CN109781176A - 危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置及测试方法，包括闪蒸喷雾发生系统、集成控制系统和测试系统四个主要部分。闪蒸喷雾发生系统中，高压氮气瓶与工质储罐上部的气相进口连通；工质储罐下部的液相出口与控温控压腔上盖中心连通；控温控压腔底面中心处与电磁阀入口直接相连；电磁阀出口连接喷嘴；集成控制系统由外部接线与其他系统中设备连接，硬件整合于集成控制箱中。装置通过设计程序控制，经由集成控制系统实现闪蒸发生系统中各参数的精确调节和同步采集，以及测试系统各设备对雾场参数的同步测量，并通过安全辅助系统确保装置安全稳定的运行，实现对多种危险介质的研究。

Description

危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置及测试方法

技术领域

本发明属于喷雾研究领域，具体涉及一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置及测试方法。

背景技术

在石油化工与核工等过程工业中，由于比体积小、储存和运输占用空间较小，原料和产品多以高压液体和液化气体的形式进行储存和运输。高压、振动、载荷变化、电化学反应及自身缺陷、介质条件等原因的作用会引起容器及管道材料的疲劳和腐蚀，造成压力容器的失效，从而使得高压液体或者液化气体形成闪蒸喷雾，发生严重的泄漏性事故。

在容器或管道内与环境之间的巨大压差作用下，内部储存的介质会从破裂处剧烈喷出，喷出的液体快速失压，从原本正常存储时的过冷稳定状态转变为极不稳定的过热状态。过热液体来不及通过液相表面蒸发来释放过热度，剧烈的形核相变过程快速发生于液体内部和表面，喷出的大液团迅速破碎分散成大量细小液滴，整个泄漏以这种剧烈的、非受控的闪蒸喷雾的形式发生。

由于泄漏中大量液滴和液体沉积形成液池，并持续蒸发，泄漏处将有大量气、液两相工质积聚。多数工业中所用工质都具有易燃易爆或有毒有害等特性，如不能妥善处理泄漏性事故，极易发生燃爆、中毒以及环境污染等二次事故，对工业生产、人身安全与自然环境造成严重危害。因而，掌握这类泄漏性事故形成的闪蒸喷雾气液两相行为规律对于灾害的控制、评估与防治具有重要指导作用。

由于泄漏性事故危险性极高，难以实现与工业实际相比拟的大规模实验研究，因此有必要开展小规模的模拟实验研究，搭建小型泄漏性事故模拟实验台。目前，闪蒸喷雾的实验研究集中于透明石英喷嘴外雾场特性和接触表面传热特性两方面，现有的实验装置无法观测透明石英喷嘴管内的流动特性，且无法对管内两相流和管外雾场进行同步观测。另一方面，闪蒸喷雾的实验研究中液体初始参数的精确控制是关键，现有的实验装置通常是在远离透明石英喷嘴入口的设备中(比如恒温水箱、低温恒温槽等)来调控初始温度，而流动时管路散热或者局部气化势必就导致闪蒸瞬态喷雾条件下透明石英喷嘴入口初始温度与调控段温度相差甚远，并且无法保障对瞬态喷雾参数控制与测量(入口压力、温度，雾场液滴温度、粒径、速度，高速可视化拍摄等)的同步性。

发明内容

本发明目的在于提供一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置及测试方法，用于对泄漏性事故的模拟实验研究，解决上述问题。本发明能够在较大工况范围内对工质的初始参数进行控制，实现对过热度与喷雾压力的精确独立调节，且能够实现对管内流动特性与管外雾场中多种特性参数的同步测量，同时针对不同的危险介质，能够确保实验的安全性，且具有集成度高、运行稳定、易操作的特点。

为了实现上述目的，本文采用如下技术方案：

一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，包括闪蒸喷雾发生系统、集成控制系统和测试系统；

所述的闪蒸喷雾发生系统包括氮气瓶、工质储罐、控温控压腔和喷嘴，氮气瓶与工质储罐上部的气相进口连通；工质储罐下部液相出口与控温控压腔上盖中心连通；控温控压腔底面通过设置电磁阀与喷嘴连接；

所述的测试系统包括摄像机和光源，摄像机和光源相对设置；

所述的集成控制系统包括集成控制箱和电脑，电脑通过集成控制箱与测试系统连接。

所述的工质储罐上部留有气相和液相两个进口，同时装有超压泄压阀与数显压力传感器；上部气相进口通过耐压不锈钢管、球阀、减压阀、手动阀与高压氮气瓶连通；上部液相进口与球阀连通；下部液相出口通过耐压不锈钢管、球阀与控温控压腔上盖三通连通。

还包括雾场特性实验研究段设备，雾场特性实验研究段设备包括温度探针和PDPA，温度探针与集成控制箱电连接，PDPA与电脑连接；两个PDPA成夹角设置，且两个PDPA和温度探针设置在喷嘴下方。

所述的控温控压腔上盖通过三通连有压力传感器；上盖周边四孔内安装电加热管，底面侧孔安装热电阻，底部中心与电磁阀入口联通，电磁阀出口通过四通与压力传感器和热电偶连通，喷嘴与四通的底部接口相连。

所述的压力传感器、电加热管、热电阻、电磁阀、压力传感器和热电偶均与集成控制箱连接。

所述的集成控制箱包括数据采集板卡、触发开关、数据采集板卡和控制机箱总开关，数据采集板卡用于连续输出触发信号，经由触发开关和外部接线同步控制电磁阀的开闭和高速摄像机的拍摄开启，并用于触发同步采集喷嘴入口段热电偶、压力传感器和温度探针的电压信号；数据采集板卡用于持续采集控温控压腔中热电阻与压力传感器的电压信号，并根据热电阻测得的控温控压腔过程温度与目标设定温度，由PID算法通过数据采集板卡控制电加热管，调整控温控压腔内液体的温度。

所述的喷嘴为透明石英喷嘴。

还包括安全辅助系统，所述的安全辅助系统包括三维电动平移台和透明隔离罩；控温控压腔置于三维电动平移台上，电磁阀与喷嘴均置于透明隔离罩内上部。

所述的透明隔离罩内下部安装有防爆风机，且透明隔离罩留有排风出口。

所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

工质储罐中的工质由氮气瓶的氮气加压、控温控压腔加热升温，高压高温的工质经喷嘴喷出进入常温常压环境时迅速失压，从原有的过冷稳定状态转变为亚稳定的过热状态，发生闪蒸现象，工质剧烈破碎雾化成细小液滴；

经由集成控制系统实现闪蒸发生系统中各参数的精确调节和同步采集，以及测试系统各设备对雾场参数的同步测量。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明设计的一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其核心技术特征是危险介质的闪蒸喷雾：工质由氮气加压、电加热管升温，高压高温的工质经透明石英喷嘴喷出进入常温常压环境时迅速失压，从原有的过冷稳定状态转变为亚稳定的过热状态，发生闪蒸现象，工质剧烈破碎雾化成细小液滴；全部过程在封闭且透明的隔离罩中发生，同时排风系统也可将隔离罩内的气体进行收集排空处理。此系统实现了对泄漏性事故中工质由破裂处喷出形成闪蒸喷雾现象的模拟，可同步对喷嘴管内流动特与管外雾场多种特性进行研究，同时保证了实验的安全性，符合适用于多种危险介质的要求。

进一步，本发明设计的控温控压腔，实现了对来流工质热力学状态的精确控制和调整。根据侧孔处安装的PT100热电阻监测温度，通过Labview程序对电加热管进行PID控制，可以保证腔体内温度与设定温度的稳态误差小于0.5℃；腔体与快速响应电磁阀直接连接，避免了管路连接造成的热量散失；腔体外部保温壳内填充保温材料，减少了加热过程中的热量损失；在透明石英喷嘴入口前对入口压力和温度进行再次测量，可以精确确定工质在进入透明石英喷嘴前所处的热力状态。

进一步，本发明设计的集成控制系统，整合了所有硬件部件于集成控制箱中，同时利用基于Labview平台编写的实验控制与数据采集软件，极大提高了系统的集成度，实现了对瞬态喷雾精确控制和测量的同步性，使得对整个控制系统的操作更加可靠、方便。

进一步，本发明设计的透明隔离罩及防爆风机，调高了实验的安全性。整个隔离罩及防爆风机为半封闭状态，使实验环境与外部相隔绝，外部扰动不会对喷雾过程和测量造成干扰；同时底部排风系统与大气相通，且隔离罩内部较大，喷雾过程不会明显改变内部的环境压力，有效避免喷雾背压变化对实验的影响；完成一次喷雾后，防爆风机将气体排空即可准备下次实验。

本发明的测试方法简单，参数控制精准、无外界环境干扰、集成度高、运行稳定、同步性高、安全性好，适用于多种危险介质的喷雾研究。

附图说明

图1为本发明一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置示意图；

图2为集成控制系统原理图；

图3为闪蒸喷雾可视化研究高速拍摄结果图；

图4为闪蒸喷雾液滴速度研究PDPA测量结果图。

具体实施方式

结合下列附图，通过实例对本发明进一步进行说明。

如图1和图2所示，本发明一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，包括闪蒸喷雾发生系统、集成控制系统、安全辅助系统、测试系统四个主要部分。

闪蒸喷雾发生系统包括高压氮气瓶1、工质储罐2、控温控压腔3、快速响应电磁阀5、透明石英喷嘴6；高压氮气瓶1与工质储罐2上部的气相进口连通；工质储罐2下部液相出口与控温控压腔3上盖中心连通；控温控压腔3底面中心处与快速响应电磁阀5入口直接相连；快速响应电磁阀5出口连接透明石英喷嘴6；控温控压腔3置于安全辅助系统中的三维电动平移台4上，与快速响应电磁阀5与透明石英喷嘴6均置于安全辅助系统中透明隔离罩14内上部；透明隔离罩14内下部安装有防爆风机11，且留有排风出口。

集成控制系统包括集成控制箱12和配合电脑13，硬件部件均整合于集成控制箱12中，同时基于Labview平台编写了相应的控制与数据采集软件程序，配合电脑13进行实验操作。

所述的测试系统包括摄像机8和光源9，可视化研究段设备有高速摄像机8和光源9，摄像机8和光源9相对设置。

还包括雾场特性实验研究段设备，雾场特性实验研究段设备包括温度探针7和PDPA10，温度探针7与集成控制箱12电连接，PDPA10与电脑13连接；两个PDPA10成135°夹角设置，且两个PDPA10和温度探针7设置在喷嘴(6)下方。温度探针7、PDPA10等均可穿过安全辅助系统中透明隔离罩14上部预留好的窗口进行操作和同步测量。

具体地，高压氮气瓶1通过手动阀a、减压阀b和球阀c2与工质储罐2上部的气相进口连通，在工质通过球阀c1从液相入口灌入后，通过观察数显压力传感器d对工质进行压力调节，超压泄放阀c3在压力超过设定值时自动开启泄压；工质储罐2下部的液相出口通过球阀e与控温控压腔3上盖的三通连通，为其输送工质，同时工质储罐2与控温控压腔3内压力保持一致，并与三通相连通过压力传感器i监测；控温控压腔3安装于三维电动平台4上，上盖周边四孔安装电加热管g，底面侧孔安装PT100热电阻h1对腔体内温度进行监测，获取温度参数后通过Labview程序对电加热管g进行PID控制，完成对工质初温的控制；控温控压腔3底部中心与快速响应电磁阀5入口连通，电磁阀5出口通过四通与压力传感器f、铠装热电偶h2和透明石英喷嘴6入口连通，可确定工质在透明石英喷嘴6入口处的热力状态。

如图2所示，本发明的集成控制系统包括集成控制箱12、电脑13以及相关线路，通过软件程序控制；根据实验需要设定预定的喷雾时长，数据采集板卡j1控制快速响应电磁阀5串联外部回路的开断，实现喷雾起止；数据采集板卡j1采集透明石英喷嘴6入口段四通接头处的铠装热电偶h2与压力传感器f以及温度探针7的电压信号，再将电压信号分别转换为温度与压力值；数据采集板卡j1输出触发信号，经由触发开关j3和外部接线同步控制喷雾的起止时间和高速摄像机8拍摄的开启，同时触发同步采集透明石英喷嘴6入口段温度和压力；数据采集板卡j2对PT100热电阻h1和与压力传感器i的电压信号实现连续采集并转换为温度与电压值，实现对控温控压腔3内温度与压力的实时在线监控，再根据目标设定温度，由PID算法通过数据采集板卡j1控制电加热管g串联的外部回路的开断，从而调整腔体内液体的温度；采用巴特沃斯低通滤波方式对采集的温度与压力信号进行滤波处理后在进行存储。

本发明的隔离罩与排风系统包括有机玻璃板加工制成的隔离罩14以及防爆风机11，使用铝合金架构，半封闭状态实验环境中包含控温控压腔3、三维电动平移台4、快速响应电磁阀5、透明石英喷嘴6等相关设备，其它实验设备如温度探针7、高速摄像机8、光源9以及PDPA 10等通过预留的窗口进行操作。

进一步的，高压氮气1瓶通过耐压不锈钢管、手动阀a、减压阀b和球阀c2与工质储罐2上部的气相进口连通，用于增加工质储罐2内压力，同时提供将工质灌入控温控压腔3所需压力。

进一步的，工质储罐2上部的接口还包括压力传感器d、液相入口及超压泄放阀c3；压力传感器d带数显表头，用于监测储罐内压力；液相入口上装有球阀c1，用于充装工质；超压泄放阀c3在压力超过设定值时自动开启泄压。

进一步的，控温控压腔3上盖中心开孔处通过三通分别与工质储罐2和压力传感器i连通，腔体内压力与工质储罐2保持一致并通过压力传感器i监测；上盖周边四个孔中安装电加热管g，用于加热工质；底面中心开孔处直接与快速响应电磁阀5入口相连，侧孔安装有PT100热电阻h1用于监测腔体内温度；外部包裹内填充保温材料的保温壳，用于减少加热过程中热量的损失。

进一步的，快速响应电磁阀出口5通过四通分别接有压力传感器f、铠装热电偶h2和透明石英喷嘴6；压力传感器用于测量透明石英喷嘴6入口压力，铠装热电偶用于测量透明石英喷嘴6入口温度，由此可以监测工质在透明石英喷嘴6入口处的热力状态。

所述集成控制系统包括集成控制箱、电脑与外部接线，基于Labview平台编写了相应软件程序进行控制；所述集成控制系统硬件主要包括两块数据采集板卡、开关电源SMPSDC36V、开关电源SMPS DC24V、线性直流电源LPS DC24V、直流恒流电源CCPS、固态继电器SSR、单相三级交流电源滤波器Filter等；根据实验需要设定预定的喷雾时长，数据采集板卡DAQ1模拟输出通道输出设定时长的5V电压信号，经由固态继电器SSR控制开关电源SMPSDC24V与快速响应电磁阀串联的外部回路的开断，实现快速响应电磁阀的开启与关闭；根据实验采集任务需要设定合适的采样率与采样时间，由数据采集板卡DAQ1采集透明石英喷嘴入口段四通接头处的铠装热电偶h2、压力传感器f与温度探针的电压信号，再将电压信号分别转换为温度与压力值；数据采集办卡DAQ1的Count通道输出连续的方波触发信号，经由触发开关和外部接线同步控制喷雾的起止时间和高速摄像机8拍摄的开启，同时触发同步采集透明石英喷嘴6入口段温度和压力；数据采集板卡DAQ2对Pt100热电阻h1与压力传感器i的电压信号实现连续采集并转换为温度与电压值，实现对控温控压腔3内温度与压力的实时在线监控。

进一步的，根据PT100热电阻h1测得的控温控压腔3过程温度(反馈温度)与目标设定温度，由PID算法通过数据采集板卡DAQ1的Count通道输出不同占空比的5V方波信号，经由固态继电器SSR1控制开关电源SMPS DC36V与四个电加热管串联的外部回路的开断，从而调整腔体内液体的温度。

进一步的，所述集成系统采用巴特沃斯低通滤波方式对采集的温度与压力信号进行滤波处理后在进行存储。

所述测试系统包括可视化研究段和雾场特性实验研究段；所述可视化研究段中可用主要仪器包括高速摄像机、高亮度LED光源、激光片光源，用于观测不同影响因素作用下喷雾形态学特征的变化；所述雾场特性实验研究段主要用于闪蒸喷雾动力学特征和热力学特征的测量研究，可用的测量仪器主要包括PDPA、温度探针：相位多普勒激光粒子分析仪(PDPA)用于液滴粒径和速度分布等雾场动力学特征的测量；微细热电偶用于雾场热特征的测量。

所述安全辅助系统包括三维电动平移台4、透明隔离罩14以及防爆风机11；三维移动平台14用于精确控制喷雾的具体位置，控温控压腔3安装于此之上；透明隔离罩14内包含有控温控压腔3、快速响应电磁阀5和透明石英喷嘴6等发生装置，同时测试系统仪器可通过预留好的窗口对闪蒸喷雾进行观察与测量；防爆风机11将透明隔离罩内的气体进行收集，通过排风出口进行排空处理。

本发明还提供了一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置的测试方法，包括以下步骤：

工质储罐2中的工质由氮气瓶1的氮气加压、控温控压腔3加热升温，高压高温的工质经喷嘴6喷出进入常温常压环境时迅速失压，从原有的过冷稳定状态转变为亚稳定的过热状态，发生闪蒸现象，工质剧烈破碎雾化成细小液滴；

经由集成控制系统实现闪蒸发生系统中各参数的精确调节和同步采集，以及测试系统各设备对雾场参数的同步测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，包括闪蒸喷雾发生系统、集成控制系统和测试系统；

所述的闪蒸喷雾发生系统包括氮气瓶(1)、工质储罐(2)、控温控压腔(3)和喷嘴(6)，氮气瓶(1)与工质储罐(2)上部的气相进口连通；工质储罐(2)下部液相出口与控温控压腔(3)上盖中心连通；控温控压腔(3)底面通过设置电磁阀(5)与喷嘴(6)连接；

所述的测试系统包括摄像机(8)和光源(9)，摄像机(8)和光源(9)相对设置；

所述的集成控制系统包括集成控制箱(12)和电脑(13)，电脑(13)通过集成控制箱(12)与测试系统连接。

2.根据权利要求1所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的工质储罐(2)上部留有气相和液相两个进口，同时装有超压泄压阀(c3)与数显压力传感器(d)；上部气相进口通过耐压不锈钢管、球阀(c2)、减压阀(b)、手动阀(a)与高压氮气瓶(1)连通；上部液相进口与球阀(c1)连通；下部液相出口通过耐压不锈钢管、球阀(e)与控温控压腔(3)上盖三通连通。

3.根据权利要求1所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，还包括雾场特性实验研究段设备，雾场特性实验研究段设备包括温度探针(7)和PDPA(10)，温度探针(7)与集成控制箱(12)电连接，PDPA(10)与电脑(13)连接；两个PDPA(10)成夹角设置，且两个PDPA(10)和温度探针(7)设置在喷嘴(6)下方。

4.根据权利要求1所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的控温控压腔(3)上盖通过三通连有压力传感器(i)；上盖周边四孔内安装电加热管(g)，底面侧孔安装热电阻(h1)，底部中心与电磁阀(5)入口联通，电磁阀(5)出口通过四通与压力传感器(f)和热电偶(h2)连通，喷嘴(6)与四通的底部接口相连。

5.根据权利要求4所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的压力传感器(i)、电加热管(g)、热电阻(h1)、电磁阀(5)、压力传感器(f)和热电偶(h2)均与集成控制箱(12)连接。

6.根据权利要求5所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的集成控制箱(12)包括数据采集板卡(j1)、触发开关(j3)、数据采集板卡(j2)和控制机箱总开关(j4)，数据采集板卡(j1)用于连续输出触发信号，经由触发开关(j3)和外部接线同步控制电磁阀(5)的开闭和高速摄像机(8)的拍摄开启，并用于触发同步采集喷嘴(6)入口段热电偶(h2)、压力传感器(f)和温度探针(7)的电压信号；数据采集板卡(j2)用于持续采集控温控压腔(3)中热电阻(h1)与压力传感器(i)的电压信号，并根据热电阻(h1)测得的控温控压腔(3)过程温度与目标设定温度，由PID算法通过数据采集板卡(j1)控制电加热管(g)，调整控温控压腔(3)内液体的温度。

7.根据权利要求1所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的喷嘴(6)为透明石英喷嘴。

8.根据权利要求1所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，还包括安全辅助系统，所述的安全辅助系统包括三维电动平移台(4)和透明隔离罩(14)；控温控压腔(3)置于三维电动平移台(4)上，电磁阀(5)与喷嘴(6)均置于透明隔离罩(14)内上部。

9.根据权利要求8所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置，其特征在于，所述的透明隔离罩(14)内下部安装有防爆风机(11)，且透明隔离罩(14)留有排风出口。

10.权利要求1至9任意一项所述的危险介质闪蒸喷雾两相流与雾化发生装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

工质储罐(2)中的工质由氮气瓶(1)的氮气加压、控温控压腔(3)加热升温，高压高温的工质经喷嘴(6)喷出进入常温常压环境时迅速失压，从原有的过冷稳定状态转变为亚稳定的过热状态，发生闪蒸现象，工质剧烈破碎雾化成细小液滴；

经由集成控制系统实现闪蒸发生系统中各参数的精确调节和同步采集，以及测试系统各设备对雾场参数的同步测量。