纯组分液化气体分层翻滚过程实验研究

张德林 李曼琪 李贯一 姜涛

摘要：本文搭建了以可视化储罐，可控加热装置，五点测温热电偶，压力变送器，数据采集器为基础的研究平台，搭建了能耐一定压力，可在常温下进行加热的储罐，并采用真空泵抽真空方法从储罐下方进液，保证了分层的实现，并通过热电偶测量实验数据以供分析。

本文进行了纯组分的热分层实验，研究了受热条件对热分层的影响，并分析了介质流动模式。

关键词： 液化气体；分层翻滚；实验

本文利用实验室的电加热设备，在常温常压环境下，以水和以水为溶剂的溶液为介质进行分层翻滚现象的模拟。并利用热电偶和数据采集设备来记录实验数据，通过温度变化来分析分层翻滚现象，加深对分层翻滚现象的了解。

（一）实验方案及装置

实验设备分为核心实验设备，测量变送设备和分析计算系统。本实验核心设备为可视化侧壁加热容器，利用该容器模拟液化天然气储罐；利用电加热设备对容器侧壁的加热模拟液化天然气储罐受到的环境漏热影响。测量变送设备分为多点热电偶，压力变送器和数据采集系统。多点热电偶可以深入储罐中，在实验容器上由低到高布置共5个测量点：T1、T2、T3、T4、T5，当分层发生时能够实时监控各分层的温度数据；压力变送器安置在储罐顶部，用来测量储罐内压力；前二者输出信号接入数据采集系统，经简单处理后传送到计算机中。分析计算系统由计算机和软件行使功能，能够记录，整合，分析由测量变送系统得到的数据，并根据实验需要将之处理为需要的图像，以利进一步的分析研究。

（二）仅液相侧壁受热实验研究及结果分析

本文探究仅液相侧壁受热时的分层翻滚过程，为了达到实验要求，在实验容器侧壁等间距安装了三套加热装置，通过接入电源与否来控制加热区域的大小，并与介质充装量进行配合，可模拟液化气体储罐仅液相侧壁受热的情形。实验容器加热位置为下部加热、介质充装率34%、液位与测温点的位置关系为T4。该条件下进行5次重复实验，以排除随机因素，保证实验结果的有效性。

图1.1～1.2所示为34%充装率下仅液相侧壁受热的介质温度响应和储罐壁面温度响应的典型实验结果。平面直角坐标系中横轴为从加热开始到测量时的时间间隔，纵轴为热电偶测得的实时温度数据，图1.1为时间和介质温度的图像，图1.2为时间和壁面温度的图像。图中分别用不同符号标志的曲线来表示不同位置的热电偶测得的温度曲线。观察图像可以看出，当仅液相侧壁受热时，罐内温度始终处于上升状态，而在同一时刻，不同高度的热电偶测温点测得的温度非常接近，也就是说储罐内的温度基本均匀，气液相的温度也基本相同，也就是并无温度分层现象。而罐壁的温度，由于只有液相加热，气相部分的加热片并不工作，并且储罐壁的热电偶测温点离加热片非常的近，所以液相部分的高度所对应的一系列热电偶测温点都测到了相对较高的温度，而气相部分的高度所对应的测温点因为并没有直接加热，而是通过储罐壁的导热效应和气体的传热而造成的温度升高，所以其同一时刻的温度比液相高度所对应的热电偶测温点温度要低，由图可以看出只有Tw4和Tw5对应在液相高度，所以所以其同一时刻的温度比液相高度所对应的热电偶测温点温度要低，而Tw1和Tw2，Tw3都在气相高度，他们的温度在同一时刻则非常相近。简而言之，介质纵向温度相差较小，即无明显热分层形成；壁面温度响应结果显示，由于直接受热，液相壁面温度Tw4和Tw5比气相壁面温度Tw1、Tw2和Tw3略高。

仅液相侧壁受热的情况，与加热带相贴近的壁面是直接的热量来源，非加热部位的热量均来自于该区域。加热前液相温度均匀相同，容器内压力为此温度下液相介质的饱和蒸汽压。开始加热后，受热处内壁附近的介质温度升高，由于液面以上部位不受热，液体介质得以在整个液相区形成自然对流循环。使整个容器内的温差可以很快消除，液相整体处在饱和状态。由于加热位置位于液相侧壁，所以靠近避免部分的液体温度上升很快，而同时不靠近壁面的部分温度并不上升。此时液体分子间存在扩散传热，即高温部分液体的温度自发地向低温部分传导，但由于液体存在循环对流现象，所以此种传热方法并不是本实验传热现象的主导因素。首先液体被加热的过程中，密度会随着温度的升高而降低，同一水平高度的液体，靠近壁面的部分温度较高，而密度较小，密度小的部分液体会自发上升，达到更高的水平高度，整个靠近壁面部分的液体密度都发生了降低，所以整个靠近壁面部分的液体处于上升流动状态。最上层的液体无法上升，所以在侧壁上流的推动下向储罐中心未受热的部分进行流动，这种流动在侧壁上流的作用下不断进行，直至上层液体全部被高温低密度的受热液体充满，而此时原中心部分的未受热液体在上述流动的推动下向下流动，并充满下层空间，而继续进行侧壁加热流动，在这些流动的带动下，中心部分的液体温度就会呈现由上向下依次升高的现象。流动进行的很快，在很短时间内整个储罐的液体温度趋于一致，并共同升高。

（三）结论

本文搭建了以可视化储罐，可控加热装置，五点测温热电偶，压力变送器，数据采集器为基础的研究平台，搭建了能耐一定压力，可在常温下进行加热的储罐，并采用真空泵抽真空方法从储罐下方进液，保证了分层的实现，并通过热电偶测量实验数据以供分析。本文进行了纯组分的热分层实验，研究了受热条件对热分层的影响，并分析了介质流动模式，得到结论：仅液相侧壁受热时液相内部发生热循环对流，无稳定温度分层。