储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及的是储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置及方法，其中储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置包括：实验储罐、矩形腔体、粒子图像测速装置、数据采集控制系统、加热装置，实验储罐、矩形腔体材质相同且透明，实验储罐设置于矩形腔体内，实验介质充满矩形腔体与实验储罐之间；罐底设置多组加热盘管，加热管上等间距布置多个接口，接口可拆卸地连接喷嘴；通过切换阀门，切换实验流程，构建不同的实验工况；粒子图像测速装置通过拍摄预先混合在实验介质中的示踪粒子和温度染色剂，获得实验储罐内介质的流动和温度分布数据。本发明专利技术通过构建能够模拟原油储罐热油喷洒加热过程，实现对其的流场及温度场的可视。

【技术实现步骤摘要】
储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置及方法
：本专利技术涉及的是采用热油喷洒加热过程的储存原油或成品油的储罐内的传热和流动规律的研究
，具体涉及的是储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置及方法。
技术介绍
：按照《国家石油储备中长期规划》，2020年以前，我国计划形成相当于100天石油净进口量的储备总规模，但据多方测算，目前我国原油储备仍只相当于不足40天的石油净进口量，面对目前的国际油价形式，我国必然要进一步扩充石油战略储备，同时积极发展民营企业及社会的储备力量。随原油储存量的增大，其储存过程的安全性和经济问题越发引起重视。由于我国所产多为易凝高粘原油，其常温下流动性差，低温下物性变化发杂，一般在管理中操作不当，极易发生凝管、凝罐等安全事故。为了保证易凝高粘原油的安全储存，工业上普遍采用加热措施。原油储罐有多种加热方式，工业上较为常见的是管式加热方式，这是一种间接加热方式，其利用锅炉等外部设备产生的蒸汽通过储罐内的加热管与原油进行间接换热升温，传热工质可以采用蒸汽或热水。按照加热器结构不同，有分段式、蛇形管式、U型管式和立体结构加热器等。该种结构方式的加热器便于安装、拆卸和修理，易于根据加热量需求调整加热器的加热面积，并且该加热结构中不同组之间相互独立，某一组发生故障时，可停用该组，不影响其他组的正常工作。但其也存在明显的缺陷，如在储罐内的分布不够均匀，容易造成油温的不均匀分布，且升温速率较慢，并且由于管子的连接头较多，容易造成管子接头处焊口的损坏。因此，该加热结构常用在不要求严格控制含水量、间歇加热作业、并需经常调节加热面积的油罐中。管式加热器是原油储罐早期主要采用的加热方式，但长期运行后，易造成钢管锈蚀损坏，一旦穿孔，泄露的蒸汽等工质将对油品质量造成影响。近年来，热油循环方法因其高传热效率、消除了因设备故障对油品质量造成影响的缺陷，逐渐在大型油库中投入使用，以大庆油田为例，通过改造和新建，原油、成品油罐几乎都已采用该种加热方式。从原理上来说，热油循环采用的是罐外强制循环升温方式，其基本原理是在罐内油品尚处于流动状态的前提下，利用泵将油品从罐内抽出，经换热器或加热炉升温后在打回到储罐内，利用冷热油品之间的对流来升高油温。该种加热方式需要为循环热油配备热油泵，采用换热器时，还需要锅炉提供换热工质。虽然在实际生产中，热油循环加热工艺方式取得了较好的应用效果，但其也存在一定的缺陷，如受加热器结构限制，该种加热方式也不可避免的存在加热死区。此外，该种加热工艺对流体的粘度要求较高，流体粘度越低，加热过程中冷热原油的混合换热越剧烈，粘度过高时，甚至影响热油泵的工作特性。理论上来说，通过对热油循环加热过程中的热油温度和流量进行调节，可以在一定程度上减小加热死区，调控冷热油的混合强度，进而改变加热效果。但目前，对该种加热方式的认识仅限于工业应用，受其加热过程中涉及的流动及传热的强耦合特性，加之被加热的介质的复杂物性变化，导致相关的理论研究进展缓慢，阻碍了对该种加热工艺方式的有效调控方法和优化改进措施的建立。在已有的研究中，本申请的第一专利技术人曾以数值模拟方式对该种加热方式下，原油的传热和流动的耦合规律进行了研究，探讨了加热温度和流量对储罐内的温度场和速度场及加热效果的影响规律，并提出了对热油循环加热工艺的调控方法，但该项研究主要是以理论研究为主，由于缺少有力的实验条件支持，所获得的研究成果有待进一步深入提炼和总结。从本质上来说，热油循环加热方式属于射流技术在传热领域上的应用，热油循环产生的射流不仅受初始动量作用，还受冷热油密度差产生的浮力作用，因此，属于射流中的浮力射流类型。对于浮力射流，在环境水动力学等领域已进行了大量的研究，主要针对温排水、污水的排放问题。但由于实际应用的空间环境、工艺条件以及被加热的介质的物性条件的显著差异，导致已有的关于浮力射流的相关研究成果不能直接应用于原油储罐的加热循环加热工艺中。热油喷洒加热工艺方式具有显著的优势和进一步推广应用的前景，但目前对其加热过程的基本特性，尤其是加热过程中的温度场、速度场的分布及演化规律，传热、流动及被加热的介质理化表现的强耦合特性认识不足。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，这种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置用于解决已有的关于浮力射流的相关研究成果不能直接应用于原油储罐的加热循环加热工艺中的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：这种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置包括实验储罐、矩形腔体、粒子图像测速装置、数据采集控制系统、加热装置，实验储罐、矩形腔体均为透明的，且二者材质相同，实验储罐设置于矩形腔体内，实验介质充满矩形腔体与实验储罐之间；实验储罐具有浮顶，浮顶布置多个测试孔，测试管穿过测试孔伸入实验储罐内，伸出浮顶部分通过导线与数据采集控制系统相连，测试管安装多个温度传感器；罐壁底部设置有储罐进口和储罐出口，罐底设置多组加热盘管，每组加热管上等间距布置多个接口，接口可拆卸地连接喷嘴；储罐进口、储罐出口、多组加热盘管进口均与相应的支管路连接，各支管路均设置阀门、温度传感器和流量传感器，并构成实验管路，实验管路的另一端与一组加热箱相连，在加热箱和实验储罐之间安装有一组离心泵，通过切换阀门，使不同支管路间相互连通，切换实验流程，构建不同的实验工况；粒子图像测速装置通过拍摄预先混合在实验介质中的示踪粒子和温度染色剂，获得实验储罐内介质的流动和温度分布数据。上述方案中喷嘴与弯管螺纹连接，弯管另一端与接口连接，喷嘴及弯管有多种形状及规格，通过不同规格及形状的弯管和喷嘴自由组合，并结合加热盘管上不同位置的接口是否安装弯管及喷嘴，实现多种工况的观测，研究不同因素对热油喷洒效果的影响。上述方案中粒子图像测速装置包括图像采集系统、激光光源系统、计算机中的软件系统。上述方案中粒子图像测速装置通过拍摄预先向实验介质添加的示踪粒子和温度染色剂来获得整体实验介质的三维的流动及温度数据，其采集数据温度场与速度场同步，通过温度传感器的温度数据与温度染色剂的温度数据相结合，获得准确的三维温度场数据，用于分析三维温度和速度的耦合特征。上述方案中测试管安装多个温度传感器的方式为：测试管上具有多个小孔，温度传感器头部通过测试管上的小孔伸出，温度传感器与小孔间采用与测试管相同材质的塑料密封，测试管伸出浮顶外部分的表面涂覆有保温涂料。上述方案中实验介质采用模拟油，模拟油以异辛烷和变压器油为溶剂，以石蜡为溶质，模拟油的化学组成便于控制，可以得到不同物理性质的实验介质。一种储油罐热油喷洒加热过程实验方法：一、在预定接口可拆卸安装预定形状和规格的喷嘴及弯管；二、利用加热装置将实验介质加热到预定温度；三、调整实验储罐浮顶位置，使实验储罐形成指定高度的储液空间；四、打开储罐进口阀门，通过第一离心泵以预定流量输出达到预定温度的实验介质，使其流经流量传感器、压力传感器及温度传感器，进入实验储罐；五、实验介质达到适当高度的储液空间后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：这种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置包括实验储罐（3）、矩形腔体（1）、粒子图像测速装置、数据采集控制系统、加热装置，实验储罐、矩形腔体（1）均为透明的，且二者材质相同，实验储罐设置于矩形腔体（1）内，实验介质充满矩形腔体（1）与实验储罐（3）之间；实验储罐（3）具有浮顶，浮顶布置多个测试孔（10），测试管（6）穿过测试孔（10）伸入实验储罐（3）内，伸出浮顶部分通过导线与数据采集控制系统相连，测试管（6）安装多个温度传感器；罐壁底部设置有储罐进口和储罐出口，罐底设置多组加热盘管，每组加热管（12）上等间距布置多个接口，接口可拆卸地连接喷嘴（13）；储罐进口、储罐出口、多组加热盘管进口均与相应的支管路连接，各支管路均设置阀门、温度传感器和流量传感器，并构成实验管路，实验管路的另一端与一组加热箱相连，在加热箱和实验储罐（3）之间安装有一组离心泵，通过切换阀门，使不同支管路间相互连通，切换实验流程，构建不同的实验工况；粒子图像测速装置通过拍摄预先混合在实验介质中的示踪粒子和温度染色剂，获得实验储罐内介质的流动和温度分布数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：这种储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置包括实验储罐（3）、矩形腔体（1）、粒子图像测速装置、数据采集控制系统、加热装置，实验储罐、矩形腔体（1）均为透明的，且二者材质相同，实验储罐设置于矩形腔体（1）内，实验介质充满矩形腔体（1）与实验储罐（3）之间；实验储罐（3）具有浮顶，浮顶布置多个测试孔（10），测试管（6）穿过测试孔（10）伸入实验储罐（3）内，伸出浮顶部分通过导线与数据采集控制系统相连，测试管（6）安装多个温度传感器；罐壁底部设置有储罐进口和储罐出口，罐底设置多组加热盘管，每组加热管（12）上等间距布置多个接口，接口可拆卸地连接喷嘴（13）；储罐进口、储罐出口、多组加热盘管进口均与相应的支管路连接，各支管路均设置阀门、温度传感器和流量传感器，并构成实验管路，实验管路的另一端与一组加热箱相连，在加热箱和实验储罐（3）之间安装有一组离心泵，通过切换阀门，使不同支管路间相互连通，切换实验流程，构建不同的实验工况；粒子图像测速装置通过拍摄预先混合在实验介质中的示踪粒子和温度染色剂，获得实验储罐内介质的流动和温度分布数据。


2.根据权利要求1所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：所述的喷嘴（13）与弯管（14）螺纹连接，弯管（14）另一端与接口连接，喷嘴（13）及弯管（14）有多种形状及规格，通过不同规格及形状的弯管（14）和喷嘴（13）自由组合，并结合加热盘管上不同位置的接口是否安装弯管（14）及喷嘴（13），实现多种工况的观测，研究不同因素对热油喷洒效果的影响。


3.根据权利要求2所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：所述的粒子图像测速装置包括图像采集系统（4）、激光光源系统（5）、计算机中的软件系统。


4.根据权利要求3所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：所述的粒子图像测速装置通过拍摄预先向实验介质添加的示踪粒子和温度染色剂来获得整体实验介质的三维的流动及温度数据，其采集数据温度场与速度场同步，通过温度传感器的温度数据与温度染色剂的温度数据相结合，获得准确的三维温度场数据，用于分析三维温度和速度的耦合特征。


5.根据权利要求4所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：所述的测试管（6）安装多个温度传感器的方式为：测试管（6）上具有多个小孔，温度传感器头部通过测试管（6）上的小孔伸出，温度传感器与小孔间采用与测试管（6）相同材质的塑料密封，测试管（6）伸出浮顶外部分的表面涂覆有保温涂料。


6.根据权利要求5所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置，其特征在于：所述的实验介质采用模拟油，模拟油以异辛烷和变压器油为溶剂，以石蜡为溶质。


7.一种权利要求6所述的储油罐热油喷洒加热过程传热和流动规律模拟装置进行热油喷洒加热过程实验方法，其特征在于：
一、在预定接口可拆卸安装预定形状和规格的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵健，董航，赵伟强，刘扬，魏立新，李沅皓，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23