一种液态CO2相变过程模拟测试系统的制作方法

本发明涉及液态CO₂的储存安全和输送安全技术领域，具体涉及一种液态CO₂相变过程模拟测试系统。

背景技术：

作为温室气体主要成分之一的CO₂，在工业生产尾气回收中通常以液态形式收集、储存及运输。当液态CO₂的存储温度或压力低于三相点时，转化为固相。当温度到达一定值时，液态CO₂气化，压力升高，为液态CO₂的储运过程埋下安全隐患。

在液态CO₂的工业应用中，干冰的出现会严重影响液态CO₂利用效率，甚至导致管路严重堵塞，更严重会致使事故发生，威胁工作人员的安全。在液态CO₂长距离管道运输过程中，由于液态CO₂管道运输过程中容易发生相变，造成冰堵管道，导致流速突增，影响液态CO₂正常输送；液态CO₂在槽车运输中，由于各种因素的耦合影响，槽车内部液态CO₂可能发生相变，影响运输安全，需要实时监测液态CO₂的状态；液态CO₂在罐式存储时，存储罐内部的相态较模糊，因此需要保持合理的相态参数，有利于储存安全和运输安全。基于此，从安全的角度出发，有必要发明一种液态CO₂相变过程测试系统，该系统能实时监测压力容器内部液态CO₂的温度、压力和液位等参数的变化，结合二氧化碳的相态属性图，实现系统内二氧化碳的相态判定，为液态的安全应用提供基础参数。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种液态CO₂相变过程模拟测试系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种液态CO₂相变过程模拟测试系统，由液态CO₂泵压注系统、密闭耐高压容器系统、数据采集及储存系统、废气及废液回收循环利用系统、人工加热系统五大部分组成，液态CO₂泵压注系统与密闭耐高压容器系统相连，密闭耐高压容器系统分别与数据采集及储存系统、废气及废液回收循环利用系统、人工加热系统相连。该液态CO₂相变过程模拟测试系统能针对不同类型的密闭耐高压容器，实时监测密闭耐高压容器内液态CO₂的温度、压力和液位等参数的变化，结合CO₂的相态属性图，实现系统内CO₂的相态判定。

所述的液态CO₂泵压注系统包括杜瓦瓶和柱塞泵，杜瓦瓶和柱塞泵之间用与之匹配的高压胶管连接；所述的柱塞泵采用手动变量柱塞泵，所述的杜瓦瓶采用真空绝热的不锈钢压力容器的杜瓦瓶。

所述的密闭耐高压容器系统包括密闭耐高压容器和第一专用阀门和第二专用阀门，密闭耐高压容器两端的高压胶管上分别设置有第一专用阀门和第二专用阀门，密闭耐高压容器通过第一专用阀门与柱塞泵相连。

所述的数据采集及储存系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、质量流量计、液位传感器、第一红外热像仪、第二红外热像仪、数据采集仪和计算机，液位传感器设置在密闭耐高压容器顶部，且液位传感器通过数据采集仪和计算机相连，密闭耐高压容器侧壁通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器与数据采集仪相连，密闭耐高压容器前端的高压胶管上还设置有与数据采集仪相连的质量流量计，第一红外热像仪、第二红外热像仪设置在密闭耐高压容器内壁上。所述的电加热膜替换为电加热丝。

所述的废气及废液回收循环利用系统包括液化泵和回收容器，第二专用阀门、液化泵和回收容器依次相连。

所述的人工加热系统包括电加热膜、温控仪、继电器、电源和开关，继电器、温控仪、电源和开关依次相连，且继电器、电源和开关均与电加热膜相连，电加热膜设置在密闭耐高压容器外部。

所述的密闭耐高压容器采用管道式、球型式或储罐式密闭耐高压容器。

本发明具有以下有益效果：能实时监测压力容器内部液态CO₂的温度、压力和液位等参数的变化，结合二氧化碳的相态属性图，实现系统内二氧化碳的相态判定，为液态CO₂的安全应用提供基础参数。

附图说明

图1为本发明的管道式容器系统示意图；

图2为本发明的球型式容器示意图；

图3为本发明的储罐式容器示意图；

图4为本发明的人工加热系统示意图；

图5为本发明的另一种方式的人工加热系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，本发明实施例提供了一种液态CO₂相变过程模拟测试系统，由液态CO₂泵压注系统1、密闭耐高压容器系统2、数据采集及储存系统3、废气及废液回收循环利用系统4、人工加热系统5五大部分组成，液态CO₂泵压注系统1与密闭耐高压容器系统2相连，密闭耐高压容器系统2分别与数据采集及储存系统3、废气及废液回收循环利用系统4、人工加热系统5相连。该液态CO₂相变过程模拟测试系统能针对不同类型的密闭耐高压容器，实时监测密闭耐高压容器内液态CO₂的温度、压力和液位等参数的变化，结合CO₂的相态属性图，实现系统内CO₂的相态判定。

本具体实施主要适用于研究液态CO₂相变过程模拟测试系统，研究液态CO₂相变过程中的温度、压力和液位随时间的变化，结合CO₂的相态属性图，实现系统内CO₂的相态判定。由五大系统，共18个部件组成。其中附图1-3中各有三个温度传感器和三个压力传感器，具体安装位置分别如附图1-3所示。

现具体以附图1为例，本发明提供了一种液态CO₂相变过程模拟测试系统，包括液态CO₂泵压注系统1、密闭耐高压容器系统2、数据采集及储存系统3、废气及废液回收循环利用系统4、人工加热系统5。具体的：液态CO₂泵注系统1包括杜瓦瓶6和柱塞泵7组成。密闭耐高压容器系统2包括密闭耐高压容器13、高压胶管和第一专用阀门12-1、第二专用阀门12-2组成。数据采集及储存系统3包括质量流量计10、第一温度传感器8-1、第一温度传感器8-2、第三温度传感器8-3、第一压力传感器9-1、第二压力传感器9-2、第三压力传感器9-3、液位传感器11、红外热像仪22、数据采集仪14和计算机15组成。废气及废液回收循环利用系统4由液化泵16和回收容器17组成。

该液态CO₂相变过程模拟测试系统在进行液态CO₂相变测试工作的过程中，首先是进行试验系统的组装、布置好质量流量计10、第一温度传感器8-1、第一温度传感器8-2、第三温度传感器8-3、第一压力传感器9-1、第二压力传感器9-2、第三压力传感器9-3、液位传感器11和红外热像仪22，并在开始系统测试前做好系统气密性的检查，经过检查整体系统处于正常状态时即可进行液态CO₂相变测试工作。

具体的，首先将第一专用阀门12-1处于关闭状态，第二专用阀门12-2处于开启状态，各项装置处于预备工作状态；开启杜瓦瓶6的阀门，先使气态CO₂通入密闭耐高压容器13，再通过柱塞泵7加压向密闭耐高压容器13中注入液态CO₂，根据需要调节流速分别为v₁、v₂、v₃，再根据研究需要控制注入密闭耐高压容器13的液态CO₂的量，分别为V₁、V₂、V₃；当注入密闭耐高压容器13的液态CO₂的量满足要求时，先后关闭杜瓦瓶6的阀门、柱塞泵7和第一专用阀门12-1；而后进一步观测密闭耐高压容器中液态CO₂的相变，相变过程中持续采集数据数小时，分别采集环境温度、密闭耐高压容器各点压力、密闭耐高压容器各点温度、液位和红外成像图等数据，采集数据经过数据采集仪14传输到计算机15并存储分析；在采集数据后，可利用人工加热系统5对耐高压密闭容器13人工控温，模拟不同的工况点环境温度，再持续采集数据数小时，存储于计算机以待分析；实验后，打开第二专用阀门12-2对密闭耐高压容器泄压，将实验废气排放到废气及废液回收循环利用系统4中，利用本发明的系统4，废气经过管路排往液化泵16，得到液态CO₂，最后收集储存于回收容器17。

为实现系统内CO₂的相态判定，本发明提供两种形式，分别为：

(1)结合CO₂的相态属性图，实现系统内CO₂的相态判定；

(2)结合红外成像仪视频输出信号，实现系统内CO₂的相态判定。

本具体实施方式根据不同工况，设计针对三种不同类型的密闭耐高压容器，分别为管道式、球型式和储罐式密闭耐高压容器。并考虑到不同工况温度对实验的影响，采用人工加热系统，模拟温度对系统的影响。

液态CO₂泵压注系统由杜瓦瓶和柱塞泵组成，该系统可以为整个大系统提供不同流量的液态CO₂，为液态CO₂相变测试过程研究提供变量因子；密闭耐高压容器系统由密闭耐高压容器、两个专用阀门和高压胶管组成，该耐高压装载容器能承受大约在30MPa的高压；数据采集及储存系统由质量流量计、温度传感器、压力传感器、液位传感器、红外热像仪、数据采集仪和计算机组成，能做到实时采集密闭耐高压容器内的数据变化，并传输、存储数据于计算机；废气及废液回收循环利用系统由液化泵和回收容器组成，该系统能100％的吸收CO₂废气液，不对环境造成污染。该系统具有可重复性实验的性能，可以得到大量的实验数据供研究。

本具体实施方式主要由液态CO₂泵压注系统、密闭耐高压容器系统、数据采集及储存系统、废气及废液回收循环利用系统、人工加热系统五大部分组成。其中，液态CO₂泵注系统、密闭耐高压容器系统、数据采集及储存系统从左往右依次排列，整齐有序。其中液态CO₂泵注系统安装放置于平整地面上，位于整个系统的最左边。密闭耐高压容器系统安装在距离液态CO₂泵注系统约0.5米的地方，位于整个系统的中间位置，其中密闭耐高压容器要固定在平整地面。废气及废液回收循环利用系统安设在整个系统的最右边，实现废气、液的回收。数据采集及储存系统安设在整个系统的侧面，方便操控整个系统。

本具体实施方式中，其液态CO₂泵压注系统的选型及主要参数：本发明选择型号为：真空绝热的不锈钢压力容器的杜瓦瓶，其能较好的储存、运输和安全、可靠的使用液态二氧化碳。柱塞泵采用手动变量柱塞泵，能在低温、高压情况下输送液态。本系统选用两台柱塞泵(一台留作备用)。杜瓦瓶和柱塞泵之间用与之匹配的高压胶管连接，注入到密闭耐高压容器里面，其间由质量流量计监测液态CO₂的流量。

本具体实施方式中，其密闭耐高压容器系统的选型及主要参数：本发明有三种不同类型的密闭耐高压容器，分别为管道式、球型式和储罐式的密闭耐高压容器，作为二氧化碳的装载容器。高压胶管连接着液态CO₂泵注系统和密闭耐高压容器系统以及废气及废液回收系统。

本具体实施方式中，其数据采集及储存系统由质量流量计、温度传感器、压力传感器、液位传感器、红外热成像仪、数据采集仪和计算机组成。其数据采集及储存系统的选型及主要参数：本发明选择型号为，传感器装置由质量流量计、压力传感器、温度传感器、液位传感器、红外热像仪和若干导线组成。根据本发明的工况条件，上述传感器装置均采用能耐低温、耐高压的型号。红外热像仪由红外镜头、红外探测器、光学成像系统和电子处理系统组成。本系统的传感器通过与数据采集仪连接，将数据传输到计算机。数据采集仪和计算机主要为采集储存和分析处理数据的作用。

本具体实施方式中，采用的红外热像仪，它是利用红外镜头、红外探测器、光学成像系统和电子处理系统组成。密闭耐高压容器中液态CO₂的红外热辐射能量分布反映到红外探测器的光敏元上，由探测器将红外辐射能量转换成电信号，经放大处理并转换成标准视频信号，在监视器上显示出红外热图，从而分析密闭耐高压容器中液态CO₂的相态分布。

本具体实施方式中，液位传感器采用超声波液位计传感器，其利用超声波脉冲回波方法的原理，由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。液位传感器安装于密闭压力容器顶部，液位传感器将接收到的信号经数据采集仪传输到计算机，进一步存储和分析。

本具体实施方式中，为了将实验废气收集起来，防止CO₂气体污染环境。利用本专利的系统，即废气及废液回收循环利用系统，液态CO₂经过相变实验后，打开专用阀门对密闭耐高压容器泄压，废气经过管路排往液化泵，得到液态CO₂，最后收集存储于回收容器。

气密性检测分为两个阶段。第一个阶段是往密闭耐高压容器通入一定流量的气态CO₂，两个专用阀门处于关闭，观察有无明显漏风，如有明显漏风，则找到漏风位置，实施漏风处理；如无明显漏风，则进行第二阶段，采用手持式红外热像仪对准密闭耐高压容器外壁，可以移动手持式红外热像仪使密闭耐高压容器外壁全方位都在热像仪的拍摄范围内，用手持式红外热像仪采集密闭耐高压容器外壁表面温度图像，根据红外温度图像精确判断密闭耐高压容器的气密性。

本具体实施方式考虑到密闭耐高压容器内CO₂压力可能会迅速突增，超出密闭耐高压容器耐压能力，故第二专用阀门采用泄压阀，一旦密闭耐高压容器内压力超限，泄压阀立即打开，并发出泄压报警信号，做到自动安全泄压。

环境温度对实验的影响也是需要被考虑。本发明中利用某种型号的温度计测量出当时、当地的环境温度。

本具体实施方式提供两种加热方式，此加热方式为第一种，考虑到温度对实验的影响，本系统需要对环境温度进行监测控制。当液态CO₂被注入密闭耐高压容器中，待其出现气液平衡后，利用安装在密闭压力容器内的电加热丝来对CO₂加热，创造不同的温度环境。电加热丝加热系统包括电加热丝、温控仪、继电器、电源和开关。由温控仪精确控制温度变化，根据需要提供温度，模拟控制外部不同工况温度，使形成新的气液平衡。

本具体实施方式提供两种加热方式，此加热方式为第二种，考虑到温度对实验的影响，本系统需要对环境温度进行监测控制。当液态CO₂被注入密闭耐高压容器中，待其出现气液平衡后，利用电加热膜均匀加热密闭耐高压容器外壁，电加热膜采用数据线连接计算机，由计算机控制温度变化，根据需要提供的实验温度，模拟控制外部不同工况温度，由于管壁的易导热性，热量会迅速由管壁表面向管道内部的液体和气体传导，从而形成新的气液平衡。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。