CN110186833B - 相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置及方法，该装置包括计算机、PIV粒子成像仪、隔热透明箱、高压测试管；该方法包括步骤：一、控制缓冲罐内压；二、填充液态CO2；三、液态CO2升温；四、获取CO2液态向气态相变渗流粒子图像；五、CO2回收；六、获取温度变化CO2液态向气态相变的渗流参数；七、获取温压变化CO2液态向气态相变的渗流参数；八、填充汽液混合态CO2；九、气态CO2降温；十、获取CO2气态向液态相变的渗流的粒子图像；十一、CO2回收；十二、获取温度变化CO2气态向液态相变的渗流参数；十三、获取温压变化CO2气态向液态相变的渗流参数。本发明能测试单一因素下CO2相变渗流参数，获取相变动力、潜热对松散煤体内CO2渗流的影响机制。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳渗流技术领域，具体涉及一种相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置及方法。
背景技术
松散煤体环境下的液态二氧化碳，由于高压环境消失，必然发生瞬间的液-气相变，伴随着气化过程，二氧化碳在体积迅速膨胀的同时释放相变潜热，导致其具有驱氧和降温的双重特性，能够对煤自燃灾害进行针对性治理。但由于对松散煤体环境下液态二氧化碳相变特征及相态分布规律、相变驱动下液态二氧化碳的渗流机制缺乏装置研究，导致目前松散煤体内液态二氧化碳的热质传递规律不明，使得液态二氧化碳防灭火技术的推广应用受到限制。因此，应首先研究考虑相变单一因素影响下松散煤体内二氧化碳渗流特性，其研究成果的突破是揭示其相变、渗流、传质传热规律等一系列问题的基础。
液态二氧化碳在温压环境改变时，瞬间发生相变。目前关于大气中二氧化碳的相变逸散行为和原始地层结构中二氧化碳的相变运移规律进行了研究。但就渗流环境而言，其应力状态、渗流通道及渗流阻力均与松散介质存在本质的不同，这就导致了相关的成果和结论并不具有共享性。同时，已有的表征松散煤体内流体渗流特性的模型均是基于松散介质环境下速率与压力梯度间的关系建立的，其核心是外部压差。但液态二氧化碳相变诱导下的渗流行为，其核心动力是内部的温度梯度和相变动力，在这个方面，目前仍没有理论模型对其内部流动状况做出准确的解释。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其设计新颖合理，能够测量不同位置、不同压力、不同温度下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数，还能测量不同位置、不同压力、不同温度下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，获取相变动力、潜热对松散煤体内二氧化碳渗流规律的影响机制，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：包括隔热透明箱和设置在隔热透明箱内的高压测试管，隔热透明箱的内腔通过两个沿高压测试管长度方向依次设置的隔热分隔板分隔成三个腔室，高压测试管依次穿过两个隔热分隔板设置在隔热透明箱内，每个所述腔室内设置有控温介质，控温介质通过加热制冷循环器控制温度，高压测试管的输入端设置有注入过渡腔室，注入过渡腔室经注入管路与设置在隔热透明箱旁侧的缓冲罐连通，缓冲罐通过气相输送管路与二氧化碳储罐的气相输出端连接，缓冲罐通过液相输送管路与二氧化碳储罐的液相输出端连接，注入管路上安装有温度变送器、注入阀门和压力变送器，高压测试管的输出端设置有排出过渡腔室，排出过渡腔室与排出管路连通，排出管路上安装有释放阀门，注入过渡腔室和排出过渡腔室均位于隔热透明箱内，高压测试管内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有温度传感器，隔热透明箱上位于第一个腔室外的箱体上、位于第二个腔室外的箱体上和位于第三个腔室外的箱体上均安装有显示器，注入过渡腔室内、排出过渡腔室内以及高压测试管内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有压力传感器，缓冲罐内设置有游离态的标记玻璃微珠，松散煤体设置在高压测试管内，隔热透明箱外侧设置有用于采集高压测试管内二氧化碳渗流图像的PIV粒子成像仪；
温度变送器、压力变送器、温度传感器和PIV粒子成像仪的信号输出端均与计算机的信号输入端连接，注入阀门、释放阀门、加热制冷循环器和显示器均由计算机控制。
上述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述缓冲罐上安装有排空阀和压力表。
上述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：多个所述压力传感器均与压力数据采集卡连接，所述压力数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
上述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述高压测试管与注入过渡腔室连接位置、高压测试管与排出过渡腔室连接位置均设置有纱网。
上述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述标记玻璃微珠为Al2O3空心玻璃微珠。
上述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述排出管路远离排出过渡腔室的一端与气体回收设备连接。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可测试二氧化碳在单一变量下的相变对渗流的影响的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、控制缓冲罐内压：预先在高压测试管内设置松散煤体、在缓冲罐内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门，通过二氧化碳储罐的液相输出端和气相输出端向缓冲罐内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐内压，使其达到第一指定压力；
步骤二、高压测试管内填充液态二氧化碳：利用缓冲罐与高压测试管之间的压差，使缓冲罐内的液态二氧化碳流入高压测试管内，同时三个加热制冷循环器控制三个腔室内控温介质恒温，使其流入高压测试管内的二氧化碳保持为液态，直至高压测试管内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门，利用温度变送器和压力变送器实时采集注入管路内的温度和压力，利用温度传感器和压力数据采集卡实时采集位于隔热透明箱内的二氧化碳的温度和压力；
步骤三、液态二氧化碳升温：控制任一加热制冷循环器，使该加热制冷循环器对其对应的控温介质进行升温，且升至第一指定温度，驱使高压测试管中对应的管段内的液态二氧化碳相变；
步骤四、获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪追踪高压测试管内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质升至第一指定温度下，松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤五、二氧化碳回收：打开释放阀门，驱使液态二氧化碳向气态二氧化碳相变，排出管路远离排出过渡腔室的一端连接有气体回收设备，利用气体回收设备对高压测试管内的二氧化碳进行回收；
步骤六、更换高压测试管，更新设置步骤三中第一指定温度数值，重复步骤一至步骤五，获取不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤七、多次循环步骤一至步骤六，更新设置步骤一中第一指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤八、高压测试管内填充汽液混合态二氧化碳：预先在高压测试管内设置松散煤体、在缓冲罐内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门，通过二氧化碳储罐的液相输出端和气相输出端向缓冲罐内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐内压，使其达到第二指定压力；利用缓冲罐与高压测试管之间的压差，使缓冲罐内的液态二氧化碳和气态二氧化碳先后流入高压测试管内，同时三个加热制冷循环器控制三个腔室内控温介质恒温，使其流入高压测试管内的二氧化碳保持为汽液混合态，直至高压测试管内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门，利用温度变送器和压力变送器实时采集注入管路内的温度和压力，利用温度传感器和压力数据采集卡实时采集位于隔热透明箱内的二氧化碳的温度和压力；
步骤九、气态二氧化碳降温：控制任一加热制冷循环器，使该加热制冷循环器对其对应的控温介质进行降温，且降至第二指定温度，驱使高压测试管中对应的管段内的气态二氧化碳相变；
步骤十、获取松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪追踪高压测试管内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质降至第二指定温度下，松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤十一、二氧化碳回收：过程与步骤五相同；
步骤十二、更换高压测试管，更新设置步骤九中第二指定温度数值，重复步骤八至步骤十一，获取不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤十三、多次循环步骤八至步骤十二，更新设置步骤八中第二指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数。
上述的方法，其特征在于：步骤二中所述控温介质的温度不高于-56.6℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的装置，通过设置隔热分隔板，一方面对隔热透明箱进行分隔，便于后期对不同位置的高压测试管进行分别试验，获取不同位置下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数、以及不同位置下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数；另一方面可对高压测试管进行支撑，使高压测试管架设在隔热透明箱中部，便于控温介质对高压测试管全方位的温度调节，减少外界环境因素对测试工作的影响。
2、本发明采用的装置，通过设置缓冲罐调节液态二氧化碳或气态二氧化碳的输出压力，通过液态二氧化碳向气态二氧化碳相变，自动调压，避免加入外部设备控制二氧化碳输出压力，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明采用的装置，通过设置三个加热制冷循环器，分别对隔热透明箱不同位置的控温介质进行调温，实现不同位置的二氧化碳的相变控制，且加热制冷循环器温度控制精确，可见二氧化碳瞬间相变过程放慢，获取二氧化碳瞬间相变的“慢动作”进行，通过PIV粒子成像仪获取“慢动作”状态下二氧化碳相变，并通过注入阀门和释放阀门的配合实验密闭空间中二氧化碳的相变，不受外界其他因素的影响，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，解决实际二氧化碳灭火难以测试控制灭火效果的难题。
4、本发明采用的装置，隔热透明箱、控温介质和高压测试管均为透明状，便于PIV粒子成像仪捕获高压测试管内相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流现象，进而获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变、或气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释，可靠稳定，使用效果好。
5、本发明采用的方法，步骤简单，通过控制缓冲罐内压达到调节二氧化碳的输出压力，并填充高压测试管，对于液态二氧化碳向气态二氧化碳的相变，对液态二氧化碳升温，获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流的粒子图像；对于气态二氧化碳向液态二氧化碳的相变，对气态二氧化碳降温，获取松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流的粒子图像，每一次测试均托通过气体回收设备对高压测试管内的二氧化碳进行回收，绿色环保，重复利用，节约投入成本，能够测量不同位置、不同压力、不同温度下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数，还能测量不同位置、不同压力、不同温度下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，获取相变动力、潜热对松散煤体内二氧化碳渗流规律的影响机制，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，能够测量不同位置、不同压力、不同温度下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数，还能测量不同位置、不同压力、不同温度下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，获取相变动力、潜热对松散煤体内二氧化碳渗流规律的影响机制，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构连接示意图。
图2为本发明测量装置的电路原理框图。
图3为本发明方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—二氧化碳储罐； 2—液相输出端； 3—气相输出端；
4—气相输送管路； 5—液相输送管路； 6—排空阀；
7—压力表； 8—缓冲罐； 9—注入管路；
10—温度变送器； 11—注入阀门； 12—压力变送器；
13—压力数据采集卡； 14—注入过渡腔室； 15—释放阀门；
16—隔热透明箱； 17—控温介质； 18—加热制冷循环器；
19—温度传感器； 20—隔热分隔板； 21—高压测试管；
22—排出管路； 23—纱网； 24—排出过渡腔室；
25—显示器； 26—PIV粒子成像仪； 27—计算机；
28—压力传感器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，包括隔热透明箱16和设置在隔热透明箱16内的高压测试管21，隔热透明箱16的内腔通过两个沿高压测试管21长度方向依次设置的隔热分隔板20分隔成三个腔室，高压测试管21依次穿过两个隔热分隔板20设置在隔热透明箱16内，每个所述腔室内设置有控温介质17，控温介质17通过加热制冷循环器18控制温度，高压测试管21的输入端设置有注入过渡腔室14，注入过渡腔室14经注入管路9与设置在隔热透明箱16旁侧的缓冲罐8连通，缓冲罐8通过气相输送管路4与二氧化碳储罐1的气相输出端3连接，缓冲罐8通过液相输送管路5与二氧化碳储罐1的液相输出端2连接，注入管路9上安装有温度变送器10、注入阀门11和压力变送器12，高压测试管21的输出端设置有排出过渡腔室24，排出过渡腔室24与排出管路22连通，排出管路22上安装有释放阀门15，注入过渡腔室14和排出过渡腔室24均位于隔热透明箱16内，高压测试管21内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有温度传感器19，隔热透明箱16上位于第一个腔室外的箱体上、位于第二个腔室外的箱体上和位于第三个腔室外的箱体上均安装有显示器25，注入过渡腔室14内、排出过渡腔室24内以及高压测试管21内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有压力传感器28，缓冲罐8内设置有游离态的标记玻璃微珠，松散煤体设置在高压测试管21内，隔热透明箱16外侧设置有用于采集高压测试管21内二氧化碳渗流图像的PIV粒子成像仪26；
温度变送器10、压力变送器12、温度传感器19和PIV粒子成像仪26的信号输出端均与计算机27的信号输入端连接，注入阀门11、释放阀门15、加热制冷循环器18和显示器25均由计算机27控制。
需要说明的是，通过设置隔热分隔板20，一方面对隔热透明箱16进行分隔，便于后期对不同位置的高压测试管21进行分别试验，获取不同位置下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数、以及不同位置下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数；另一方面可对高压测试管21进行支撑，使高压测试管21架设在隔热透明箱16中部，便于控温介质17对高压测试管21全方位的温度调节，减少外界环境因素对测试工作的影响；通过设置缓冲罐8调节液态二氧化碳或气态二氧化碳的输出压力，通过液态二氧化碳向气态二氧化碳相变，自动调压，避免加入外部设备控制二氧化碳输出压力，可靠稳定；通过设置三个加热制冷循环器18，分别对隔热透明箱16不同位置的控温介质17进行调温，实现不同位置的二氧化碳的相变控制，且加热制冷循环器18温度控制精确，可见二氧化碳瞬间相变过程放慢，获取二氧化碳瞬间相变的“慢动作”进行，通过PIV粒子成像仪26获取“慢动作”状态下二氧化碳相变，并通过注入阀门11和释放阀门15的配合实验密闭空间中二氧化碳的相变，不受外界其他因素的影响，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，解决实际二氧化碳灭火难以测试控制灭火效果的难题；隔热透明箱16、控温介质17和高压测试管21均为透明状，便于PIV粒子成像仪26捕获高压测试管21内相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流现象，进而获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变、或气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释。
本实施例中，所述缓冲罐8上安装有排空阀6和压力表7。
需要说明的是，缓冲罐8上安装压力表7的目的是观察缓冲罐8内压力数据，缓冲罐8上安装排空阀6的目的是快速降低缓冲罐8内压力，实际使用时，排空阀6工作时，缓冲罐8上的排空管与气体回收管连通，避免将二氧化碳排放至空气中。
本实施例中，多个所述压力传感器28均与压力数据采集卡13连接，所述压力数据采集卡13的信号输出端与计算机27的信号输入端连接。
本实施例中，所述高压测试管21与注入过渡腔室14连接位置、高压测试管21与排出过渡腔室24连接位置均设置有纱网23。
需要说明的是，高压测试管21与注入过渡腔室14连接位置、高压测试管21与排出过渡腔室24连接位置均设置纱网23的目的是避免二氧化碳发生相变时，松散煤体的流动导致注入管路9或排出管路22堵塞。
本实施例中，所述标记玻璃微珠为Al2O3空心玻璃微珠。
需要说明的是，标记玻璃微珠采用Al2O3空心玻璃微珠，便于PIV粒子成像仪26成像追踪二氧化碳渗流范围和不同位置的渗流速度，实际使用时，标记玻璃微珠均匀的散布在缓冲罐8内，且液态二氧化碳流动时，标记玻璃微珠均匀的散布在液态二氧化碳所在区域内。
本实施例中，所述排出管路22远离排出过渡腔室24的一端与气体回收设备连接。
如图3所示的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量的方法，包括以下步骤：
步骤一、控制缓冲罐内压：预先在高压测试管21内设置松散煤体、在缓冲罐8内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门15，通过二氧化碳储罐1的液相输出端2和气相输出端3向缓冲罐8内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐8内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐8内压，使其达到第一指定压力；
步骤二、高压测试管内填充液态二氧化碳：利用缓冲罐8与高压测试管21之间的压差，使缓冲罐8内的液态二氧化碳流入高压测试管21内，同时三个加热制冷循环器18控制三个腔室内控温介质17恒温，使其流入高压测试管21内的二氧化碳保持为液态，直至高压测试管21内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门11，利用温度变送器10和压力变送器12实时采集注入管路9内的温度和压力，利用温度传感器19和压力数据采集卡13实时采集位于隔热透明箱16内的二氧化碳的温度和压力；
本实施例中，步骤二中所述控温介质的温度不高于-56.6℃。
需要说明的是，-56.6℃是二氧化碳的固、液、气三态相变的转折点，所述控温介质的温度不高于-56.6℃的目的是保证二氧化碳非气态。
步骤三、液态二氧化碳升温：控制任一加热制冷循环器18，使该加热制冷循环器18对其对应的控温介质17进行升温，且升至第一指定温度，驱使高压测试管21中对应的管段内的液态二氧化碳相变；
步骤四、获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪26追踪高压测试管21内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质17升至第一指定温度下，松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤五、二氧化碳回收：打开释放阀门15，驱使液态二氧化碳向气态二氧化碳相变，排出管路22远离排出过渡腔室24的一端连接有气体回收设备，利用气体回收设备对高压测试管21内的二氧化碳进行回收；
步骤六、更换高压测试管21，更新设置步骤三中第一指定温度数值，重复步骤一至步骤五，获取不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤七、多次循环步骤一至步骤六，更新设置步骤一中第一指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤八、高压测试管内填充汽液混合态二氧化碳：预先在高压测试管21内设置松散煤体、在缓冲罐8内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门15，通过二氧化碳储罐1的液相输出端2和气相输出端3向缓冲罐8内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐8内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐8内压，使其达到第二指定压力；利用缓冲罐8与高压测试管21之间的压差，使缓冲罐8内的液态二氧化碳和气态二氧化碳先后流入高压测试管21内，同时三个加热制冷循环器18控制三个腔室内控温介质17恒温，使其流入高压测试管21内的二氧化碳保持为汽液混合态，直至高压测试管21内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门11，利用温度变送器10和压力变送器12实时采集注入管路9内的温度和压力，利用温度传感器19和压力数据采集卡13实时采集位于隔热透明箱16内的二氧化碳的温度和压力；
步骤九、气态二氧化碳降温：控制任一加热制冷循环器18，使该加热制冷循环器18对其对应的控温介质17进行降温，且降至第二指定温度，驱使高压测试管21中对应的管段内的气态二氧化碳相变；
步骤十、获取松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪26追踪高压测试管21内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质17降至第二指定温度下，松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤十一、二氧化碳回收：过程与步骤五相同；
步骤十二、更换高压测试管21，更新设置步骤九中第二指定温度数值，重复步骤八至步骤十一，获取不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤十三、多次循环步骤八至步骤十二，更新设置步骤八中第二指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数。
本发明使用时，步骤简单，通过控制缓冲罐内压达到调节二氧化碳的输出压力，并填充高压测试管，对于液态二氧化碳向气态二氧化碳的相变，对液态二氧化碳升温，获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流的粒子图像；对于气态二氧化碳向液态二氧化碳的相变，对气态二氧化碳降温，获取松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流的粒子图像，每一次测试均托通过气体回收设备对高压测试管内的二氧化碳进行回收，绿色环保，重复利用，节约投入成本，能够测量不同位置、不同压力、不同温度下液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数，还能测量不同位置、不同压力、不同温度下气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数，能测试单一因素下二氧化碳相变渗流参数，获取相变动力、潜热对松散煤体内二氧化碳渗流规律的影响机制，为相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流提供有利、准确的解释。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：包括隔热透明箱(16)和设置在隔热透明箱(16)内的高压测试管(21)，隔热透明箱(16)的内腔通过两个沿高压测试管(21)长度方向依次设置的隔热分隔板(20)分隔成三个腔室，高压测试管(21)依次穿过两个隔热分隔板(20)设置在隔热透明箱(16)内，每个所述腔室内设置有控温介质(17)，控温介质(17)通过加热制冷循环器(18)控制温度，高压测试管(21)的输入端设置有注入过渡腔室(14)，注入过渡腔室(14)经注入管路(9)与设置在隔热透明箱(16)旁侧的缓冲罐(8)连通，缓冲罐(8)通过气相输送管路(4)与二氧化碳储罐(1)的气相输出端(3)连接，缓冲罐(8)通过液相输送管路(5)与二氧化碳储罐(1)的液相输出端(2)连接，注入管路(9)上安装有温度变送器(10)、注入阀门(11)和压力变送器(12)，高压测试管(21)的输出端设置有排出过渡腔室(24)，排出过渡腔室(24)与排出管路(22)连通，排出管路(22)上安装有释放阀门(15)，注入过渡腔室(14)和排出过渡腔室(24)均位于隔热透明箱(16)内，高压测试管(21)内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有温度传感器(19)，隔热透明箱(16)上位于第一个腔室外的箱体上、位于第二个腔室外的箱体上和位于第三个腔室外的箱体上均安装有显示器(25)，注入过渡腔室(14)内、排出过渡腔室(24)内以及高压测试管(21)内位于第一个腔室内的管段内、位于第二个腔室内的管段内和位于第三个腔室内的管段内均设置有压力传感器(28)，缓冲罐(8)内设置有游离态的标记玻璃微珠，松散煤体设置在高压测试管(21)内，隔热透明箱(16)外侧设置有用于采集高压测试管(21)内二氧化碳渗流图像的PIV粒子成像仪(26)；
温度变送器(10)、压力变送器(12)、温度传感器(19)和PIV粒子成像仪(26)的信号输出端均与计算机(27)的信号输入端连接，注入阀门(11)、释放阀门(15)、加热制冷循环器(18)和显示器(25)均由计算机(27)控制。
2.按照权利要求1所述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述缓冲罐(8)上安装有排空阀(6)和压力表(7)。
3.按照权利要求1所述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：多个所述压力传感器(28)均与压力数据采集卡(13)连接，所述压力数据采集卡(13)的信号输出端与计算机(27)的信号输入端连接。
4.按照权利要求1所述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述高压测试管(21)与注入过渡腔室(14)连接位置、高压测试管(21)与排出过渡腔室(24)连接位置均设置有纱网(23)。
5.按照权利要求1所述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述标记玻璃微珠为Al2O3空心玻璃微珠。
6.按照权利要求1所述的相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量装置，其特征在于：所述排出管路(22)远离排出过渡腔室(24)的一端与气体回收设备连接。
7.一种利用如权利要求1所述装置进行相变作用下松散煤体内二氧化碳渗流测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、控制缓冲罐内压：预先在高压测试管(21)内设置松散煤体、在缓冲罐(8)内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门(15)，通过二氧化碳储罐(1)的液相输出端(2)和气相输出端(3)向缓冲罐(8)内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐(8)内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐(8)内压，使其达到第一指定压力；
步骤二、高压测试管内填充液态二氧化碳：利用缓冲罐(8)与高压测试管(21)之间的压差，使缓冲罐(8)内的液态二氧化碳流入高压测试管(21)内，同时三个加热制冷循环器(18)控制三个腔室内控温介质(17)恒温，使其流入高压测试管(21)内的二氧化碳保持为液态，直至高压测试管(21)内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门(11)，利用温度变送器(10)和压力变送器(12)实时采集注入管路(9)内的温度和压力，利用温度传感器(19)和压力数据采集卡(13)实时采集位于隔热透明箱(16)内的二氧化碳的温度和压力；
步骤三、液态二氧化碳升温：控制任一加热制冷循环器(18)，使该加热制冷循环器(18)对其对应的控温介质(17)进行升温，且升至第一指定温度，驱使高压测试管(21)中对应的管段内的液态二氧化碳相变；
步骤四、获取松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪(26)追踪高压测试管(21)内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质(17)升至第一指定温度下，松散煤体内液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤五、二氧化碳回收：打开释放阀门(15)，驱使液态二氧化碳向气态二氧化碳相变，排出管路(22)远离排出过渡腔室(24)的一端连接有气体回收设备，利用气体回收设备对高压测试管(21)内的二氧化碳进行回收；
步骤六、更换高压测试管(21)，更新设置步骤三中第一指定温度数值，重复步骤一至步骤五，获取不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤七、多次循环步骤一至步骤六，更新设置步骤一中第一指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，液态二氧化碳向气态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤八、高压测试管内填充汽液混合态二氧化碳：预先在高压测试管(21)内设置松散煤体、在缓冲罐(8)内设置标记玻璃微珠、并关闭释放阀门(15)，通过二氧化碳储罐(1)的液相输出端(2)和气相输出端(3)向缓冲罐(8)内输送液态二氧化碳和气态二氧化碳，控制缓冲罐(8)内液态二氧化碳汽化，进而控制缓冲罐(8)内压，使其达到第二指定压力；利用缓冲罐(8)与高压测试管(21)之间的压差，使缓冲罐(8)内的液态二氧化碳和气态二氧化碳先后流入高压测试管(21)内，同时三个加热制冷循环器(18)控制三个腔室内控温介质(17)恒温，使其流入高压测试管(21)内的二氧化碳保持为汽液混合态，直至高压测试管(21)内液态二氧化碳压力稳定，关闭注入阀门(11)，利用温度变送器(10)和压力变送器(12)实时采集注入管路(9)内的温度和压力，利用温度传感器(19)和压力数据采集卡(13)实时采集位于隔热透明箱(16)内的二氧化碳的温度和压力；
步骤九、气态二氧化碳降温：控制任一加热制冷循环器(18)，使该加热制冷循环器(18)对其对应的控温介质(17)进行降温，且降至第二指定温度，驱使高压测试管(21)中对应的管段内的气态二氧化碳相变；
步骤十、获取松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流的粒子图像：利用PIV粒子成像仪(26)追踪高压测试管(21)内的标记玻璃微珠，进而获取控温介质(17)降至第二指定温度下，松散煤体内气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流流场的矢量图、速度云图、流线图、速度梯度图；并记录对应位置对应温度和压力值，结合Span–Wagner状态方程计算得到流体密度；
步骤十一、二氧化碳回收：过程与步骤五相同；
步骤十二、更换高压测试管(21)，更新设置步骤九中第二指定温度数值，重复步骤八至步骤十一，获取不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数；
步骤十三、多次循环步骤八至步骤十二，更新设置步骤八中第二指定压力数值，获取不同压力不同温度变化下，气态二氧化碳向液态二氧化碳相变的渗流参数。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤二中所述控温介质的温度不高于-56.6℃。
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