純組分液化氣體分層翻滾過程實驗研究

張德林 李曼琪 李貫一 姜濤

摘要：本文搭建了以可視化儲罐，可控加熱裝置，五點測溫熱電偶，壓力變送器，數據采集器為基礎的研究平臺，搭建了能耐一定壓力，可在常溫下進行加熱的儲罐，并采用真空泵抽真空方法從儲罐下方進液，保證了分層的實現，并通過熱電偶測量實驗數據以供分析。

本文進行了純組分的熱分層實驗，研究了受熱條件對熱分層的影響，并分析了介質流動模式。

關鍵詞： 液化氣體；分層翻滾；實驗

本文利用實驗室的電加熱設備，在常溫常壓環境下，以水和以水為溶劑的溶液為介質進行分層翻滾現象的模擬。并利用熱電偶和數據采集設備來記錄實驗數據，通過溫度變化來分析分層翻滾現象，加深對分層翻滾現象的了解。

（一）實驗方案及裝置

實驗設備分為核心實驗設備，測量變送設備和分析計算系統。本實驗核心設備為可視化側壁加熱容器，利用該容器模擬液化天然氣儲罐；利用電加熱設備對容器側壁的加熱模擬液化天然氣儲罐受到的環境漏熱影響。測量變送設備分為多點熱電偶，壓力變送器和數據采集系統。多點熱電偶可以深入儲罐中，在實驗容器上由低到高布置共5個測量點：T1、T2、T3、T4、T5，當分層發生時能夠實時監控各分層的溫度數據；壓力變送器安置在儲罐頂部，用來測量儲罐內壓力；前二者輸出信號接入數據采集系統，經簡單處理后傳送到計算機中。分析計算系統由計算機和軟件行使功能，能夠記錄，整合，分析由測量變送系統得到的數據，并根據實驗需要將之處理為需要的圖像，以利進一步的分析研究。

（二）僅液相側壁受熱實驗研究及結果分析

本文探究僅液相側壁受熱時的分層翻滾過程，為了達到實驗要求，在實驗容器側壁等間距安裝了三套加熱裝置，通過接入電源與否來控制加熱區域的大小，并與介質充裝量進行配合，可模擬液化氣體儲罐僅液相側壁受熱的情形。實驗容器加熱位置為下部加熱、介質充裝率34%、液位與測溫點的位置關系為T4。該條件下進行5次重復實驗，以排除隨機因素，保證實驗結果的有效性。

圖1.1～1.2所示為34%充裝率下僅液相側壁受熱的介質溫度響應和儲罐壁面溫度響應的典型實驗結果。平面直角坐標系中橫軸為從加熱開始到測量時的時間間隔，縱軸為熱電偶測得的實時溫度數據，圖1.1為時間和介質溫度的圖像，圖1.2為時間和壁面溫度的圖像。圖中分別用不同符號標志的曲線來表示不同位置的熱電偶測得的溫度曲線。觀察圖像可以看出，當僅液相側壁受熱時，罐內溫度始終處于上升狀態，而在同一時刻，不同高度的熱電偶測溫點測得的溫度非常接近，也就是說儲罐內的溫度基本均勻，氣液相的溫度也基本相同，也就是并無溫度分層現象。而罐壁的溫度，由于只有液相加熱，氣相部分的加熱片并不工作，并且儲罐壁的熱電偶測溫點離加熱片非常的近，所以液相部分的高度所對應的一系列熱電偶測溫點都測到了相對較高的溫度，而氣相部分的高度所對應的測溫點因為并沒有直接加熱，而是通過儲罐壁的導熱效應和氣體的傳熱而造成的溫度升高，所以其同一時刻的溫度比液相高度所對應的熱電偶測溫點溫度要低，由圖可以看出只有Tw4和Tw5對應在液相高度，所以所以其同一時刻的溫度比液相高度所對應的熱電偶測溫點溫度要低，而Tw1和Tw2，Tw3都在氣相高度，他們的溫度在同一時刻則非常相近。簡而言之，介質縱向溫度相差較小，即無明顯熱分層形成；壁面溫度響應結果顯示，由于直接受熱，液相壁面溫度Tw4和Tw5比氣相壁面溫度Tw1、Tw2和Tw3略高。

僅液相側壁受熱的情況，與加熱帶相貼近的壁面是直接的熱量來源，非加熱部位的熱量均來自于該區域。加熱前液相溫度均勻相同，容器內壓力為此溫度下液相介質的飽和蒸汽壓。開始加熱后，受熱處內壁附近的介質溫度升高，由于液面以上部位不受熱，液體介質得以在整個液相區形成自然對流循環。使整個容器內的溫差可以很快消除，液相整體處在飽和狀態。由于加熱位置位于液相側壁，所以靠近避免部分的液體溫度上升很快，而同時不靠近壁面的部分溫度并不上升。此時液體分子間存在擴散傳熱，即高溫部分液體的溫度自發地向低溫部分傳導，但由于液體存在循環對流現象，所以此種傳熱方法并不是本實驗傳熱現象的主導因素。首先液體被加熱的過程中，密度會隨著溫度的升高而降低，同一水平高度的液體，靠近壁面的部分溫度較高，而密度較小，密度小的部分液體會自發上升，達到更高的水平高度，整個靠近壁面部分的液體密度都發生了降低，所以整個靠近壁面部分的液體處于上升流動狀態。最上層的液體無法上升，所以在側壁上流的推動下向儲罐中心未受熱的部分進行流動，這種流動在側壁上流的作用下不斷進行，直至上層液體全部被高溫低密度的受熱液體充滿，而此時原中心部分的未受熱液體在上述流動的推動下向下流動，并充滿下層空間，而繼續進行側壁加熱流動，在這些流動的帶動下，中心部分的液體溫度就會呈現由上向下依次升高的現象。流動進行的很快，在很短時間內整個儲罐的液體溫度趨于一致，并共同升高。

（三）結論

本文搭建了以可視化儲罐，可控加熱裝置，五點測溫熱電偶，壓力變送器，數據采集器為基礎的研究平臺，搭建了能耐一定壓力，可在常溫下進行加熱的儲罐，并采用真空泵抽真空方法從儲罐下方進液，保證了分層的實現，并通過熱電偶測量實驗數據以供分析。本文進行了純組分的熱分層實驗，研究了受熱條件對熱分層的影響，并分析了介質流動模式，得到結論：僅液相側壁受熱時液相內部發生熱循環對流，無穩定溫度分層。