一種液態CO2相變過程模擬測試系統的製作方法
2023-12-08 10:43:51 1
本發明涉及液態CO2的儲存安全和輸送安全技術領域，具體涉及一種液態CO2相變過程模擬測試系統。
背景技術：
作為溫室氣體主要成分之一的CO2，在工業生產尾氣回收中通常以液態形式收集、儲存及運輸。當液態CO2的存儲溫度或壓力低於三相點時，轉化為固相。當溫度到達一定值時，液態CO2氣化，壓力升高，為液態CO2的儲運過程埋下安全隱患。
在液態CO2的工業應用中，乾冰的出現會嚴重影響液態CO2利用效率，甚至導致管路嚴重堵塞，更嚴重會致使事故發生，威脅工作人員的安全。在液態CO2長距離管道運輸過程中，由於液態CO2管道運輸過程中容易發生相變，造成冰堵管道，導致流速突增，影響液態CO2正常輸送；液態CO2在槽車運輸中，由於各種因素的耦合影響，槽車內部液態CO2可能發生相變，影響運輸安全，需要實時監測液態CO2的狀態；液態CO2在罐式存儲時，存儲罐內部的相態較模糊，因此需要保持合理的相態參數，有利於儲存安全和運輸安全。基於此，從安全的角度出發，有必要發明一種液態CO2相變過程測試系統，該系統能實時監測壓力容器內部液態CO2的溫度、壓力和液位等參數的變化，結合二氧化碳的相態屬性圖，實現系統內二氧化碳的相態判定，為液態的安全應用提供基礎參數。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種液態CO2相變過程模擬測試系統。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：一種液態CO2相變過程模擬測試系統，由液態CO2泵壓注系統、密閉耐高壓容器系統、數據採集及儲存系統、廢氣及廢液回收循環利用系統、人工加熱系統五大部分組成，液態CO2泵壓注系統與密閉耐高壓容器系統相連，密閉耐高壓容器系統分別與數據採集及儲存系統、廢氣及廢液回收循環利用系統、人工加熱系統相連。該液態CO2相變過程模擬測試系統能針對不同類型的密閉耐高壓容器，實時監測密閉耐高壓容器內液態CO2的溫度、壓力和液位等參數的變化，結合CO2的相態屬性圖，實現系統內CO2的相態判定。
所述的液態CO2泵壓注系統包括杜瓦瓶和柱塞泵，杜瓦瓶和柱塞泵之間用與之匹配的高壓膠管連接；所述的柱塞泵採用手動變量柱塞泵，所述的杜瓦瓶採用真空絕熱的不鏽鋼壓力容器的杜瓦瓶。
所述的密閉耐高壓容器系統包括密閉耐高壓容器和第一專用閥門和第二專用閥門，密閉耐高壓容器兩端的高壓膠管上分別設置有第一專用閥門和第二專用閥門，密閉耐高壓容器通過第一專用閥門與柱塞泵相連。
所述的數據採集及儲存系統包括第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、質量流量計、液位傳感器、第一紅外熱像儀、第二紅外熱像儀、數據採集儀和計算機，液位傳感器設置在密閉耐高壓容器頂部，且液位傳感器通過數據採集儀和計算機相連，密閉耐高壓容器側壁通過第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器與數據採集儀相連，密閉耐高壓容器前端的高壓膠管上還設置有與數據採集儀相連的質量流量計，第一紅外熱像儀、第二紅外熱像儀設置在密閉耐高壓容器內壁上。所述的電加熱膜替換為電加熱絲。
所述的廢氣及廢液回收循環利用系統包括液化泵和回收容器，第二專用閥門、液化泵和回收容器依次相連。
所述的人工加熱系統包括電加熱膜、溫控儀、繼電器、電源和開關，繼電器、溫控儀、電源和開關依次相連，且繼電器、電源和開關均與電加熱膜相連，電加熱膜設置在密閉耐高壓容器外部。
所述的密閉耐高壓容器採用管道式、球型式或儲罐式密閉耐高壓容器。
本發明具有以下有益效果：能實時監測壓力容器內部液態CO2的溫度、壓力和液位等參數的變化，結合二氧化碳的相態屬性圖，實現系統內二氧化碳的相態判定，為液態CO2的安全應用提供基礎參數。
附圖說明
圖1為本發明的管道式容器系統示意圖；
圖2為本發明的球型式容器示意圖；
圖3為本發明的儲罐式容器示意圖；
圖4為本發明的人工加熱系統示意圖；
圖5為本發明的另一種方式的人工加熱系統示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1-5所示，本發明實施例提供了一種液態CO2相變過程模擬測試系統，由液態CO2泵壓注系統1、密閉耐高壓容器系統2、數據採集及儲存系統3、廢氣及廢液回收循環利用系統4、人工加熱系統5五大部分組成，液態CO2泵壓注系統1與密閉耐高壓容器系統2相連，密閉耐高壓容器系統2分別與數據採集及儲存系統3、廢氣及廢液回收循環利用系統4、人工加熱系統5相連。該液態CO2相變過程模擬測試系統能針對不同類型的密閉耐高壓容器，實時監測密閉耐高壓容器內液態CO2的溫度、壓力和液位等參數的變化，結合CO2的相態屬性圖，實現系統內CO2的相態判定。
本具體實施主要適用於研究液態CO2相變過程模擬測試系統，研究液態CO2相變過程中的溫度、壓力和液位隨時間的變化，結合CO2的相態屬性圖，實現系統內CO2的相態判定。由五大系統，共18個部件組成。其中附圖1-3中各有三個溫度傳感器和三個壓力傳感器，具體安裝位置分別如附圖1-3所示。
現具體以附圖1為例，本發明提供了一種液態CO2相變過程模擬測試系統，包括液態CO2泵壓注系統1、密閉耐高壓容器系統2、數據採集及儲存系統3、廢氣及廢液回收循環利用系統4、人工加熱系統5。具體的：液態CO2泵注系統1包括杜瓦瓶6和柱塞泵7組成。密閉耐高壓容器系統2包括密閉耐高壓容器13、高壓膠管和第一專用閥門12-1、第二專用閥門12-2組成。數據採集及儲存系統3包括質量流量計10、第一溫度傳感器8-1、第一溫度傳感器8-2、第三溫度傳感器8-3、第一壓力傳感器9-1、第二壓力傳感器9-2、第三壓力傳感器9-3、液位傳感器11、紅外熱像儀22、數據採集儀14和計算機15組成。廢氣及廢液回收循環利用系統4由液化泵16和回收容器17組成。
該液態CO2相變過程模擬測試系統在進行液態CO2相變測試工作的過程中，首先是進行試驗系統的組裝、布置好質量流量計10、第一溫度傳感器8-1、第一溫度傳感器8-2、第三溫度傳感器8-3、第一壓力傳感器9-1、第二壓力傳感器9-2、第三壓力傳感器9-3、液位傳感器11和紅外熱像儀22，並在開始系統測試前做好系統氣密性的檢查，經過檢查整體系統處於正常狀態時即可進行液態CO2相變測試工作。
具體的，首先將第一專用閥門12-1處於關閉狀態，第二專用閥門12-2處於開啟狀態，各項裝置處於預備工作狀態；開啟杜瓦瓶6的閥門，先使氣態CO2通入密閉耐高壓容器13，再通過柱塞泵7加壓向密閉耐高壓容器13中注入液態CO2，根據需要調節流速分別為v1、v2、v3，再根據研究需要控制注入密閉耐高壓容器13的液態CO2的量，分別為V1、V2、V3；當注入密閉耐高壓容器13的液態CO2的量滿足要求時，先後關閉杜瓦瓶6的閥門、柱塞泵7和第一專用閥門12-1；而後進一步觀測密閉耐高壓容器中液態CO2的相變，相變過程中持續採集數據數小時，分別採集環境溫度、密閉耐高壓容器各點壓力、密閉耐高壓容器各點溫度、液位和紅外成像圖等數據，採集數據經過數據採集儀14傳輸到計算機15並存儲分析；在採集數據後，可利用人工加熱系統5對耐高壓密閉容器13人工控溫，模擬不同的工況點環境溫度，再持續採集數據數小時，存儲於計算機以待分析；實驗後，打開第二專用閥門12-2對密閉耐高壓容器洩壓，將實驗廢氣排放到廢氣及廢液回收循環利用系統4中，利用本發明的系統4，廢氣經過管路排往液化泵16，得到液態CO2，最後收集儲存於回收容器17。
為實現系統內CO2的相態判定，本發明提供兩種形式，分別為：
(1)結合CO2的相態屬性圖，實現系統內CO2的相態判定；
(2)結合紅外成像儀視頻輸出信號，實現系統內CO2的相態判定。
本具體實施方式根據不同工況，設計針對三種不同類型的密閉耐高壓容器，分別為管道式、球型式和儲罐式密閉耐高壓容器。並考慮到不同工況溫度對實驗的影響，採用人工加熱系統，模擬溫度對系統的影響。
液態CO2泵壓注系統由杜瓦瓶和柱塞泵組成，該系統可以為整個大系統提供不同流量的液態CO2，為液態CO2相變測試過程研究提供變量因子；密閉耐高壓容器系統由密閉耐高壓容器、兩個專用閥門和高壓膠管組成，該耐高壓裝載容器能承受大約在30MPa的高壓；數據採集及儲存系統由質量流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、紅外熱像儀、數據採集儀和計算機組成，能做到實時採集密閉耐高壓容器內的數據變化，並傳輸、存儲數據於計算機；廢氣及廢液回收循環利用系統由液化泵和回收容器組成，該系統能100％的吸收CO2廢氣液，不對環境造成汙染。該系統具有可重複性實驗的性能，可以得到大量的實驗數據供研究。
本具體實施方式主要由液態CO2泵壓注系統、密閉耐高壓容器系統、數據採集及儲存系統、廢氣及廢液回收循環利用系統、人工加熱系統五大部分組成。其中，液態CO2泵注系統、密閉耐高壓容器系統、數據採集及儲存系統從左往右依次排列，整齊有序。其中液態CO2泵注系統安裝放置於平整地面上，位於整個系統的最左邊。密閉耐高壓容器系統安裝在距離液態CO2泵注系統約0.5米的地方，位於整個系統的中間位置，其中密閉耐高壓容器要固定在平整地面。廢氣及廢液回收循環利用系統安設在整個系統的最右邊，實現廢氣、液的回收。數據採集及儲存系統安設在整個系統的側面，方便操控整個系統。
本具體實施方式中，其液態CO2泵壓注系統的選型及主要參數：本發明選擇型號為：真空絕熱的不鏽鋼壓力容器的杜瓦瓶，其能較好的儲存、運輸和安全、可靠的使用液態二氧化碳。柱塞泵採用手動變量柱塞泵，能在低溫、高壓情況下輸送液態。本系統選用兩臺柱塞泵(一臺留作備用)。杜瓦瓶和柱塞泵之間用與之匹配的高壓膠管連接，注入到密閉耐高壓容器裡面，其間由質量流量計監測液態CO2的流量。
本具體實施方式中，其密閉耐高壓容器系統的選型及主要參數：本發明有三種不同類型的密閉耐高壓容器，分別為管道式、球型式和儲罐式的密閉耐高壓容器，作為二氧化碳的裝載容器。高壓膠管連接著液態CO2泵注系統和密閉耐高壓容器系統以及廢氣及廢液回收系統。
本具體實施方式中，其數據採集及儲存系統由質量流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、紅外熱成像儀、數據採集儀和計算機組成。其數據採集及儲存系統的選型及主要參數：本發明選擇型號為，傳感器裝置由質量流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、紅外熱像儀和若干導線組成。根據本發明的工況條件，上述傳感器裝置均採用能耐低溫、耐高壓的型號。紅外熱像儀由紅外鏡頭、紅外探測器、光學成像系統和電子處理系統組成。本系統的傳感器通過與數據採集儀連接，將數據傳輸到計算機。數據採集儀和計算機主要為採集儲存和分析處理數據的作用。
本具體實施方式中，採用的紅外熱像儀，它是利用紅外鏡頭、紅外探測器、光學成像系統和電子處理系統組成。密閉耐高壓容器中液態CO2的紅外熱輻射能量分布反映到紅外探測器的光敏元上，由探測器將紅外輻射能量轉換成電信號，經放大處理並轉換成標準視頻信號，在監視器上顯示出紅外熱圖，從而分析密閉耐高壓容器中液態CO2的相態分布。
本具體實施方式中，液位傳感器採用超聲波液位計傳感器，其利用超聲波脈衝回波方法的原理，由發射傳感器發出超聲波脈衝，傳到液面經反射後返回接收傳感器，測出超聲波脈衝從發射到接收到所需的時間，根據媒質中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。液位傳感器安裝於密閉壓力容器頂部，液位傳感器將接收到的信號經數據採集儀傳輸到計算機，進一步存儲和分析。
本具體實施方式中，為了將實驗廢氣收集起來，防止CO2氣體汙染環境。利用本專利的系統，即廢氣及廢液回收循環利用系統，液態CO2經過相變實驗後，打開專用閥門對密閉耐高壓容器洩壓，廢氣經過管路排往液化泵，得到液態CO2，最後收集存儲於回收容器。
氣密性檢測分為兩個階段。第一個階段是往密閉耐高壓容器通入一定流量的氣態CO2，兩個專用閥門處於關閉，觀察有無明顯漏風，如有明顯漏風，則找到漏風位置，實施漏風處理；如無明顯漏風，則進行第二階段，採用手持式紅外熱像儀對準密閉耐高壓容器外壁，可以移動手持式紅外熱像儀使密閉耐高壓容器外壁全方位都在熱像儀的拍攝範圍內，用手持式紅外熱像儀採集密閉耐高壓容器外壁表面溫度圖像，根據紅外溫度圖像精確判斷密閉耐高壓容器的氣密性。
本具體實施方式考慮到密閉耐高壓容器內CO2壓力可能會迅速突增，超出密閉耐高壓容器耐壓能力，故第二專用閥門採用洩壓閥，一旦密閉耐高壓容器內壓力超限，洩壓閥立即打開，並發出洩壓報警信號，做到自動安全洩壓。
環境溫度對實驗的影響也是需要被考慮。本發明中利用某種型號的溫度計測量出當時、當地的環境溫度。
本具體實施方式提供兩種加熱方式，此加熱方式為第一種，考慮到溫度對實驗的影響，本系統需要對環境溫度進行監測控制。當液態CO2被注入密閉耐高壓容器中，待其出現氣液平衡後，利用安裝在密閉壓力容器內的電加熱絲來對CO2加熱，創造不同的溫度環境。電加熱絲加熱系統包括電加熱絲、溫控儀、繼電器、電源和開關。由溫控儀精確控制溫度變化，根據需要提供溫度，模擬控制外部不同工況溫度，使形成新的氣液平衡。
本具體實施方式提供兩種加熱方式，此加熱方式為第二種，考慮到溫度對實驗的影響，本系統需要對環境溫度進行監測控制。當液態CO2被注入密閉耐高壓容器中，待其出現氣液平衡後，利用電加熱膜均勻加熱密閉耐高壓容器外壁，電加熱膜採用數據線連接計算機，由計算機控制溫度變化，根據需要提供的實驗溫度，模擬控制外部不同工況溫度，由於管壁的易導熱性，熱量會迅速由管壁表面向管道內部的液體和氣體傳導，從而形成新的氣液平衡。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。