CN112924489B - 一种低温危险液体事故泄漏射流实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带压液体喷射技术领域，具体公开了一种危险低温液体泄漏射流实验装置，包括低温液体供应系统，低温液体供应系统包括依次通过管道连通的高压氮气瓶、缓冲气瓶和低温液体杜瓦瓶；温度调节系统，温度调节系统包括液氮瓶和深冷箱，液氮瓶的出液口连通深冷箱，深冷箱内部设置有换热组件，低温液体杜瓦瓶的出液口连通换热组件；射流系统，射流系统包括喷嘴和低温风洞，低温风洞与深冷箱之间设置有保温管道，换热组件的出口端通过射流管道连接喷嘴，喷嘴的出液端位于低温风洞内。本发明的优点是能够实现对过热度与射流压力的精确独立调节，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。

Description

一种低温危险液体事故泄漏射流实验装置

技术领域

本发明涉及带压液体喷射技术领域，特别是一种危险低温液体泄漏射流实验装置。

背景技术

危险低温液体（LPG、LNG、LH₂、LCl₂及LN₂等）即储存或运输过程中温度高于常压下饱和温度的过热液体，相关储运设施一般属重大危险源。其储罐或管道可能会由于自身缺陷、外界撞击等原因，导致结构破裂泄漏，极易引发波及范围广的爆炸、火灾等重大事故，给公共安全和周边环境造成灾难性后果。

危险低温液体在储存或运输过程中一般为饱和或过冷液体。当泄漏至大气环境下时，产生压力突降，使得原本处于平衡状态的低温液体迅速变为热力学不平衡的过热液体，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低温液体表面及内部，射流迅速破碎形成由闪蒸气与大量密集液滴（液滴群）组成的气液两相射流。因此，低温液体的泄漏射流热动力学特征研究对于火灾爆炸、环境污染等灾害的后果评价、防治及控制具有重要意义。

但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,现有的液体射流实验装置缺点有以下几点：

（1）现有液体射流实验装置主要用于水、燃油、制冷剂等介质，并不适用于常压下高过热度、高挥发性的危险低温液体。

（2）部分针对LN₂、LH₂低温液体射流建立的实验装置，通常采用保温材料来隔绝装置内低温液体与外界环境的温度交换，其保温效果一般。

（3）现有低温液体射流实验装置温度调控范围小、温度调节响应慢，且无法对低温液体的温度进行精确调控。

（3）现有低温液体射流实验装置未对喷嘴出口处风洞内环境温度进行控制，未隔绝风洞内空气中的水蒸气对光学测量的影响。（水蒸气遇冷易生成白雾）

（4）已有的射流实验装置均采用圆形喷嘴，与低温液体的典型事故泄漏场景并不相符。

（5）现有装置仅利用保温材料对射流管道进行保温，其保温效果有限，喷嘴处的射流温度与设定温度存在差异。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种危险低温液体泄漏射流实验装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种危险低温液体泄漏射流实验装置，

包括低温液体供应系统，所述低温液体供应系统包括依次通过管道连通的高压氮气瓶、缓冲气瓶和低温液体杜瓦瓶；

温度调节系统，所述的温度调节系统包括液氮瓶和深冷箱，所述液氮瓶的出液口连通深冷箱，所述深冷箱内部设置有换热组件，所述低温液体杜瓦瓶的出液口连通换热组件；

射流系统，所述射流系统包括喷嘴和低温风洞，所述的低温风洞与深冷箱之间设置有保温管道，所述换热组件的出口端通过射流管道连接喷嘴，所述射流管道置于所述保温管道内，所述喷嘴的出液端位于低温风洞内。

具体的，所述的高压氮气瓶与缓冲气瓶连通的管道上设置有第一压力传感器和第一调节阀；所述缓冲气瓶与低温液体杜瓦瓶连通的管道上设置有电动比例阀和第二压力传感器。

具体的，所述低温液体杜瓦瓶与换热组件连通的管道上设置有第二调节阀、第三压力传感器和第一温度传感器。

具体的，所述换热组件包括换热管，所述换热管盘旋设置在深冷箱内部的底部，所述换热管的出口端连接缓冲罐，所述缓冲罐连接射流管道连接喷嘴。

具体的，所述深冷箱的外部包覆有气凝胶绝热毯。

具体的，所述的深冷箱内的底部和顶部分别设置有第二温度传感器和第三温度传感器，所述深冷箱内还设置有液位传感器和搅动风机，所述液氮瓶与深冷箱连通的管道上设置有第一电磁阀。

具体的，所述保温管道与低温风洞连通的一侧的侧壁上设置有排气口。

具体的，所述的缓冲罐与喷嘴连接的射流管道上依次设置有第四压力传感器、第四温度传感器、质量流量计、第二电磁阀、第五压力传感器和第五温度传感器。

具体的，低温风洞为一侧开口的矩形结构，所述低温风洞内与开口相对的一侧设置有多孔镍金属泡沫挡板，还包括氮气瓶，所述氮气瓶的出口端连接有吹气管，所述吹气管的出气端设置在多孔镍金属泡沫挡板内。

具体的，所述低温风洞开口的一侧设置有遮光板和防爆风机，所述低温风洞上设置有多个观察窗，分别用于射流现象的拍摄口、LED光源透光口和安装可移动式温度传感器。

本发明具有以下优点：

1、本发明设计的危险低温液体泄漏射流实验装置的深冷箱，利用搅动风机搅动产生的均匀低温氮气冷却换热管内危险低温液体，并通过深冷箱出口第四温度传感器及深冷箱内第二温度传感器和第三温度传感器与深冷箱进口第一电磁阀之间持续负反馈调节，能够实现对深冷箱出口温度的精确调节；

2、本发明将深冷箱内低温氮气引入保温管道，利用箱内低温氮气对深冷箱出口至喷嘴处管道进行保温，管道外同时采用保温材料，深冷箱出口至喷嘴处基本无温度变化，能够将喷嘴射流温度控制在设定温度值；

3、本发明设计的危险低温液体泄漏射流实验装置低温风洞，能够实现对射流环境的控制，持续向低温风洞内通入均匀恒温氮气能够防止风洞内危险介质气体与空气混合形成爆炸性混合物，同时能够为任意两组射流实验提供相同的环境温度初始条件，保证射流实验安全可靠，并提供较好的数据采集条件。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图中：1-高压氮气瓶，2-缓冲气瓶，3-低温液体杜瓦瓶，4-深冷箱，5-搅动风机，6-换热管，7-气凝胶绝热毯，8-缓冲罐，9-喷嘴，10-低温风洞，11-多孔镍金属泡沫挡板，12-氮气瓶，13-液氮瓶，14-保温管道，15-防爆风机，16-遮光板，17-第一压力传感器，18-第一调节阀，19-电动比例阀，20-第二压力传感器，21-第二调节阀，22-第三压力传感器，23-第一温度传感器，24-第一电磁阀，25-液位传感器，26-第三温度传感器，27-第二温度传感器，28-第四压力传感器，29-第四温度传感器，30-质量流量计，31-第二电磁阀，32-第五压力传感器，33-第五温度传感器，34-排气口，35-观察窗。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种危险低温液体泄漏射流实验装置，包括低温液体供应系统，所述低温液体供应系统包括依次通过管道连通的高压氮气瓶1、缓冲气瓶2和低温液体杜瓦瓶3；

温度调节系统，所述的温度调节系统包括液氮瓶13和深冷箱4，所述液氮瓶13的出液口连通深冷箱4，所述深冷箱4内部设置有换热组件，所述低温液体杜瓦瓶3的出液口连通换热组件；

射流系统，所述射流系统包括喷嘴9和低温风洞10，所述的低温风洞10与深冷箱4之间设置有保温管道14，所述保温管道14一端连通深冷箱4，所述换热组件的出口端通过射流管道连接喷嘴9，所述射流管道置于所述保温管道14内，所述喷嘴9的出液端位于低温风洞10内。本方案中低温液体供应系统为实验装置提供供应低温液体，低温液体储存在低温液体杜瓦瓶3内，高压氮气瓶1为低温液体供应系统提供所需的不同压力，高压氮气瓶1的高压气体进入缓冲气瓶2，经过缓冲气瓶2来抑制高压氮气瓶1来气压力波动，将供气压力精确控制在所需的稳定状态，然后再通入到低温液体杜瓦瓶3内，为低温液体杜瓦瓶3提供压力，将低温液体杜瓦瓶3内储存的低温液体通入换热组件内，在高压氮气瓶1的出气口设置的第第一压力传感器17可以检测高压氮气瓶1的压力，缓冲气瓶2出气口设置的第二压力传感器20可以检测低温液体杜瓦瓶3的进气压力，低温液体杜瓦瓶3出液口设置的第三压力传感器22可以检测低温液体杜瓦瓶3的出液压力，低温液体供应系统根据第一压力传感器17、第二压力传感器20、第三压力传感器22电信号来调节高压氮气瓶1与缓冲气瓶2间的减压阀、第一调节阀18，缓冲气瓶2与低温液体杜瓦瓶3之间的电动比例阀19，及低温液体杜瓦瓶3液相出口第二调节阀21开度；由低温液体杜瓦瓶3提供的低温液体进入换热组件内，温度调节系统工作，打开第一电磁阀24将液氮瓶13内的液氮通入到深冷箱4内，使换热组件的换热管6浸在液氮内进行热交换，使低温液体的温度可控，在通过喷嘴9喷出时温度保持在实验的要求范围内；本实施中的低温风洞10是由厚度为2.0 mm的不锈钢制作而成的长方体，尺寸为2.0 m×0.6m×1.1m，低温风洞10设有3个尺寸分别为0.15m×0.6m、0.2m×0.6m、0.02m×0.6m的聚碳酸酯玻璃观察窗，分别为射流现象的拍摄口、LED光源透光口以及可移动式温度传感器安装口。低温风洞10开口开敞式设计作为排风口，其通过排风口与大气连通，且在排风口出口设有防爆风机15，便于将低温风洞10内的气体排放至大气环境，为了便于将射流喷嘴9伸入低温风洞10内，开展低温液体射流实验，在低温风洞10一端预留直径为220mm安装圆孔，为了避免光线从排风口处进入低温风洞10，对射流图像的拍摄效果造成影响，在末端敞口处设置挡光板16；综上所述，本发明能够在压力0~0.8MPa、-180 ℃~常温

的条件下对射流初始参数进行自由控制，实现对过热度与射流压力的精确独立调节，且能够保证喷嘴处射流温度与设定温度误差在1 ℃以内。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。

本发明中的实验装置通过控制系统进行控制。

进一步的，所述的高压氮气瓶1与缓冲气瓶2连通的管道上设置有第一压力传感器17和第一调节阀18；所述缓冲气瓶2与低温液体杜瓦瓶3连通的管道上设置有电动比例阀19和第二压力传感器20。

进一步的，所述低温液体杜瓦瓶3与换热组件连通的管道上设置有第二调节阀21、第三压力传感器22和第一温度传感器23。

进一步的，所述换热组件包括换热管6，所述换热管6盘旋设置在深冷箱4内部的底部，所述换热管6的出口端连接缓冲罐8，所述缓冲罐8通过射流管道连接喷嘴9。

进一步的，所述深冷箱4的外部包覆有气凝胶绝热毯7。

进一步的，所述的深冷箱4内的底部和顶部分别设置有第二温度传感器27和第三温度传感器26，所述深冷箱4内还设置有液位传感器25和搅动风机5，所述液氮瓶13与深冷箱4连通的管道上设置有第一电磁阀24。在深冷箱4内的底部和顶部分别设置的第二温度传感器27和第三温度传感器26可以检测深冷箱4内部的液氮的温度和蒸发的氮气的温度，系统检测到第二温度传感器27和第三温度传感器26的温差大于5℃时，将信号传递给搅动风机5使其加大功率，传感器温差低于5℃时功率自动降低，搅动风机5工作使箱内温度分布均匀，在控制系统中设定所需达到的深冷箱4温度，通过第二温度传感器27和第三温度传感器26检测温度，当检测到箱内的温度高于设定值时，打开第一电磁阀24向深冷箱4内补充液氮，通过搅动风机5搅动使液氮快速蒸发成低温氮气向箱内补充冷量。当箱内温度低于设定温度时，关闭第一电磁阀24，利用搅动风机5将低温氮气沿保温管道14吹扫至低温风洞10前排气口34排出。

进一步的，所述保温管道14与低温风洞10连通的一端的侧壁上设置有排气口34，保温管道14外部采用深冷型福乐斯材料进行保温。

进一步的，所述的缓冲罐8与喷嘴9连接的射流管道上依次设置有第四压力传感器28、第四温度传感器29、质量流量计30、第二电磁阀31、第五压力传感器32和第五温度传感器33，质量流量计30为科里奥利质量流量计，用于测量射流实验的实际质量流量，第五压力传感器32和第五温度传感器33用于测量第二电磁阀31出口喷嘴9处的射流压力及温度，喷嘴9为矩形喷嘴，所述的保温管道14内充满着由深冷箱4内排出的低温氮气，将射流管道及仪表包裹在内，保温管道14在进入低温风洞前设有排气口34。第四温度传感器29检测深冷箱4出口的温度，与深冷箱4内的第二温度传感器27和第三温度传感器26以及深冷箱进口第一电磁阀24之间持续负反馈调节，能够实现对深冷箱4出口温度的精确调节。

进一步的，所述低温风洞10为一侧开口的矩形结构，所述低温风洞10内与开口相对的一侧设置有多孔镍金属泡沫挡板11，还包括氮气瓶12，所述氮气瓶12的出口端连接有吹气管，所述吹气管的出气端设置在多孔镍金属泡沫挡板11内。所述的氮气瓶12及多孔镍金属泡沫挡板11用于向低温风洞10内持续均匀的通入恒温氮气。其主要作用一方面是使风洞内保持微正压，防止低温风洞10外空气进入低温风洞10内与射流闪蒸的危险低温蒸汽混合形成爆炸性混合物。另一方面，通入常温氮气能够使各组射流实验的初始环境温度保持一致，避免在上一组射流实验开展后初始环境温度的降低影响下一组实验数据的准确性。多孔镍金属泡沫挡板11具有多孔的性质，氮气瓶12内的氮气经过吹气管吹入多孔镍金属泡沫挡板11，多孔镍金属泡沫挡板11能对吹入的氮气进行缓冲，并通过不同的孔洞吹入低温风洞10内，防止氮气瓶12吹入的氮气直接进入低温风洞10内产生的大气流对射流造成干涉，影响实验的准确性。

进一步的，所述低温风洞10开口的一侧设置有遮光板16和防爆风机15，所述低温风洞10上设置有多个观察窗35，分别用于射流现象的拍摄口、LED光源透光口和安装可移动式温度传感器。本实施中设置三个观察窗35分别位于低温风洞10的顶部及两侧，两侧的观察窗35分别用于射流现象的拍摄口和LED光源透光口，顶部的观察窗35用于安装可移动式温度传感器，可移动式温度传感器用于检测低温风洞10内的温度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：

包括低温液体供应系统，所述低温液体供应系统包括依次通过管道连通的高压氮气瓶（1）、缓冲气瓶（2）和低温液体杜瓦瓶（3）；

温度调节系统，所述的温度调节系统包括液氮瓶（13）和深冷箱（4），所述液氮瓶（13）的出液口连通深冷箱（4），所述深冷箱（4）内部设置有换热组件，所述低温液体杜瓦瓶（3）的出液口连通换热组件；

射流系统，所述射流系统包括喷嘴（9）和低温风洞（10），所述的低温风洞（10）与深冷箱（4）之间设置有保温管道（14），所述保温管道（14）一端连通深冷箱（4），所述换热组件的出口端通过射流管道连接喷嘴（9），所述射流管道置于所述保温管道（14）内，所述喷嘴（9）的出液端位于低温风洞（10）内；

所述低温风洞（10）为一侧开口的矩形结构，所述低温风洞（10）内与开口相对的一侧设置有多孔镍金属泡沫挡板（11），还包括氮气瓶（12），所述氮气瓶（12）的出口端连接有吹气管，所述吹气管的出气端设置在多孔镍金属泡沫挡板（11）内；

所述低温风洞（10）开口的一侧设置有遮光板（16）和防爆风机（15），所述低温风洞（10）上设置有多个观察窗（35），分别用于射流现象的拍摄口、LED光源透光口和安装可移动式温度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述的高压氮气瓶（1）与缓冲气瓶（2）连通的管道上设置有第一压力传感器（17）和第一调节阀（18）；所述缓冲气瓶（2）与低温液体杜瓦瓶（3）连通的管道上设置有电动比例阀（19）和第二压力传感器（20）。

3.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述低温液体杜瓦瓶（3）与换热组件连通的管道上设置有第二调节阀（21）、第三压力传感器（22）和第一温度传感器（23）。

4.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述换热组件包括换热管（6），所述换热管（6）盘旋设置在深冷箱（4）内部的底部，所述换热管（6）的出口端连接缓冲罐（8），所述缓冲罐（8）通过射流管道连接喷嘴（9）。

5.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述深冷箱（4）的外部包覆有气凝胶绝热毯（7）。

6.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述的深冷箱（4）内的底部和顶部分别设置有第二温度传感器（27）和第三温度传感器（26），所述深冷箱（4）内还设置有液位传感器（25）和搅动风机（5），所述液氮瓶（13）与深冷箱（4）连通的管道上设置有第一电磁阀（24）。

7.根据权利要求1所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述保温管道（14）与低温风洞（10）连通的一端的侧壁上设置有排气口（34）。

8.根据权利要求4所述的一种危险低温液体泄漏射流实验装置，其特征在于：所述的缓冲罐（8）与喷嘴（9）连接的射流管道上依次设置有第四压力传感器（28）、第四温度传感器（29）、质量流量计（30）、第二电磁阀（31）、第五压力传感器（32）和第五温度传感器（33）。

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