CN106297527A - 一种垂直管气液两相流流型演示实验装置 - Google Patents

一种垂直管气液两相流流型演示实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，包括观察筒、弯管、缓冲筒、水管、水箱、水泵、液体加压装置、液体流量控制阀门、气液混合装置、气体流量控制阀门、气罐、气体加压装置、空压机、过度管；所述气液混合装置的进液口、液体流量控制阀门、液体加压装置、水泵、水箱依次连接；所述气液混合装置的进气口、气体流量控制阀门、气罐、气体加压装置、空压机依次连接；所述弯管一端与观察筒上端连接，另一端与缓冲筒上端连接；所述水管一端安装在缓冲筒底端上，且与缓冲筒内腔相通，另一端位于水箱内。本发明只需要调节流量阀门和加压装置压力即可模拟泡状流、段塞流、过渡流以及环雾流，且观察到这几种流态的演变过程。

Description

一种垂直管气液两相流流型演示实验装置
技术领域
本发明涉及一种垂直管气液两相流流型演示实验装置。
背景技术
在石油及天然气开采过程中，都在一定程度上存在着气液两相流动，尤其是在原油开采过程中地层中的流体进入井筒，随着流体在沿井筒垂直流动过程中其压力逐渐下降，当流体压力小于饱和压力Pb时，气体开始解析，这时就开始出现气液两相流动，随着流体压力的继续降低，气体开始逐渐解析，在气液两相流流动中主要有四种流态，即泡状流、段塞流、过渡流、环雾流。
因此，采用调整压力和流量完全可以模拟垂直管流气液两相流动的各个流态及相互之间的过渡过程，两相垂直管流主要存在四种类型，即气液、气固、液液(如油、水两相)以及液固，其中气液两相流垂直管流是最为复杂的，这是由于气液两相中存在可变形的界面，其中气相具有高度的可压缩性。这两相界面分布不同几何形态或不同流动结构形式的现象称之为两相流动流型。简称流态或流型，不同的流态遵循各自不同的流动规律。
目前，市面上存在的通过透明管观察流态的演示装置，大多只能演示泡状流、段塞流等一种或两种容易实现的流态，对于过渡流、环雾流，尤其是过渡流并不能直观的观察到，且各种流态并没有明显的交叉点，而是逐渐过渡的，采用这种方式亦不能观察到一种流态是如何演变成另一种流态的；容易误导学生，影响学生正确理解流态及演变，不能到达实验目的，从用影响教学效果。
而采用高速摄影、X光拍摄，还有采用各种类型的探针间接测取有关流态变化的信息，用于推算及判断流态，但是这些装置操作复杂，投入巨大，需要专业的知识和丰富的技术才能进行操作，且设备占地面积大，不适用于教学实验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，本发明操作简单容易实现，克服了市面上现有装置不能观察到各种流态是如何过渡到另一种流态的缺点，克服了现有透明管不能观察高速的缺陷，也克服了现有采用高速摄影、X光摄影设备昂贵且操作复杂的缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，包括观察筒、弯管、缓冲筒、水管、水箱、水泵、液体加压装置、液体流量控制阀门、气液混合装置、气体流量控制阀门、气罐、气体加压装置、空压机、过度管；
所述气液混合装置左右两端分别具有出口、进气口，顶部具有进液口，所述气液混合装置的进液口、液体流量控制阀门、液体加压装置、水泵、水箱依次连接；
所述气液混合装置的进气口、气体流量控制阀门、气罐、气体加压装置、空压机依次连接；气罐与气体加压装置之间还设有阀门；
所述过度管具有大径端和小径端，小径端与气液混合装置的出口连接，大径端与观察筒下端连接；
所述弯管一端与观察筒上端连接，另一端与缓冲筒上端连接；
所述水管一端安装在缓冲筒底端上，且与缓冲筒内腔相通，另一端位于水箱内。
进一步的是，所述气液混合装置的进液口与液体流量控制阀门之间设有液体单流阀，所述气液混合装置的进气口与气体流量控制阀门之间设有气体单流阀。
进一步的是，所述气罐顶部设有安全阀。安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当气罐压力升高超过规定值时，通过向气罐外排放空气来防止罐体内介质压力超过规定数值的特殊阀门，从而保护罐体，避免压力过大造成气罐损坏。
进一步的是，所述气罐顶部、液体流量控制阀门与液体单流阀之间和气体流量控制阀门与气体单流阀之间均设有压力表。压力表可检测各处压力变化，也可要求压力表具有报警功能，当某处压力大于最大工作压力时进行报警。
本发明具有以下有益效果：本发明中液体是经过净化后的自来水，气体采用空气，气体和液体来源稳定且有本装置所带部件制取，其来源稳定且成本较低，具有经济效益明显；且采用加压后的空气和水模拟气液两相混合流动，通过压力和流量调节即可模拟垂直管气液两相流动的各种流态及过渡过程，操作简单容易实现，克服了市面上现有装置不能观察到各种流态是如何过渡到另一种流态的缺点，即模拟高速流动亦可模拟低速流动，克服了现有透明管不能观察高速的缺陷，也以克服了现有采用高速摄影、X光摄影设备昂贵且操作复杂的缺陷。本装置只需要调节流量阀门和加压装置压力即可模拟泡状流、段塞流、过渡流以及环雾流，且观察到这几种流态的演变过程。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中所示：1-观察筒，2-弯管，3-缓冲筒，4-水管，5-水箱，6-水泵，7-液体加压装置，8-流量控制阀门，9-气液混合装置，10-气体流量控制阀门，11-气罐，12-气体加压装置，13-空压机，14-安全阀，15-过度管，16-液体单流阀，17-气体单流阀，18-压力表。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示，本发明的一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，包括观察筒1、弯管2、缓冲筒3、水管4、水箱5、水泵6、液体加压装置7、液体流量控制阀门8、气液混合装置9、气体流量控制阀门10、气罐11、气体加压装置12、空压机13、过度管15；
上述观察筒1由透明、耐高压的塑钢玻璃制成的圆筒，最大工作压力15MPa，用于观察各种流态及演变过程；缓冲筒3主要是暂时储存气液混合物，防止气液混合物因为压力变化过大影响实验效果；水箱5主要作用是回收实验后的水和储存实验用水；水泵6主要作用是为液体加压装置7供水，确保水流稳定；液体加压装置7主要作用是将液体加压到实验所需压力(可自由设置加压压力)，最大工作压力15MPa；液体流量控制阀门8、气体流量控制阀门10主要作用是分别调节液体、气体的流量大小；气液混合装置9使气体和液体充分混合，保证实验效果，一般为选用气液混合器；气罐11主要用于存储气体具有缓冲作用，由于气体可压缩行大，防止气体压力变化，主要作用是保证圧力和气流稳定；气体加压装置12将气体加压到实验所需压力(可自由设置加压压力)，最大工作压力为15MPa，空压机13提供稳定的气源。
所述气液混合装置9左右两端分别具有出口、进气口，顶部具有进液口，所述气液混合装置9的进液口、液体流量控制阀门8、液体加压装置7、水泵6、水箱5依次连接；水泵6具有水泵进水口和水泵出水口，液体流量控制阀门8、液体加压装置7、水泵进水口之间分别通过连接管连接，
所述气液混合装置9的进气口、气体流量控制阀门10、气罐11、气体加压装置12、空压机13依次连接；气体流量控制阀门10、气罐11、气体加压装置12之间也分别通过连接管连接，气体流量控制阀门10与气罐11之间还设有阀门；
所述过度管15具有大径端和小径端，小径端与气液混合装置9的出口连接，大径端与观察筒1下端连接；过度管15为气液混合装置9与观察筒1之间起到过度连接的作用，过度管15与观察筒1之间可采用法兰连接，也可采用螺纹连接；
所述弯管2一端与观察筒1上端连接，另一端与缓冲筒3上端连接；
所述水管4一端安装在缓冲筒3底端上，且与缓冲筒3内腔相通，另一端位于水箱5内。
为了更进一步调节液体和气体的流量，优选的实施方式是，所述气液混合装置9的进液口与液体流量控制阀门8之间设有液体单流阀16，所述气液混合装置9的进气口与气体流量控制阀门10之间设有气体单流阀17。
气罐11为储气的作用，且气罐11内的压力具有规定值，当气压高过规定值时，会导致气罐11损坏，优选的实施方式是，所述气罐11顶部设有安全阀14。安全阀14是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当气罐11压力升高超过规定值时，通过向气罐11外排放空气来防止罐体内介质压力超过规定数值的特殊阀门，从而保护罐体，避免压力过大造成气罐11损坏。
为了便于观察装置中各处的压力，优选的实施方式是，所述气罐11顶部、液体流量控制阀门8与液体单流阀16之间和气体流量控制阀门10与气体单流阀17之间均设有压力表18。
本发明的工作流程为：液体是采用经过净化后的自来水，水箱5中的水在水泵6的作用下通过液体加压装置7(可根据需要设置所加压力大小)，液体加压装置7将水加压到设置压力经过液体流量控制阀8(可根据需要调节流量大小)，液体流量控制阀8通过管汇与液体单流阀16连接，流经液体单流阀16进入气液混合装置9；而气体则是在空压机13的作用下进入气体加压装置12(可根据需要设置所加压力大小)，经过气体加压装置12后进入气罐11(气体可压缩行大，气罐11具有储气体的功能，可提供稳定的气源，防止气体压力波动，影响实验效果)，气罐11中的气体通过连接管线与气体流量控制阀10连接(可根据需要调节流量大小)，之后气体流经气体单流阀17进入气液混合装置9内与液体进行混合。在气液混合装置7中经过加压的气体和液体充分混合后通过过度管15进入观察筒1，这时经过混合后的气体和液体在垂直管中两相流动，通过调节分别设置液体加压装置7和气体加压装置12的压力大小和调节液体流量控制阀门8和气体流量控制阀门10的阀门即可观察到不同的流态及各种流态的演变过程，之后气液混合物流经弯管2进入缓冲筒3，缓冲筒3通过水管4与水箱5相连，这是液体进入水箱5被循环利用，而空气则直接进入大气，从实现气液分离。

Claims (4)

1.一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，其特征在于，包括观察筒(1)、弯管(2)、缓冲筒(3)、水管(4)、水箱(5)、水泵(6)、液体加压装置(7)、液体流量控制阀门(8)、气液混合装置(9)、气体流量控制阀门(10)、气罐(11)、气体加压装置(12)、空压机(13)、过度管(15)；
所述气液混合装置(9)左右两端分别具有出口、进气口，顶部具有进液口，所述气液混合装置(9)的进液口、液体流量控制阀门(8)、液体加压装置(7)、水泵(6)、水箱(5)依次连接；
所述气液混合装置(9)的进气口、气体流量控制阀门(10)、气罐(11)、气体加压装置(12)、空压机(13)依次连接，气罐(11)与气体加压装置(12)之间还设有阀门；
所述过度管(15)具有大径端和小径端，小径端与气液混合装置(9)的出口连接，大径端与观察筒(1)下端连接；
所述弯管(2)一端与观察筒(1)上端连接，另一端与缓冲筒(3)上端连接；
所述水管(4)一端安装在缓冲筒(3)底端上，且与缓冲筒(3)内腔相通，另一端位于水箱(5)内。
2.根据权利要求1所述的一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，其特征在于，所述气液混合装置(9)的进液口与液体流量控制阀门(8)之间设有液体单流阀(16)，所述气液混合装置(9)的进气口与气体流量控制阀门(10)之间设有气体单流阀(17)。
3.根据权利要求2所述的一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，其特征在于，所述气罐(11)顶部设有安全阀(14)。
4.根据权利要求3所述的一种垂直管气液两相流流型演示实验装置，其特征在于，所述气罐(11)顶部、液体流量控制阀门(8)与液体单流阀(16)之间和气体流量控制阀门(10)与气体单流阀(17)之间均设有压力表(18)。
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