一种用于测量低温液体蒸发速率的装置及方法与流程

本公开涉及低温液体特性测量技术领域，具体涉及到一种用于测量低温液体蒸发速率的装置及方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着世界能源消耗日益增加，天然气作为一种清洁能源在传统化石能源中的使用占比逐渐增加，而液化天然气(lng)由于其独特的压缩特性，成为清洁能源储存和输送的主要方式。但是，液化天然气在常温常压下的沸点在-156℃，低温液体与环境较高的温差会迅速蒸发在大气中扩散蔓延，对于人员和设备带来极大的威胁。因此，通过确定液化天然气等类似低温液体的蒸发速率成为预测危害范围和理论建模的重要基础参数。另一种常用的低温液体如液态氮气，广泛应用在科研、医疗和生产领域，是一种相对安全的实验替代液体。在常温常压下液氮的沸点在-192℃～-197℃之间，因此泄漏在地面时也会迅速发生蒸发扩散，带来安全隐患。

而目前实验测量低温液体蒸发速率的方法主要通过称重传感器和温度热电偶两者之间的配合，通过温度热电阻测量液位的变化范围，由电子天平的质量变化来计算蒸发速率，具有实验装置简单、操作便捷、方法简便等优势。但是发明人发现，该种方法在实际测量中受外界因素影响较大，且低温液体放置在容器中较长时间后，容器外壁会形成空气凝结的冰霜，造成低温液体蒸发速率的下降，影响测量精度；而且在实际的泄漏工况中，液体的扩散大多是发生在没有围挡的无限大区域内，因此现有实验装置较难应用在实际的工况中。如相关的测量方法将lng导入筒状容器中，根据容器壁面上垂直分布的热电阻测量的平均温度的时间差，求出时间段内的平均蒸发速率。该方法是定量描述在有限空间内一定高度lng的平均蒸发速率。

技术实现要素：

本公开的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于测量低温液体蒸发速率的装置及方法，利用该装置可以有效测量低温液体在无限大表面扩散过程的蒸发速率，其结构简单、容易控制、操作方便，解决了测量精度差、工程应用效果差等问题。

为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种用于测量低温液体蒸发速率的装置，包括筒状容器、支撑架、平板、电子秤、若干个热电偶和数据采集系统，

所述筒状容器竖向安装在支撑架上，筒状容器内设置有液位计，筒状容器的上端开口，下端设置出口，出口的直径与筒状容器的直径比为1:15-25；

所述电子秤设置于筒状容器的下端，平板平放于电子秤上，平板的上表面安装所述若干个热电偶；

若干个热电偶包括设置于圆心处的热电偶和设置于不同直径的同心圆周上的热电偶，所述设置于圆心处的热电偶位于筒状容器的下端出口的正下方，该热电偶与出口之间的距离为1cm，减少低温液体在下落过程中与外界环境的热交换；

数据采集系统分别与电子秤和若干个热电偶连接，用于采集不同时间点时电子秤的测量重量和热电偶的测量温度。

将筒状容器竖向安装，筒状容器的上端开口，用于通过上端开口将低温液体倒入筒状容器中，筒状容器的下端设置出口，筒状容器的低温液体通过该出口流出，通过控制出口的直径，可以控制低温液体流出的速度。筒状容器的不同高度处的直径是恒定的，便于控制低温液体的流速。出口的直径远小于筒状容器的直径，使得低温液体形成稳定的薄壁孔口自由出流。

平板平放于筒状容器的下方，从筒状容器底部出口流出的低温液体直接被平板承接，并在平板表面扩散，可以有效模拟低温液体在无限大表面扩散时的蒸发速率。

设置于圆心处的热电偶位于筒状容器的底部出口的正下方，用于判断低温液体与平板接触的初始时间，其余的热电偶布置在不同直径的同心圆周上，用于判断低温液体的扩散范围，并通过数据采集系统实时记录温度的变化。

平板的下方设置电子秤，电子秤用于称量承接有低温液体的平板的质量，即用于实时测量平板上的质量变化。

根据低温液体从筒状容器中的流出速度、时间、平板上的质量变化、低温液体在平板上的扩散范围，计算低温液体在不同材质平板上的蒸发速度。

在一些实施例中，所述筒状容器为圆筒状容器。

在一些实施例中，所述出口设置于筒状容器的中心位置。以保证从出口流出的低温液体的流速、流量较为稳定。

在一些实施例中，所述筒状容器的侧壁和底壁均设置有保温层。

低温液体存放于筒状容器中后，如果筒状容器的侧壁和底壁均不保温，外界的热量则会通过筒状容器的侧壁和底壁向低温液体传递，加速筒状容器上端开口处低温液体的蒸发速率。经过一段时间后，容器外壁会形成空气凝结的冰霜，外界热量向低温液体传递减少，对低温液体的蒸发速率产生不利影响。所以，筒状容器的侧壁不保温设置时，容器内部的低温液体的蒸发速率受各个因素影响，蒸发速率的大小影响筒状容器内部低温液体的体积，影响筒状容器底部的低温液体的压强，进而影响筒状容器底部低温液体的流速，影响低温液体在不同材质的平板上的蒸发速率的测定。

保温层可以减少筒状容器的内外的热交换作用，使低温液体的热量来源趋于单一，保证低温液体蒸发速率的稳定性。

在一些实施例中，所述设置于圆心处的热电偶位于平板的中心位置。以保证低温液体在平板上均匀扩散。

在一些实施例中，所述设置于圆心处的热电偶位于平板的中心位置，且位于电子秤的中心位置。以保证电子秤测量的准确性。

在一些实施例中，所有的热电偶呈十字形排列，每个同心圆周上设置有四个热电偶。以测定低温液体在四个不同方向上的扩散速度，通过计算不同方向上扩散速度的平均值确定低温液体的扩散速度平均值。

进一步的，同一排中，相邻热电偶之间的距离相等，保证低温液体在不同方向扩散的距离相同；更进一步的，相邻热电偶之间的距离为8-15cm。

在一些实施例中，所述筒状容器的出口处设置有阀门。阀门调节出口的低温液体泄漏的流速，以模拟不同释放速率的泄漏过程。

在一些实施例中，所述平板的截面为方形，平板的宽为50-80cm，或，所述平板的截面为圆形，平板的直径为50-80cm。

一种用于测量低温液体蒸发速率的方法，包括如下步骤：

将低温液体缓慢倒入筒状容器中，当筒状容器中的液面趋于稳定后，打开出口，调节低温液体的流速，使低温液体均匀流出；

低温液体流至平板上，并在平板上向四周稳定扩散；

低温液体在平板上的蒸发速率＝(筒状容器中低温液体的总损失速率-筒状容器顶部的蒸发速率-平板上的液体增加率)/ρa，ρ为低温液体的密度，a为筒状容器顶部开口的表面积，m²。

进一步的，筒状容器中低温液体的总损失速率其中，h1为低温液体在平板上扩散t1时间内的液位下降高度，μ为流量系数，工程上取值在0.60～0.62之间，a为筒状容器顶部开口的表面积，m²。

进一步的，筒状容器顶部的蒸发速率q2＝πρe1r²，其中e1为非扩散液池的蒸发速度；ρ为低温液体的密度，kg/m³；r为圆筒容器直径，m。

进一步的，平板上的液体增加率其中，w1和w0分别是扩散时间为t1和t0时平板上的低温液体的质量。

本公开的有益效果是：

不同孔径的小孔可以模拟不同泄漏速率的实际场景，通过在混凝土表面布置温度热电阻可以有效监测液体的扩散范围，由天平记录液体的扩散质量，最终计算得到低温液体的蒸发速率。利用该装置可以有效测量低温液体在无限大表面扩散时的蒸发速率，整套装置结构简单，容易控制、操作方便，解决了测量精度差，工程应用效果差等问题。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的一个或一些实施例中的用于测量低温液体蒸发速率装置的结构示意图。

图2是本公开的一个或一些实施例中的温度热电阻布置的示意图。

图3是本公开的一个或一些实施例中的储液圆柱的主视图结构示意图。

其中：1、筒状容器；2、出口；3、热电阻；4、电子天平；5、液位计；6、混凝土板；7、支撑架；8、数据采集系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种用于测量低温液体蒸发速率的装置，包括圆筒容器1，出口2，温度热电阻3，电子天平4，液位计5，混凝土板6，支撑架7，数据采集系统8；

其中，圆筒容器1放置于支撑架7上，圆筒容器1中装有液位计5，测试用的混凝土板6放置在电子天平4上方，混凝土板6上从圆心向四周依次布置等距的温度热电阻3，如图2所示，通过温度热电阻3测量低温液体的扩散范围，由电子天平4测量液体在扩散过程的实时质量变化，同时记录整个扩散的时间，数据记录保存在数据采集系统8中。

所述的圆筒容器1为真空结构或为其他的保温结构，在加入低温液体后可以减少圆筒侧壁和底壁的热交换作用，底部通过螺纹连接出口2，出口2出口处装有橡胶塞，用于控制液体的释放；

所述的圆筒容器1中液位计5，用来实时记录圆筒容器1中液位的高度；

所述的圆筒容器1的出口2的大小可调，用于模拟不同释放速率的泄漏过程，且出口2的直径远小于圆筒直径，使得液体形成稳定的薄壁孔口自由出流；出口的半径r与筒状容器的半径r比为1:15-25。

所述混凝土板6上布置有低温热电阻3，出口2正下方布置一只温度热电阻3用于判断液体与板接触的初始时间，其余温度热电阻3沿混凝土板6前后左右四个方向等间距依次布置五只温度热电阻3，用于判断低温液体的扩散范围，通过数据采集系统8实时记录温度的变化；

所述混凝土板6水平放置在电子天平4上，用于实时测量混凝土板6上的质量变化；

所述的混凝土板6的尺寸和温度热电阻3布置的数量和位置可以根据泄漏量的大小进行调整，不局限于本文所述的数量和大小。

在一些实施方式中，所述混凝土板6可以换为其他材料的平板，用于测量低温液体在不同材质上的蒸发速率。

基于上述一种用于测量低温液体蒸发速率装置的方法，包括以下操作步骤：

①将圆筒容器1放置在支撑架7上，把一定量的低温液体从顶部缓缓倒入圆筒容器1中，此时由于圆筒容器1和低温液体之间巨大的温差会形成液面的沸腾，经过短暂的沸腾蒸发后，整个液面趋于稳定，此时打开出口2处的橡胶塞，使液体均匀流出，当出口2正下方的温度热电阻t0显示温度为-196℃左右时(即液氮在常压下的温度)，即认为低温液体与混凝土板6开始接触，记录下此时的液位高度h0、时间t0和天平的质量m0；

②由于圆筒容器1为敞口容器，出口2的面积相对于圆筒面积很小，因此液体从出口2的出流可认为是非恒定的自由出流，将非恒定的出流过程划分为许多微小时段，将每个微小时段dt内的流动近似看成恒定流，进行叠加处理，则在t0时刻出口2的流量为其中μ为流量系数，工程上取值一般在0.60～0.62之间；a为圆筒容器1顶部开口的表面积，m²；h0为加入液体的高度，m；g为重力加速度，m/s²。

③由于液池顶部是开放的，因此考虑液体顶部的蒸发速率q2(kg/s)表示为：q2＝πρe1r²；其中e1为非扩散液池的蒸发速度，这一数据可以通过不同文献查阅得出，液氮一般取值为1.77×10^-5，m/s；ρ为低温液体的密度，kg/m³；r为圆筒容器直径，m；因为顶部出口的热源仅仅为空气的热对流，因此蒸发速率远低于其他扩散液池的蒸发速率；

④因此，对于圆筒容器1中实际的泄漏速率进行修正，则修正的泄漏速率表示为qs-0＝q1-0-q2；

⑤随着低温液体的持续释放，在混凝土板6表面开始扩展到达下一个温度测试位置时，在四个方向相同位置的四个温度热电阻tr1、tl1、tu1和td1的响应时间会有延迟，但总体相差＜0.1s，因此在实验中选取液体到达4个温度热电阻的平均时间来表示低温液体扩散到相同距离温度热电阻位置的平均扩散时间t1，通过天平记录在液体扩散时间t1内的液位下降高度h1和液池扩散质量w1-1；以此类推液体扩散到其他热电阻的时间分别为t2、t3、t4和t5，液位下降高度为h2，…，h5，液池扩散的质量为w1-2，…，w1-5；

⑥当泄漏时间从t0增加到t1时，圆筒容器1的泄漏速率可表示为则修正的圆筒容器1的泄漏率可表示为：qs-1＝q1-1-q2，依次类推，在t1到t2，t2到t3，t3到t4，t4到t5时刻的圆筒容器1的泄漏速率分别为：修正的泄漏速率分别为qs-2＝q1-2-q2，…，qs-5＝q1-5-q2；

⑦此时由电子天平4记录的混凝土板6上液体扩散的质量增加率为q3，从t0到t1时间内液体扩散质量增加量计算如下：其中t1和t0是液体扩散到热电阻1和0处的平均扩散时间，w1和w0分别是扩散时间t1和t0内液池的扩散质量；依次类推，在t1到t2，t2到t3，t3到t4，t4到t5时刻的混凝土板的上液体的扩散质量分别为：w2，…，w5；质量增加率分别为：

⑧在液池扩散时间t1内的蒸发速率g1为：依次计算，在t2、t3、t4和t5时间内的蒸发速率为g2、g3、g4和g5(m/s)分别为：因此一定质量的低温液体在t1、t2、…、t5时间内的平均蒸发速率(m/s)为：

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。