪记录沸腾过程；通过电磁阀控制器控制LNG的喷射速度；通过管线放气阀将未达到实验温度的LNG排放至NG回收装置；实现对沸腾状态下气泡群的生长变化过程的观察，并对其压力、温度的变化进行监测，为充分利用LNG冷能提供数值依据。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种观察低温液体爆发沸腾发生过程的观察平台，更具体地说，涉及一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***。
背景技术
在LNG的海上运输途中，泄漏出的LNG与水接触，此时海水相对于LNG是高温液体，会使得LNG瞬间大大超过其沸点而发生爆发沸腾，甚至导致强烈的***现象，对设备及人员造成灾难性的损害。LNG水域爆发沸腾的主要特点是温差较大（超过175K），气泡生长过程很快（毫秒至微妙量级），温升速率很高（超过105K/s），发生位置与时间不确定。因此，用常规方法很难观测到该沸腾状态下气泡的生长过程，并确定其发生机理。
目前，在观测爆发沸腾状态下的气泡生长过程中，采用单次闪光、重复拍照的方法可以实现高能量短脉冲加热条件下，液氮爆发沸腾气泡生长过程的记录。相关文章包括：董兆一.饱和液氮爆发沸腾实验与理论研究：（博士学位论文）；北京:中国科学院，2005.和尹铁男.超极速爆发沸腾实验研究:(硕士学位沦为)；北京:中国科学院,2008.）。相关专利文件包括：申请号为02140288，发明名称为超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测***及方法的发明专利；申请号为200510130767，发明名称为微尺度爆发沸腾过程的可视化观测与瞬态测量***的发明专利。
这些专利和论文的研究主要集中在使用高能量短脉冲加热方法对一些液体进行高能量瞬态加热，可以较好的观察到该条件下的爆发沸腾特征情况。但对于低温液体多相流过程中的爆发沸腾，要观测其沸腾过程的气泡行为，确定其发生爆发沸腾的条件，由于其发生位置和时刻的不确定性，不但需要采用高速摄影技术，而且需要借助温度和压力传感器的监测信号进行判断。同时，由于LNG的低温特性和不安全性，以及考虑到实验平台可提供实验条件的多样性，都需要对***进行相关特殊考虑与设计。目前，现有的研究爆发沸腾的实验平台，主要通过改变脉冲热流强度来实现爆发沸腾现象，尚未发现有针对LNG喷射入 水后爆发沸腾的可视化研究。如使用现有的研究平台进行LNG可视化爆发沸腾实验，会出现以下几点问题：1）无法通过实验平台改变LNG喷射入水深度和水温水流等条件；2）无法通过实验平台控制LNG组分变化，从而无法验证LNG组分对爆发沸腾过程的影响；3）平台无法使用在具有可燃性和可爆性的实验对象中。
发明内容
本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***。
一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，包括：
存放观察对象LNG的LNG杜瓦；
存放LN2的LN2杜瓦；
与LNG杜瓦和LN2杜瓦连接的LNG温度调节器，在LNG温度调节器中，通过控制注入的LN2来调节LNG管线中的LNG的温度；
设置于管线中，用于监测进入钢制热交换器前管线中的实验工质的温度和压力的第二温度传感器T2和第二压力传感器P2；
与LNG温度调节器连接的钢制热交换器，所述钢制热交换器提供LNG与水接触沸腾换热空间，所述钢制热交换器上设置有透明窗口；
镜头正对钢制热交换器透明窗口设置，用于拍摄钢制热交换器中LNG的沸腾过程的高速动态记录仪；
监测钢制热交换器中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，所述第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的探头设置于钢制热交换器内；
与高速动态记录仪、第一温度传感器T1和第一压力传感器P1连接，采集控制数据的数据采集仪；
与高速动态记录仪、数据采集仪和电磁阀控制器连接，控制高速动态记录仪触发信号，数据采集仪采集数据时间和电磁阀控制器控制喷射时间，并记录所采集的信息的计算机；
LNG杜瓦中的LNG经过温度调节器调节温度后，通过管线到达钢制热交换器内的喷嘴，电磁阀控制器控制LNG的喷射时间，压力调节阀控制LNG的喷射速度。
优选地，观察***还包括：用于回收LNG的气态工质的NG回收装置，NG回收装置通过管线与钢制热交换器连接。
优选地，观察***还包括：将未达到实验温度的实验工质排放至NG回收装置的管线放气阀，管线放气阀设置于LNG温度调节器与钢制热交换器之间的管线上。
优选地，钢制热交换器外设置有照明光源，照明区域至少覆盖钢制热交换器内部发生爆发沸腾区域。
优选地，观察***还包括压力泄放阀，压力泄放阀设置于钢制热交换器和NG回收装置之间，通过压力泄放阀可以调节钢制热交换器内的压力。
优选地，观察***还包括设置于钢制热交换器内并置于喷嘴正下方的可调高度板，可调高度板用于限制LNG喷射入水的深度。
优选地，观察***还包括用于调节钢制热交换器内液体温度的循环水箱和循环水泵，循环水箱通过水管与钢制热交换器连接，循环水箱和循环水泵连接。
优选地，观察***包括两组监测钢制热交换器中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，其中一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面上方，另一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面下方。
实施本实用新型的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，具有以下有益效果：本实用新型的观察***通过温度传感器和压力传感器检测，确定发生爆发沸腾的条件；通过热交换器上的透光率不小于92.5%的透明窗口以及高速动态记录仪，记录沸腾过程；通过电磁阀控制器控制LNG的喷射时间；通过LNG温度调节器改变LNG的温度，进而控制LNG组分变化；通过可调高度板改变LNG喷射入水的深度；通过放气阀将未达到实验温度的LNG排放至NG回收装置；实现对沸腾状态下气泡群的生长变化过程的观察，并对其压力、温度的变化进行监测，为充分利用LNG冷能提供数值依据。从而克服现有观察***因为实验对象的可燃性和可爆性以及低温液体多相流过程中发生位置和时刻的不确定性所导致不能观察到低温液体多相流爆发沸腾过程的缺陷。
附图说明
图1是本实用新型观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***的一实施例的结构示意图。
图中：1、LNG杜瓦；2、LN2杜瓦；3、LNG温度调节器；4、钢制热交换器；5、计算机；6、高速动态记录仪；7、数据采集仪；8、电磁阀控制器；9、管线放气阀；10、低温电磁阀；11、循环水箱；12、循环水泵；13、NG回收装置；14、可调高度板；15、照明光源；16、压力调节器；17、LN2接收器；18、压力泄放阀；19、喷嘴；20、钢制热交换器放气阀；21、LN2热交换器。
具体实施方式
本实用新型提供一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，下面结合附图对本实用新型的***进行详细说明。
图1是本实用新型观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***的一实施例的结构示意图，如图所示。***包括：存放观察对象LNG的LNG杜瓦1；存放LN2的LN2杜瓦2；与LNG杜瓦1和LN2杜瓦2连接的LNG温度调节器3，在LNG温度调节器3中，通过控制注入的LN2来调节LNG管线中的LNG的温度；设置于管线中，用于监测进入钢制热交换器4前管线中的实验工质（实验工质指用于观察反应的各种状态的LNG或NG）的温度和压力的第二温度传感器T2和第二压力传感器P2；与LNG温度调节器3连接的钢制热交换器4，所述钢制热交换器4提供LNG与水接触沸腾换热空间，所述钢制热交换器4上设置有透明窗口；镜头正对钢制热交换器4透明窗口设置，用于拍摄钢制热交换器4中LNG的沸腾过程高速动态记录仪6；监测钢制热交换器4中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，所述第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的探头设置于钢制热交换器4内；与高速动态记录仪6、第一温度传感器T1和第一压力传感器P1连接，采集监测数据的数据采集仪7；与高速动态记录仪6、数据采集仪7和电磁阀控制器8连接，控制高速动态记录仪6触发信号，数据采集仪7采集数据时间和电磁阀控制器8控制喷射时间，并记录所采集的信息的计算机5；LNG杜瓦1中的LNG经过温度调节器调节温度后，通过管线到达钢制热交换器4内的喷嘴19，电磁阀控制器8控制LNG的喷射时间；用于回收LNG的气态工质的NG回收装置13，NG回收装置13通过管线与钢制热交换器4连接；将未达到实验温度的实验工质排放至NG回收装置13的管线放气阀9，管线放气阀9设置于LNG温度调节器3与钢制热交换器4之间的管线上；钢制热交换器4外设置有照明光源15，照明区域至少覆盖钢制热交换器4内部发生爆发沸腾区域；置于钢制热交换器4内并置于喷嘴正下方的可调高度 板14，可调高度板14用于限制LNG喷射入水的深度；用于调节钢制热交换器4内液体温度的循环水箱11和循环水泵12，循环水箱11通过水管与热交换器连接，循环水箱11和循环水泵12连接。可调高度板14、循环水箱11和循环水泵12的设置解决了现有技术中无法通过实验平台改变LNG喷射入水深度和水温水流等条件，从而无法验证周围水环境对爆发沸腾过程影响的技术缺陷。
LNG温度调节器3的结构与套管式热交换器的结构相似，即在LNG管线外套接一个大容积的密封套管，LNG流过LNG管线，将LN2通入密封套管环隙中，利用改变LN2的温度来改变LNG的温度。LN2的温度是通过利用N2经过LN2热交换器21后与LN2相混合的比例来控制的，使用后的LN2被排放到LN2接收器17中。LNG杜瓦1和LNG温度调节器3之间设置压力调节器16，用于调节LNG温度调节器3中管线内LNG的压力，从而可以改变LNG喷射速度。LN2杜瓦和LNG温度调节器3之间的连接管线上设置有LN2热交换器21、第三温度传感器T3和第三压力传感器P3，LN2热交换器用于调节LN2的温度，第三温度传感器T3用于监测充入LNG温度调节器3之前的LN2的温度，第三压力传感器P3用于监测充入LNG温度调节器3之前的LN2的压力。此过程不但可以调节LNG的温度，而且通过调节其温度可以改变其组分。因为作为混合物的LNG中，甲烷含量不低于75%，而氮的含量不高于5%，除此之外还有部分的乙烷和丙烷等，每一沸点温度下都会对应不同的组分组成情况，这可以根据其物性变化表格查出，这样就可以通过改变其沸点温度来达到观察不同组分情况下对爆发沸腾的影响情况。LNG温度调节器3的设置解决了现有技术中无法通过实验平台控制LNG组分变化，从而无法验证LNG组分对爆发沸腾过程影响的技术缺陷。
作为本实用新型的优选技术方案，钢制热交换器4可承受压力不小于4Mpa，以保证实验的安全性，钢制热交换器4上的透明窗口的透光率不小于92.5%，以便于观察。钢制热交换器4上的透明窗口采用25mm的亚克力板制成，以保证实验的安全性。
作为本实用新型的优选技术方案，通过电磁阀控制器8设定LNG的喷射持续时间，并且通过电磁阀控制器8控制低温电磁阀10的触发时间，使得数据采集仪7和高速动态记录仪6开启后，低温电磁阀10延迟设定的时间后启动，***向钢制热交换器4中喷射LNG，以便高速动态记录仪6能够完全记录钢制热交换器4中的实验过程，数据采集仪7能够完全采集实验数据。低温电磁阀10未开启之前的未达到实验温度的实验工质通过管线放气阀9释放到NG回收装置13 中。
钢制热交换器4上设置有温度传感器接口和压力传感器接口，所述第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的探头通过温度传感器接口和压力传感器接口设置于钢制热交换器4内，从而监测钢制热交换器4中LNG的气相和液相区域温度和压力变化。作为本实用新型的优选技术方案，观察***包括两组监测钢制热交换器4中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，其中一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面上方，另一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面下方，以便更精确的监测水液面上方的温度、压力以及水液面下方的温度、压力。第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的探头至于钢制热交换器4内，监测气相和液相区域状态参数变化，输出4-20mA电流信号，二者通过数据线与数据采集仪7相连，将电流信号通过简单线性换算为温度和压力信号，储存到计算机5。
本实用新型的技术方案在钢制热交换器4外设置照明光源15，照明区域至少覆盖钢制热交换器4内部发生爆发沸腾区域，使得高速动态记录仪6能够记录钢制热交换器4中的沸腾过程的效果更好。
钢制热交换器4上还设置有LNG喷射器接口、安全阀和放气阀接口等，其中放气阀接口在连接放气阀后，通过管线连接到NG回收装置13。观察***也可以不设置NG回收装置13，但直接释放到大气中的LNG气体会对大气造成污染，并有可能导致火灾或***。因此，设置NG回收装置13，具有防止大气污染和预防火灾与***的有益效果，同时解决了现有技术平台无法用于具有可燃性和可爆性的实验对象中的缺陷。
高速动态记录仪6的镜头对准钢制热交换器4的透明窗口观测发生爆发沸腾区域，帧速532-17045帧/s可调，分辨率1280×1024-1280×32可调，记录的图像传输入计算机5进行处理和储存，为达到满意的拍摄效果，为其设置575W石英金属卤化物补光冷光源。
电磁阀控制器8、低温电磁阀10置于LNG喷射器前，由电磁阀控制器8控制低温电磁阀10触发时间和开启持续时间，最短响应时间为0.01s，喷射压力由压力调节阀16控制，0.1-0.8MPa可调。计算机5还可同时控制高速动态记录仪6和数据采集仪7的触发时间。作为本实用新型的优选技术方案，计算机5先触发高速动态记录仪6和数据采集仪7工作，进行图像和温度、压力的采集， 延时一定时间（具体的延迟时间根据情况设定）后再通过电磁阀控制器8触发低温电磁阀10开启，进行LNG的喷射。通过低温调节阀10设定LNG的喷射压力。
利用本实用新型的观察***进行观察的实验过程如下：实验之前的准备工作包括调整照明光源15的位置和高速动态记录仪6的对焦操作，使得记录的图像清晰可见；往钢制热交换器4中注水并测量水温等。实验过程中，经过LNG管线从LNG杜瓦1向钢制热交换器4中注入LNG，通过调节压力调节阀16来调节喷射压力；LNG液体流过LNG管线，其温度可以通过改变密封套管中的LN2的流量和温度来改变，而LN2的流量和温度通过调节LN2杜瓦N2出口和LN2出口的开度来改变，流过LNG温度调节器3的LN2被排放到LN2接收器17中。通过第二温度传感器T2和第二压力传感器P2对LNG管线中的LNG的温度和压力进行监测，将未达到实验温度的实验工质通过管线放气阀9排放至NG回收装置13中，将达到实验温度的实验工质喷射至钢制热交换器4中。通过将未达到实验温度的LNG排放至NG回收装置13解决了现有技术平台无法用于具有可燃性和可爆性的实验对象中的缺陷。钢制热交换器4和NG回收装置13之间连接压力泄放阀18，通过压力泄放阀18可以调节钢制热交换器4内的压力，并通过第一压力传感器P1对钢制热交换器4内的压力进行监测。钢制热交换器4通过进水管和排水管与循环水箱11连接，进水管和排水管上分别设置进水阀和排水阀，循环水箱11和循环水泵12连接，通过循环水泵12和循环水箱11，改变钢制热交换器4内的水的温度，并通过第一温度传感器T1对钢制热交换器4内的温度进行监测，同时调节可调高度板14入水的深度，从而克服了实验平台无法验证周围水环境和LNG喷射入水深度对爆发沸腾过程影响的技术缺陷。喷射过程以及沸腾过程将被高速动态记录仪6所记录，钢制热交换器4内的压力和温度变化也将由布置在钢制热交换器4内的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1所监测，监测到的数据由数据采集仪7进行采集，并将采集到的所有信息传输到计算机5进行保存。在实验过程中，可对以上操作进行调整，改变实验条件，如LNG喷射压力、温度和喷射持续时间等，在完成一组实验后，可更换喷嘴19以改变喷射口径，并更换钢制热交换器4中的水，改变注入水的水温与重新调节可调高度板14入水的深度等，重复进行以上步骤，完成其他组实验。实验完成后，通过分析气泡生长过程图像和压力、温度变化规律，归纳总结LNG水域排放爆发沸腾发生机理。实验完成后，通过钢制热交换器放气阀20将实验后的 气体排放至NG回收装置13，钢制热交换器放气阀20通过管线设置于钢制热交换器4和NG回收装置13之间。
根据本实用新型的技术方案获取的结论可应用于指导LNG泄漏事故的处理，即当LNG船舶在港口进行装卸货过程中，一旦发生LNG泄漏事故，采用什么手段可以预防发生LNG水域爆发沸腾现象。因为利用本实验平台中的压力调节阀和LNG温度调节器可实现改变LNG喷射速度、压力、温度和组分等初始条件，同时还可以借助与钢制热交换器连接的循环水泵和循环水箱改变水温和水流条件，钢制热交换器内的可调高度板模拟不同水深条件。改变实验条件是为了探讨LNG水域排放发生爆发沸腾的决定条件，完善爆发沸腾理论，并将此作为制定LNG船舶港口装卸货作业安全导则的理论指导，根据LNG的组分来决定LNG装卸货的速度，限制LNG输液管线铺设位置的高度以及管线下方水深和水流情况等，预防发生LNG水域爆发沸腾对输液管线、LNG储罐和LNG船舶造成破坏性的影响。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，包括：
存放观察对象LNG的LNG杜瓦（1）；
存放LN2的LN2杜瓦（2）；
与LNG杜瓦（1）和LN2杜瓦（2）连接的LNG温度调节器（3），在LNG温度调节器（3）中，通过控制注入的LN2来调节LNG管线中的LNG的温度；
设置于管线中，用于监测进入钢制热交换器（4）前管线中的实验工质的温度和压力的第二温度传感器T2和第二压力传感器P2；
与LNG温度调节器（3）连接的钢制热交换器（4），所述钢制热交换器（4）提供LNG与水接触沸腾换热空间，所述钢制热交换器（4）上设置有透明窗口；
镜头正对钢制热交换器（4）透明窗口设置，用于拍摄钢制热交换器（4）中LNG的沸腾过程的高速动态记录仪（6）；
监测钢制热交换器（4）中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，所述第一温度传感器T1和第一压力传感器P1的探头设置于钢制热交换器（4）内；
与高速动态记录仪（6）、第一温度传感器T1和第一压力传感器P1连接，采集监测数据的数据采集仪（7）；
与高速动态记录仪（6）、数据采集仪（7）和电磁阀控制器（8）连接，控制高速动态记录仪（6）触发信号，数据采集仪（7）采集数据时间和电磁阀控制器（8）控制喷射时间，并记录所采集的信息的计算机（5）；
LNG杜瓦（1）中的LNG经过温度调节器调节温度后，通过管线到达钢制热交换器（4）内的喷嘴，电磁阀控制器（8）控制LNG的喷射时间，压力调节阀（16）控制LNG的喷射速度。
2.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***还包括：用于回收LNG的气态工质的NG回收装置（13），NG回收装置（13）通过管线与钢制热交换器（4）连接。
3.根据权利要求2所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***还包括：将未达到实验温度的实验工质排放至NG回收装置（13）的管线放气阀（9），管线放气阀（9）设置于LNG温度调节器（3）与钢制热交换器（4）之间的管线上。
4.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，钢制热交换器（4）外设置有照明光源（15），照明区域至少覆盖钢制热交换器（4）内部发生爆发沸腾区域。
5.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***还包括压力泄放阀（18），压力泄放阀（18）设置于钢制热交换器（4）和NG回收装置（13）之间，通过压力泄放阀（18）可以调节钢制热交换器（4）内的压力。
6.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***还包括设置于钢制热交换器（4）内并置于喷嘴正下方的可调高度板（14），可调高度板（14）用于限制LNG喷射入水的深度。
7.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***还包括用于调节钢制热交换器（4）内液体温度的循环水箱（11）和循环水泵（12），循环水箱（11）通过水管与钢制热交换器连接，循环水箱（11）和循环水泵（12）连接。
8.根据权利要求1所述的观察LNG水域爆发沸腾发生过程的观察***，其特征在于，观察***包括两组监测钢制热交换器（4）中LNG的气相和液相区域温度和压力变化的第一温度传感器T1和第一压力传感器P1，其中一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面上方，另一组第一温度传感器T1和第一压力传感器P1设置于水液面下方。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20130814 Effective date of abandoning: 20150225 |
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| RGAV | Abandon patent right to avoid regrant |