CN110308179A - 一种毛细芯热柱热性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毛细芯热柱热性能测试系统，可以对换热性能进行测试实验与性能评估，该系统由测控系统、热能产生与存储系统、稳压系统、被测装置组件和泵阀组件等组成，可在较宽温度压力范围下进行测试，该系统也可以模拟可再生能源等非稳态的热能输出，实现大规模中高温蓄热装置阵列性能测试和运行策略研究，并能满足压缩空气储能系统关键部件研发测试等工作。

Description

一种毛细芯热柱热性能测试系统

技术领域

本发明属于蓄热或换热性能测试领域，涉及一种毛细芯热柱热性能测试系统。

背景技术

除了太阳能光热发电外，目前储能领域如压缩空气储能也发展十分迅猛，它是利用低谷电力通过压缩机把空气压缩到一定压力储存在储气罐中，并在用电高峰期间高压空气通过膨胀机进行发电。为了能进一步提高系统的效率，可以将压缩热通过换热器置换给循环水并储存起来，待发电时通过换热器把热量置换给高压空气，提高膨胀机入口温度，从而提高效率。因此需要对换热器进行性能评估，然而现有技术中并没有功率大于10MW的高温蓄热测量平台，此外，对一些大型换热器的性能只能通过数值模拟的方法来计算和评估。因此市场上对蓄热装置、换热器的性能测量需求十分迫切。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种热性能测试系统，可以对大功率宽温域的蓄热装置的蓄/释热性能以及大型换热器的换热性能进行测试实验与性能评估。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种毛细芯热柱热性能测试系统，用以测试蓄热装置的蓄热性能或换热装置的换热性能，所述系统包括热能产生与存储单元、稳压单元、待测试验件及测控单元，其特征在于，所述热能产生与存储单元，包括高温储罐、低温储罐、高温泵、低温泵、高温流量测量及控制组件、低温流量测量及控制组件、电加热器、冷却器，其中，所述高温储罐、低温储罐及电加热器的进液口、出液口处均设有控制阀门；所述待测试验件顶部的进液口同时连接一高温进液管线和一低温进液管线，所述待测试验件底部的排液口连接至少一排液管线，所述高温进液管线、低温进液管线、排液管线上均设有阀门；所述高温储罐的出液口通过管线依次经高温泵、高温流量测量及控制组件、电加热器与所述待测试验件的高温进液管线连通；所述低温储罐的出液口通过管线依次经低温泵、低温流量测量及控制组件、冷却器与所述待测试验件的低温进液管线连通。

进一步地，当所述待测试验件为蓄热装置，对待测蓄热装置进行蓄热及释热性能测试时，其流程至少包括：在蓄热测试流程中，所述高温储罐内的高温液态传热介质被所述高温泵输送通过所述电加热器后流入所述待测蓄热装置中完成蓄热过程，从所述待测蓄热装置排出的低温液态传热介质流回所述低温储罐。

进一步地，所述系统还包括高温流体制备流程；低温流体制备流程；高温流体自循环流程；低温流体自循环流程。

进一步地，当所述系统处于高温流体制备流程时，所述低温储罐内的低温传热流体在所述低温泵的驱动下流入所述电加热器中，通过对所述电加热器的功率调节和温度控制，把低温传热流体加热至设定温度并流入所述高温储罐中，该功能可确保所述高温储罐中的传热流体的体积和温度。

进一步地，当所述系统处于低温流体制备流程时，所述高温储罐内的高温传热流体在所述高温泵的驱动下流入所述冷却器中进行降温，最后流入到所述低温储罐中，该功能可确保所述低温储罐内的传热流体的体积及温度。

同现有技术相比，本发明的毛细芯热柱热性能测试系统，具有使用温度范围大、功率范围广、适用介质广、温度控制精度高、流量控制精度高等优点。可以对大功率宽温域的蓄热装置的蓄/释热性能以及大型换热器的换热性能进行测试实验与性能评估。可为高温蓄热装置提供热源/冷源，开展非稳态流程和温度场特性测量；对高温蓄热装置与系统开展在不同温度、压力、流量下的性能实验与测检；同时也可开展大规模中高温蓄热装置阵列性能测试和运行策略研究等工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，为本发明的毛细芯热柱热性能测试系统，该实施例主要用于对蓄热装置的蓄热性能进行测试，此系统包括测控单元 111、热能产生与存储单元、稳压单元、待测蓄热装置106。

热能产生与存储单元，包括高温储罐101A，低温储罐101B，过滤器112A、112B，泵102A、102B，电加热器104，冷却器105，流量控制组件(包括流量计103A、103B，流量控制阀110A、110B)。其中，所述高温储罐101A顶部的第一进液口、第二进液口、底部的排液口处分别设有阀门2、3、8；所述低温储罐101B顶部的第一进液口、第二进液口、底部的排液口处分别设有阀门5、4、10；所述电加热器104的进液口、出液口处分别设有阀门13、14；所述待测蓄热装置106顶部的进液口同时连接一高温进液管线和一低温进液管线，所述待测蓄热装置106底部的排液口同时连接一第一排液管线和一第二排液管线，所述高温进液管线、低温进液管线、第一排液管线和第二排液管线上分别设有阀门17、18、16、15；所述高温储罐101A 的排液口通过管线依次经过滤器112A、高温泵102A、由流量计103A 和流量控制阀110A组成的第一流量控制组件、电加热器104与所述待测蓄热装置106的高温进液管线连通；所述低温储罐101B的排液口通过管线依次经过滤器112B、低温泵102B、由流量计103B和流量控制阀110B组成的第二流量控制组件、冷却器105与所述待测蓄热装置106的低温进液管线连通；所述待测蓄热装置106的排液口通过第一排液管线分别与所述高温储罐101A的第一进液口、所述低温储罐101B的第一进液口连通，并通过第二排液管线分别与所述高温储罐101A的第二进液口、所述低温储罐101B的第二进液口连通。

稳压单元，用以在启动前对所述测试系统进行除气处理以及在所述测试系统处于运行状态时维持系统压力的稳定，所述稳压单元包括至少一高压缓冲罐109、一冷凝器108和一集液罐107，其中，所述高压缓冲罐109的进气口与高压稳压气体源连通，所述高压缓冲罐109的出气口与所述高温储罐101A顶部的通气口、低温储罐101B 顶部的通气口、集液罐107顶部的进气口连通，所述高压缓冲罐109 的出气口、集液罐107顶部的进气口处均设有阀门1、6，所述高温储罐101A顶部的通气口、低温储罐101B顶部的通气口、集液罐107 顶部的出气口处均设有泄压阀，所述冷凝器108的热侧位于所述集液罐107的进气管线上，所述冷凝器108的冷侧通入冷凝水，所述冷凝器108的热侧进口及冷侧进口处均设有流量控制阀110C、110D。

所述待测蓄热装置106可以为填充床蓄热装置，所述填充床蓄热装置包括壳体，所述壳体顶部设进液口、底部设排液口，壳体内腔中设分流装置和填充床，所述分流装置设置在壳体内腔的上方，所述分流装置下方为填充有固体蓄热介质的填充床，其主要工作原理是：液态传热介质通过分流装置后，雾化成细小液滴或若干细小液柱，然后与填充床内的固体蓄热材料进行热交换，将液态传热介质内的热能储存起来或将固态蓄热材料储存的热量释放出来，从而完成填充床储热装置的蓄热/或释热的主要功能。

预先，将待测蓄热装置106与高温蓄热测试系统的其他部件连接好，利用稳压单元对测试系统的各管线及待测蓄热装置106进行除气处理，将系统及待测蓄热装置内部的空气排尽。再将液态传热介质通过低温储罐101B的注液口，注入至低温储罐101B中，注入量为设定值后关闭排气阀，打开测试系统中主管道的所有阀门。调节稳压单元中的气体流量调节阀门，对测试系统进行加压至设定工作压力。在系统压力达到设定的压力后，确保系统与大气相连的阀门处于关闭状态，同时主管道的所有阀门都确保为关闭状态。

当需要对待测蓄热装置106的蓄热能力进行试时，先把主管道上的所有阀门都关闭，之后打开8、110A、13、14、17、16、5等阀门，打开高温泵102A，使所述高温储罐101A内的高温液态传热介质在通过由流量计103A和流量控制阀110A组成的第一流量控制组件后进入电加热器104，使之对高温液态传热介质进行加热，在液态传热流体加热到设定温度后，通过高温进液管线流入待测蓄热装置106 内，高温传热流体与固体蓄热介质进行热交换从而把传热流体的热量存储在固体蓄热介质内部，将热量传给固体蓄热介质后的低温液态传热介质通过阀门16，流回至低温储罐101B以完成一个循环，当待测蓄热装置106上下两端的入口处及出口处的温度测量装置所获得的值一样时，视为蓄热过程完成，关闭电加热器104，并关闭与待测蓄热装置106上下两端相连接的阀门17、16，最后关闭泵102A，以完成蓄热过程。在此过程中，由于系统内部的液态传热介质以及稳压气体会因温度的升高而自身的体积会有所膨胀，系统的压力会逐步升高。当压力升高至设定压力后，低温储罐101B或高温储罐101A与集液罐107之间管道上的泄压阀自动开启，将高温高压气体经过回热器/或无回热器、冷凝器108后储存在集液罐107内，当集液罐 107内的压力达到设定压力后，集液罐107上端的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

在对待测蓄热装置106的释热性能进行测试之前，先把主管道上的所有阀门都关闭，在开始准备对待测蓄热装置106进行释热性能测试时，打开阀门10、110B、18、16、2等阀门，再打开低温泵102B，使液态传热介质在通过由流量计103B和流量控制阀110B组成的第二流量控制组件后进入冷却器105，使之对液态传热介质进行冷却，在液态传热流体冷却到设定温度后，流入待测蓄热装置106，低温传热流体与待测蓄热装置106内部的固体蓄热介质进行热交换从而把固体蓄热介质内部的热量带出，吸收固体蓄热介质所存储热量后的高温液态传热介质通过待测蓄热装置106底部的排液口，并通过第一排液管线或第二排液管线流回至高温储罐101A或低温储罐101B 以完成一个循环，当待测蓄热装置106上下两端的入口处及出口处的温度测量装置所获得的值一样时，视为释热过程完成，关闭与待测蓄热装置106上下两端相连接的两个阀门18和16或15，最后关闭低温泵102B，以完成释热过程。

在整个蓄热及释热阶段，高温蓄热测试系统中的测控系统都对系统中的各主要部件、流量、压力、温度进行测量和自动控制，并对待测设备内部的温度参数和压力参数进行测量和记录。

为进一步提升本发明的上述高温蓄热性能测试系统的测试性能，图1所示的测试系统还可进行高温流体制备、低温流体制备、高温流体自循环、低温流体自循环等操作。

当进行高温流体制备流程时，首先关闭主管道上的所有阀门，之后打开10、110B、19、13、14、7、2等阀门，低温储罐101B内的液态传热流体通过低温泵102B的驱动下流入电加热器104中，通过电加热器104的功率调节和温度控制，把低温传热流体加热至设定温度并流入高温储罐101A中，该功能确保能维持高温储罐101A中的传热流体在一定体积及特定温度下。

当进行低温流体制备流程时，首先关闭主管道上的所有阀门，之后打开8、110A、19、20、5等阀门，高温储罐101A内的液态传热流体通过高温泵102A的驱动下流入冷却器105中与循环水进行换热而降温，最后流入到低温储罐101B中，该功能确保能维持低温储罐 101B内的传热流体在一定体积及特定温度下。

当进行低温流体自循环流程时，首先关闭主管道上的所有阀门，之后打开10、110B、105、20、5等阀门，低温储罐101B内的传热流体通过低温泵102B的驱动下流入冷却器105中与循环水进行换热而降温，最后又流入到低温储罐101B中，该功能能确保低温储罐 101B内的温度始终保持在一个比较低的温度。

当进行高温流体自循环流程时，首先关闭主管道上的所有阀门，之后打开8、110A、13、14、7、2等阀门，高温储罐101A内的传热流体在高温泵102A的驱动下流入电加热器104中，通过电加热器104 的功率调节和温度控制，把传热流体加热至设定温度并流入高温储罐101A中，该功能能确保高温储罐101A内的温度始终保持在一个比较高的温度。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据技术方案及构思加以改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种毛细芯热柱热性能测试系统，用以测试蓄热装置的蓄热性能或换热装置的换热性能，所述系统包括热能产生与存储单元、稳压单元、待测试验件及测控单元，其特征在于，所述热能产生与存储单元，包括高温储罐、低温储罐、高温泵、低温泵、高温流量测量及控制组件、低温流量测量及控制组件、电加热器、冷却器，其中，所述高温储罐、低温储罐及电加热器的进液口、出液口处均设有控制阀门；所述待测试验件顶部的进液口同时连接一高温进液管线和一低温进液管线，所述待测试验件底部的排液口连接至少一排液管线，所述高温进液管线、低温进液管线、排液管线上均设有阀门；所述高温储罐的出液口通过管线依次经高温泵、高温流量测量及控制组件、电加热器与所述待测试验件的高温进液管线连通；所述低温储罐的出液口通过管线依次经低温泵、低温流量测量及控制组件、冷却器与所述待测试验件的低温进液管线连通。

2.根据权利要求1所述的毛细芯热柱热性能测试系统，其特征在于，当所述待测试验件为蓄热装置，对待测蓄热装置进行蓄热及释热性能测试时，其流程至少包括：在蓄热测试流程中，所述高温储罐内的高温液态传热介质被所述高温泵输送通过所述电加热器后流入所述待测蓄热装置中完成蓄热过程，从所述待测蓄热装置排出的低温液态传热介质流回所述低温储罐。

3.权利要求1所述的毛细芯热柱热性能测试系统，其特征在于，所述系统还包括高温流体制备流程；低温流体制备流程；高温流体自循环流程；低温流体自循环流程。

4.根据权利要求1所述的毛细芯热柱热性能测试系统，其特征在于，当所述系统处于高温流体制备流程时，所述低温储罐内的低温传热流体在所述低温泵的驱动下流入所述电加热器中，通过对所述电加热器的功率调节和温度控制，把低温传热流体加热至设定温度并流入所述高温储罐中，该功能可确保所述高温储罐中的传热流体的体积和温度。

5.根据权利要求3所述的毛细芯热柱热性能测试系统，其特征在于，当所述系统处于低温流体制备流程时，所述高温储罐内的高温传热流体在所述高温泵的驱动下流入所述冷却器中进行降温，最后流入到所述低温储罐中，该功能可确保所述低温储罐内的传热流体的体积及温度。