CN104297072A - 一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置及方法，实验装置包括数据采集控制系统和超临界二氧化碳闭式循环系统。超临界二氧化碳循环系统由二氧化碳储气罐提供二氧化碳气体，经二氧化碳流量控制阀进入二氧化碳循环管路，分别流经压力表、温度计、二氧化碳物性分析仪等数据测量仪器；再经减压控制装置和换热器后完成一个超临界二氧化碳闭式循环；其中换热器通过冷却水循环管路与循环水泵和冷却蓄水池相连，在压缩机进口前装有吹扫阀，在压缩后压力表后面设置有超压安全阀。数据采集控制系统可集中控制二氧化碳流量控制阀、吹扫阀、压缩机电机、循环水泵、二氧化碳物性分析仪和减压控制装置。本发明实验装置安全高效，可操作性强，实验数据可靠。

Description

一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置及方法，尤其涉及一种用于超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验研究的分析实验装置及方法。

背景技术

纯净物质要根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化。在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力。温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体。超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质，它基本上仍是一种气态，但又不同于一般气体，是一种稠密的气态，其密度比一般气体要大两个数量级，与液体相近，它的粘度比液体小，但扩散速度比液体快(约两个数量级)，所以有较好的流动性和传递性能，逐渐被用作动力流体机械的循环工质。而由于二氧化碳的超临界状态相对容易达到，临界温度为31.26℃，临界压力为7.29MPa，并且其在自然界中非常容易获得，制造成本低廉，无毒无害、安全可靠，所以超临界二氧化碳闭式布雷顿循环热力发电系统被认为是未来清洁能源发电领域最有潜力的方案之一。相比传统的蒸汽轮机朗肯循环发电系统，采用超临界二氧化碳流体作为系统循环工质，具有工作参数适中、热效率高、结构简单紧凑、不依赖水源、安全性高等特点，很好解决了传统蒸汽轮机循环所存在的问题，非常适合作为太阳能热发电、高温核电等清洁能源的动力系统。

但也正是由于超临界流体具有的这些独特性质导致其物理性质，如粘度、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感，在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。基于上述原因，在将超临界二氧化碳作为动力流体机械循环工质利用前，其物性随温度、压力变化的规律分析尤为重要。但由于超临界流体的压力和温度都较高，所以，目前多数专家学者主要以理论分析和数值模拟手段对超临界二氧化碳闭式循环物性进行分析研究，并没有相关可用于高校教学、研究的实验装置，因此，急需一种可用于超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验研究的分析实验装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中存在的不足之处，提供了一种安全高效、可操作性强、实验数据可靠、可用于超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验研究的分析实验装置及方法。

技术方案：本发明的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，它包括数据采集控制系统和超临界二氧化碳闭式循环系统，所述的数据采集控制系统包括分别与计算机相连的变频控制装置和数据采集控制模块；所述的超临界二氧化碳闭式循环系统包括二氧化碳储气罐、与二氧化碳储气罐相连接的二氧化碳循环管路，二氧化碳储气罐的出口管路上设有二氧化碳流量控制阀，二氧化碳循环管路上依次设有压缩前压力表、压缩前温度计、切断阀、压缩前二氧化碳物性分析仪、切断阀、压缩机、切断阀、压缩后二氧化碳物性分析仪、切断阀、压缩后压力表、压缩后温度计、切断阀、减压控制装置、切断阀、减压后压力表、减压后温度计和换热器，串连成一个超临界二氧化碳闭式循环；所述换热器上连有与循环水泵和冷却蓄水池相连通的冷却水循环管路，在压缩机入口管路上设有吹扫阀，在压缩后压力表后设有超压安全阀；所述压缩机上连有与变频控制装置相连的压缩机电机；所述的循环水泵与变频控制装置相连；所述的压缩前二氧化碳物性分析仪、压缩后二氧化碳物性分析仪和减压控制装置分别与数据采集控制模块相连；所述的二氧化碳流量控制阀和吹扫阀直接与计算机相连。

所述超压安全阀的出口管路与大气相通，安全压力值为25MPa。

所述吹扫阀管路出口与大气相通，启动前的吹扫时间设置为100s。

所述压缩机的压比控制范围为1～10。

所述减压装置的出口压力控制范围为2.5MPa～10MPa。

所述循环水泵控制二氧化碳冷却后温度范围为28℃～90℃。

所述二氧化碳循环管路的耐压强度为50MPa。

一种使用上所述装置的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验方法，包括如下步骤：

(1)吹扫预热过程：通过计算机发出“吹扫阀启动”和“压缩机启动”指令，变频控制装置控制打开吹扫阀，压缩机按照启动频率和转速进行预热启动，同时对二氧化碳的循环管路进行吹扫；吹扫结束后，通过计算机发出“吹扫阀关闭”指令，关闭吹扫阀，然后计算机发出“系统启动”指令，同时控制二氧化碳流量控制阀、变频控制装置和数据采集控制模块，二氧化碳流量控制阀按照指定流量打开，二氧化碳气体进入二氧化碳循环管路，依次流经压缩前二氧化碳分析仪、压缩后二氧化碳分析仪、减压控制装置、换热器及各切断阀，形成超临界二氧化碳闭式循环；与此同时，启动循环水泵，对冷却水循环管路充满冷却水，使冷却水流动于换热器与冷却蓄水池之间；待超临界二氧化碳闭式循环稳定后，计算机发出“二氧化碳流量控制阀”关闭指令，将二氧化碳流量控制阀关闭，系统装置进入实验状态；

(2)实验过程：通过计算机控制界面可输入压比、二氧化碳压缩前压力、温度初始数据，指令信号经变频控制装置和数据采集控制模块分别控制压缩机电机的转速、减压控制装置和循环水泵的流量，进而达到各指定参数；超临界二氧化碳循环系统稳定后，记录各压力表和各温度计的实验数据，同时将压缩前后的二氧化碳物性分析仪实验数据经数据采集控制模块传输至计算机中，全程记录二氧化碳密度、黏度、压缩因子的物理量，完成实验过程；

(3)收气过程：控制计算机发出“实验完毕”指令，变频控制装置和数据采集控制模块经信号指令处理后，压缩机电机逐渐降低至最低转速，形成通风机效果，并保证压缩机逐渐减速平稳停机；循环水泵逐渐停机，各二氧化碳物性分析仪、减压控制装置停止工作，二氧化碳流量控制阀被打开，同时手动打开二氧化碳闭式循环管路起始端的切断阀；待计算机界面显示二氧化碳流量控制阀的流量接近0时，二氧化碳气体回收至二氧化碳储气罐中，控制计算机发出“关闭压缩机”指令，通过变频控制装置控制压缩机停止工作；关闭循环管路起始端的切断阀。

有益效果：本发明提供了一种能够实现二氧化碳在整个跨临界温度范围内各压力条件下的物理性质数据的测量装置，可全面分析超临界二氧化碳闭式循环的压缩特性；通过计算机进行集中控制和数据采集，结合变频技术和数字模块技术，使得实验装置结构简单，可操作性强，实验数据翔实可靠，通过该实验装置完善了超临界二氧化碳闭式循环在临界点区域物性变化随温度、压力变化敏感问题的研究方法。同时本实验装置安装有安全阀，在实验过程中，当压缩机出口处压力超过25MPa后，超压安全阀将自动打开，将超压二氧化碳气体排入大气；当压力降至25MPa以下后，超压安全阀将自动关闭，确保实验装置安全可靠。而且由于本实验装置压力、温度较高，为确保实验装置的数据可靠性和可拓展性，在压缩前后二氧化碳物性分析和减压控制装置的前后分别装有切断阀，一旦这些仪器装置损坏或需要更新，可开启仪器前后的切断阀，将该仪器装置进行更换，并且可保证二氧化碳闭式循环的整体性不被破坏。

附图说明

图1为本发明的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置示意图。

图中：Ⅰ-数据采集控制系统，Ⅱ-超临界二氧化碳闭式循环系统，1-计算机，2-变频控制装置，3-数据采集控制模块，4-二氧化碳储气罐，5-二氧化碳流量控制阀，6-1～6-3-压力表，7-1～7-3-温度计，8-1～8-6-切断阀，9-1～9-2-二氧化碳物性分析仪，10-吹扫阀，11-压缩机，12-压缩机电机，13-超压安全阀，14-减压控制装置，15-换热器，16-循环水泵，17-冷却蓄水池，18-二氧化碳循环管路，19-冷却水循环管路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：

本发明的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置包括数据采集控制系统Ⅰ和超临界二氧化碳闭式循环系统Ⅱ。其中，数据采集控制系统Ⅰ包括变频控制装置2和数据采集控制模块3分别与计算机1相连。超临界二氧化碳循环系统Ⅱ由二氧化碳储气罐4与二氧化碳流量控制阀5相连，通过二氧化碳循环管路18分别将压缩前压力表6-1、压缩前温度计7-1、切断阀8-1、压缩前二氧化碳物性分析仪9-1、切断阀8-2、压缩机11、切断阀8-3、压缩后二氧化碳物性分析仪9-2、切断阀8-4、压缩后压力表6-2、压缩后温度计7-2、切断阀8-5、减压控制装置14、切断阀8-6、减压后压力表6-3、减压后温度计7-3和换热器15串连成一个超临界二氧化碳闭式循环；换热器15通过冷却水循环管路19与循环水泵16和冷却蓄水池17相连，在压缩机11进口前装有吹扫阀10，在压缩后压力表6-2后装有超压安全阀13。压缩机电机12和循环水泵16分别与变频控制装置2相连，压缩前二氧化碳物性分析仪9-1、压缩后二氧化碳物性分析仪9-2和减压控制装置14分别与数据采集控制模块3相连，二氧化碳流量控制阀5和吹扫阀10直接与计算机1相连。

实验装置超压安全阀13安装在压缩后压力表6-2后面的管路上，其管路出口与大气相通，当压缩机出口的压力高于25MPa时，该安全阀13打开，确保超临界二氧化碳闭式循环管路18安全。吹扫阀10安装在压缩机11进口前与切断阀8-2之间的管路上，其管路出口与大气相通，并与数据采集控制模块3相连，可通过计算机1控制，实验开始前进行100s的实验装置吹扫，这样可确保每次实验系统管路的二氧化碳纯度，同时对压缩机11开启具有热启动的保护功能。压缩机电机12、循环水泵16均与变频控制装置2相连，可通过计算机1进行电机转速控制，进而可调整压缩机11的压比和换热器15的换热温度，实现二氧化碳压缩前温度的控制。减压装置14与数据采集控制模块3相连，可通过计算机1控制出口压力的大小，实现二氧化碳压缩前压力的控制。二氧化碳流量控制阀5安装在二氧化碳储气罐4的出口，二氧化碳循环管路18进口前，并与计算机1相连，可通过计算机1准确控制二氧化碳进出口的流量。

本发明的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验方法：

(1)实验装置吹扫预热过程：计算机1发出“吹扫阀启动”和“压缩机启动”指令，通过数据线将该指令传输到变频控制装置2和吹扫阀10，经信号指令处理后，实验装置的吹扫阀10打开，压缩机11按照启动频率和转速进行预热启动，同时对二氧化碳的循环管路18进行100s吹扫；吹扫结束后，通过计算机1发出“吹扫阀关闭”指令将吹扫阀10关闭，然后发出“系统启动”指令，通过数据线将该指令传输到二氧化碳流量控制阀5、变频控制装置2和数据采集控制模块3，经信号指令处理后，二氧化碳流量控制阀5按照指定流量打开，二氧化碳气体进入二氧化碳循环管路18，依次流经压缩前二氧化碳分析仪9-1、压缩后二氧化碳分析仪9-2、减压控制装置14、换热器15及各切断阀8-1～8-6，形成超临界二氧化碳闭式循环；与此同时，循环水泵16启动，冷却水循环管路19充满冷却水，冷却水流动于换热器15与冷却蓄水池17之间；待超临界二氧化碳闭式循环稳定后，计算机1发出“二氧化碳流量控制阀”关闭指令，将二氧化碳流量控制阀5关闭，系统装置进入实验状态。

(2)实验过程：通过计算机1控制界面可输入压比、二氧化碳压缩前压力、温度初始数据，然后点击“确定”，指令信号经变频控制装置2和数据采集控制模块3分别控制压缩机电机12转速、减压控制装置14和循环水泵16流量，进而达到各指定参数；超临界二氧化碳循环系统稳定后，记录各压力表6-1、6-2、6-3和温度计7-1、7-2、7-3实验数据，同时压缩前后二氧化碳物性分析仪9-1、9-2、9-2实验数据经数据采集控制模块3传输至计算机1中，可全程记录二氧化碳密度、黏度、压缩因子等物理性质。

(3)收气过程：实验完毕后，计算机1发出“实验完毕”指令，通过数据线将该指令传输到变频控制装置2和数据采集控制模块3，经信号指令处理后，压缩机电机12逐渐降低至最低转速，形成通风机效果，并保证压缩机11逐渐减速平稳停机；循环水泵16逐渐停机，二氧化碳物性分析仪9-1、9-2、9-2、减压控制装置14停止工作，二氧化碳流量控制阀5打开，同时手动打开二氧化碳闭式循环管路18起始端的切断阀8-1；待计算机1界面显示二氧化碳流量控制阀5的流量接近0时，二氧化碳气体回收至二氧化碳储气罐4中，计算机1发出“关闭压缩机”指令，通过数据线将该指令传输到变频控制装置2，经信号指令处理后，压缩机11停止工作；关闭循环管路起始端的切断阀8-1。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：它包括数据采集控制系统（Ⅰ）和超临界二氧化碳闭式循环系统（Ⅱ），所述的数据采集控制系统（Ⅰ）包括计算机（1）、分别与计算机（1）相连的变频控制装置（2）和数据采集控制模块（3）；所述的超临界二氧化碳闭式循环系统（Ⅱ）包括二氧化碳储气罐（4）、与二氧化碳储气罐（4）相连接的二氧化碳循环管路（18），二氧化碳储气罐（4）的出口管路上设有二氧化碳流量控制阀（5），二氧化碳循环管路（18）上依次设有压缩前压力表（6-1）、压缩前温度计（7-1）、切断阀（8-1）、压缩前二氧化碳物性分析仪（9-1）、切断阀（8-2）、压缩机（11）、切断阀（8-3）、压缩后二氧化碳物性分析仪（9-2）、切断阀（8-4）、压缩后压力表（6-2）、压缩后温度计（7-2）、切断阀（8-5）、减压控制装置（14）、切断阀（8-6）、减压后压力表（6-3）、减压后温度计（7-3）和换热器（15），串连成一个超临界二氧化碳闭式循环；所述换热器（15）上连有与循环水泵（16）和冷却蓄水池（17）相连通的冷却水循环管路（19），在压缩机（11）入口管路上设有吹扫阀（10），在压缩后压力表（6-2）后设有超压安全阀（13）；所述压缩机（11）上连有与变频控制装置（2）相连的压缩机电机（12）；所述的循环水泵（16）与变频控制装置（2）相连；所述的压缩前二氧化碳物性分析仪（9-1）、压缩后二氧化碳物性分析仪（9-2）和减压控制装置（14）分别与数据采集控制模块（3）相连；所述的二氧化碳流量控制阀（5）和吹扫阀（10）直接与计算机（1）相连。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述超压安全阀（13）的出口管路与大气相通，安全压力值为25MPa。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述吹扫阀（10）管路出口与大气相通，启动前的吹扫时间设置为100s。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述压缩机（11）的压比控制范围为1~10。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述减压装置（14）的出口压力控制范围为2.5MPa~10 MPa。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述循环水泵（16）控制二氧化碳冷却后温度范围为28℃~90℃。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验装置，其特征在于：所述二氧化碳循环管路（18）的耐压强度为50 MPa。

8.一种使用如权利要求1所述装置的超临界二氧化碳闭式循环压缩特性实验方法，其特征在于：实验方法包括如下步骤：

（1）吹扫预热过程：通过计算机（1）发出“吹扫阀启动”和“压缩机启动”指令，变频控制装置（2）控制打开吹扫阀（10），压缩机（11）按照启动频率和转速进行预热启动，同时对二氧化碳的循环管路（18）进行吹扫；吹扫结束后，通过计算机（1）发出“吹扫阀关闭”指令，关闭吹扫阀（10），然后计算机（1）发出“系统启动”指令，同时控制二氧化碳流量控制阀（5）、变频控制装置（2）和数据采集控制模块（3），二氧化碳流量控制阀（5）按照指定流量打开，二氧化碳气体进入二氧化碳循环管路（18），依次流经压缩前二氧化碳分析仪（9-1）、压缩后二氧化碳分析仪（9-2）、减压控制装置（14）、换热器（15）及各切断阀，形成超临界二氧化碳闭式循环；与此同时，启动循环水泵（16），对冷却水循环管路（19）充满冷却水，使冷却水流动于换热器（15）与冷却蓄水池（17）之间；待超临界二氧化碳闭式循环稳定后，计算机（1）发出“二氧化碳流量控制阀”关闭指令，将二氧化碳流量控制阀（5）关闭，系统装置进入实验状态；

（2）实验过程：通过计算机（1）控制界面可输入压比、二氧化碳压缩前压力、温度初始数据，指令信号经变频控制装置（2）和数据采集控制模块（3）分别控制压缩机电机（12）的转速、减压控制装置（14）和循环水泵（16）的流量，进而达到各指定参数；超临界二氧化碳循环系统稳定后，记录各压力表和各温度计的实验数据，同时将压缩前后的二氧化碳物性分析仪实验数据经数据采集控制模块（3）传输至计算机（1）中，全程记录二氧化碳密度、黏度、压缩因子的物理量，完成实验过程；

（3）收气过程：控制计算机（1）发出“实验完毕”指令，变频控制装置（2）和数据采集控制模块（3）经信号指令处理后，压缩机电机（12）逐渐降低至最低转速，形成通风机效果，并保证压缩机（11）逐渐减速平稳停机；循环水泵（16）逐渐停机，各二氧化碳物性分析仪、减压控制装置（14）停止工作，二氧化碳流量控制阀（5）被打开，同时手动打开二氧化碳闭式循环管路（18）起始端的切断阀（8-1）；待计算机（1）界面显示二氧化碳流量控制阀（5）的流量接近0时，二氧化碳气体回收至二氧化碳储气罐（4）中，控制计算机（1）发出“关闭压缩机”指令，通过变频控制装置（2）控制压缩机（11）停止工作；关闭循环管路起始端的切断阀（8-1）。