CN110779952A - 一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其包括，供水：由供水单元实现，其中，储水罐中的工质水流经与其相连通的第一控制组件；供二氧化碳：由供二氧化碳单元实现，其中，二氧化碳液化供料组件中的工质二氧化碳流经与其相连通的第二控制组件；混合、加热：由预热混合单元实现，其中，供水单元内的工质水经过第一预热组件预热，供二氧化碳单元内的工质液态二氧化碳经过第二预热组件预热后，在混合腔体内混合，之后经过第三预热组件加热；控温测试：由测试组件监控系统参数；冷却：由冷却单元进行冷却；控压排放：由控压排放单元实现，其中，电动调压阀和气动背压阀组合使用对工质进行控压排放。

Description

一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法

技术领域

本发明属于超临界混合工质技术领域，具体涉及一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法。

背景技术

超临界工质在多能混合发电领域具有良好的应用前景。已有的超临界工质传热特性的测量和研究中，多以纯工质为主。未有对于超临界水和二氧化碳混合工质传热特性的测量。对于发展新型热力发电多联产技术，亟待发明一种研究超临界水和二氧化碳混合工质传热特性的系统和方法。该混合工质的测量需要保证水和二氧化碳这两种热物性相差很大，临界点相距甚远的工质皆达到临界点，并充分混合，并在此过程中需要保证压力、温度、流量等参数的稳定。目前，超临界纯工质中，以超临界二氧化碳系统为例，大多采用闭式循环系统，由于管道阻力和泵头发热问题，计量泵吸入的很多是气态二氧化碳，流量无法精确控制，且稳定性很差。而且，例如中国专利(CN106066235A)的闭式循环系统，由于二氧化碳在水中溶解度低，水与二氧化碳经冷凝器降温冷却后，两种工质分离，故循环后的组分浓度无法保证。若使用如日本专利(JP2003245679A)的开式系统，则会因二氧化碳在背压阀出口压力急剧降低导致气化吸热产生冰堵现象和气蚀问题，且压力稳定精度不足，更换维修成本高。在冷却阶段，工业上大多采用换热器进行液化和过冷二合一，但是所需冷媒的温度太低，大约-40～-60摄氏度，十分耗费能源。在超临界混合工质流动换热特性实验中，由于流量，压力，组份浓度，温度等参数耦合，其中某一参数的不稳定或变化会影响其他参数及整体状态。现有实验台未采用模块化的自动控制设计操作难度大，操作时间长，耗费人力物力，且难以达到稳态条件。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。

因此，作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其包括，

供水：由供水单元实现，其中，储水罐中的工质水流经与其相连通的第一控制组件；

供二氧化碳：由供二氧化碳单元实现，其中，二氧化碳液化供料组件中的工质二氧化碳流经与其相连通的第二控制组件；

混合、加热：由预热混合单元实现，其中，供水单元内的工质水经过第一预热组件预热，供二氧化碳单元内的工质液态二氧化碳经过第二预热组件预热后，在混合腔体内混合，之后经过第三预热组件加热；

控温测试：由测试组件监控系统参数；

冷却：由冷却单元进行冷却；

控压排放：由控压排放单元实现，其中，电动调压阀和气动背压阀组合使用对工质进行控压排放。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述控温测试，其中，所述测试组件读取混合工质流体的压力、温度、壁面温度以及压差、加热功率。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述控温测试，其中，所述测试组件包括凸台式热电偶，将所述凸台式热电偶伸至主流中心测量流体中心温度。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述冷却，包括采用套管式冷凝器进行冷却，其中，套管式冷凝器的入口和出口分别与第一冷凝储水罐体和第二冷凝储水罐体连接，所述第一冷凝储水罐体中储存常温去离子水，为所述套管式冷凝器提供冷却用水，所述第二冷凝储水罐体回收从套管式冷凝器流出的去离子水，所述第一冷凝储水罐体和所述第二冷凝储水罐体之间设有水泵，将所述第二冷凝储水罐体中的去离子水泵入所述第一冷凝储水罐体中。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述供水，其包括，打开储水罐出口阀和第一泵出口排放针阀，让工质水缓缓稳定流出后，关闭第一泵出口排放针阀、并打开第一泵出口球阀，开启第一高压计量泵、第一质量流量计，调整供水背压阀，控制水压。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述供二氧化碳，其中，二氧化碳气瓶提供的工质二氧化碳经过第三控制组件，进入二氧化碳液化供料罐体中；

所述二氧化碳液化供料罐体，包括设于所述二氧化碳液化供料罐体底部的冷媒入口、设于所述二氧化碳液化供料罐体内部并与所述冷媒入口相连通的冷却盘管、设于所述二氧化碳液化供料罐体侧壁并通过所述二氧化碳液化供料罐体侧壁的夹层与所述冷却盘管相连通的冷媒出口，以及设于所述二氧化碳液化供料罐体侧壁并通入二氧化碳液化供料罐体内部的二氧化碳进气口和饱和态二氧化碳出口；

所述供二氧化碳，分为液化储备阶段和深冷供料阶段；液化储备阶段时，冷媒主要为所述二氧化碳液化供料罐体供冷；深冷供料阶段时，冷媒主要为所述第二控制组件供冷。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述第二控制组件，包括依次连通的第二高压计量泵、第二泵出口阀、第二质量流量计、第二背压阀；

所述冷媒通过冷媒入口阀分别与所述冷媒入口和冷媒微调阀以及二氧化碳液化供料罐体温控阀连通，所述冷媒微调阀和二氧化碳液化供料罐体温控阀共同控制所述冷媒为二氧化碳液化供料罐体以及第二控制组件内的液化二氧化碳供冷。作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述预热混合单元，其每个预热组件均由一台直流电源输出能量，每个预热组件均包括至少四个导电板，所述导电板依次连接所述电源的负极、正极、正极、负极，所述负极均接地。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述预热混合单元还包括测温热电偶，控制加热温度。

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种优选方案：所述传热系统为开放式系统，所述混合工质经过所述控压排放单元后，通过分离罐，将水与二氧化碳分离后排放。

本发明的有益效果：本发明凸台式热电偶能够伸入主流体中心测温，本发明研究发现，只有在主流体中心处测温才能够获得准确测温和监控温度；本发明套管式冷凝器的冷却水循环方式减少了耗电量，且免去了去离子水与填料、空气等不断接触换热的过程，增加了密封性，提高去离子水绝缘的安全性。

此外，本发明工质通过气动背压阀时水不产生相变，不存在冰堵，改善了调节阀的工作环境，气动背压阀进口处为15MPa，出口处为大气压。与单一调节阀的设置相比，压差减小了40％，阀门流通截面积提高了30％，有效的避免了冰堵现象，经过计算，混合工质中二氧化碳的质量占比能够提高至50％。在深冷供料阶段，液态二氧化碳流量稳定，不会发生气化，本发明将二氧化碳液化供冷分为液化储备阶段和深冷供料阶段，节约能源，冷媒仅需-7～-10摄氏度即可维持二氧化碳的液化供冷。采用直流电，提高加热速度和调节响应速度，热损失小，且不会因交流电集肤效应而产生局部管壁过热导致爆管，也不会因交流电加热产生的电磁干扰对包括温控设置在内的其他用电设备造成影响，采用本发明的加热方式，不需要采用单向二极管隔离各个加热模块就可以避免电流交叉流动的问题，提高可靠性和经济性；并且不需要在高温高压、含超临界工质的条件下采用绝缘垫片绝缘，保证了系统密封性可靠性安全性；同时，可以根据需要增加接头和加热模块，加热的电流不会流经接头或者焊缝，不会因为此处过热而导致爆管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明超临界水和二氧化碳混合工质传热方法的系统整体图。

图2为本发明凸台式热电偶的截面图。

图3为本发明凸台式热电偶主流体中心处测温结果和传统方法测温结果的对比图。

图4为本发明冷却方法图。

图5为本发明二氧化碳液化供料组件图。

图6为本发明二氧化碳液化供料罐体图。

图7为本发明预热组件电流流向图。

图8为本发明传热系统的稳定性测试图。

图9为现有技术传热方法的稳定性测试图。

图10为本发明方法超临界状态下稳定性测试图。

图11为本发明方法采用的传热系统进出口温差图。

图12为本发明的二氧化碳流量稳定性测试图。

图13为现有技术传热方法的二氧化碳流量稳定性测试图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1：

作为本发明所述超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法的一种实施方式，如图1所示，超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法包括供水：由供水单元100实现，其中，储水罐101中的工质水流经与其相连通的第一控制组件102；供二氧化碳：由供二氧化碳单元200实现，其中，二氧化碳液化供料组件201中的工质二氧化碳流经与其相连通的第二控制组件202；混合、加热：由预热混合单元300实现，其中，供水单元100内的工质水经过第一预热组件301预热，供二氧化碳单元200内的工质液态二氧化碳经过第二预热组件302预热后，在混合腔体303内混合，之后经过第三预热组件304加热；控温测试：由测试组件307监控系统参数；冷却：由冷却单元400进行冷却；控压排放：由控压排放单元500实现，其中，电动调压阀501和气动背压阀502组合使用对工质进行控压排放。其中，第一控制组件102控制工质水供料的流量和水压；第二控制组件202控制工质二氧化碳供料的流量和压力。

具体的，供水单元100内的工质水流过供水单元100并经过第一控制组件102控制工质水的流量和水压后，经过第一预热组件301预热，供二氧化碳单元200内的工质液态二氧化碳流过二氧化碳单元200并经第二控制组件202控制液态二氧化碳的流量和压力，然后由第二预热组件302对液态二氧化碳预热，接着在混合腔体303内混合，之后经过第三预热组件304进一步加热，该混合工质可用于供给汽轮机做功等，然后将混合工质经过冷却单元400冷却和控压排放单元500排放；

供水单元100包括储水罐101和与其相连通的第一控制组件102；供二氧化碳单元200包括二氧化碳液化供料组件201和与其相连通的第二控制组件202；预热混合单元300包括为所述供水单元100内的工质供热的第一预热组件301、为所述供二氧化碳单元200内的工质供热的第二预热组件302、混合腔体303、为经过混合腔体303混合后的工质供热的第三预热组件304；所述混合腔体303分别与所述供水单元100和所述供二氧化碳单元200相连通；所述第一控制组件102、第二控制组件202、预热混合单元300以及控压排放单元500将工质水和工质二氧化碳控制为超临界状态；冷却单元400，包括套管式冷凝器401，与所述预热混合单元300连通；控压排放单元500，与冷却单元400连通，包括依次相连通的电动调压阀501和气动背压阀502。优选的，供水单元100和供二氧化碳单元200均包括脉动阻尼器。

优选的，测试组件307读取混合工质流体的压力、温度、壁面温度以及压差、加热功率；测试组件307包括凸台式热电偶307a，将所述凸台式热电偶307a伸至主流中心测量流体中心温度。具体的，如图2所示，凸台式热电偶307a的前部测试端头凸出，方便伸进测量中心测试主流体温度。本发明研究发现，必须将热电偶插入主流中心测试，才能够精准监控流体温度，如图3所示，将流体加热到400度以上，采用本发明测试主流体温度的测试方法和凸台式热电偶307a的测试结果明显比传统热电偶测温方法更为准确。传统测温方法的测试位置离主体流体温度有一定距离，产生了不准确的情况。

优选的，如图4所示，所述冷却，包括采用套管式冷凝器401进行冷却，其中，套管式冷凝器401的入口和出口分别与第一冷凝储水罐体401-1和第二冷凝储水罐体401-2连接，所述第一冷凝储水罐体401-1中储存常温去离子水，为所述套管式冷凝器401提供冷却用水，所述第二冷凝储水罐体401-2回收从套管式冷凝器401流出的去离子水，所述第一冷凝储水罐体401-1和所述第二冷凝储水罐体401-2之间设有水泵401-3，将所述第二冷凝储水罐体401-2中的去离子水泵入所述第一冷凝储水罐体401-1中。

本发明研究发现，冷凝器由于测试组件307出口带电的原因，冷凝器整体也带有一定电压，为了防止对冷凝器进口的泵等用电设备以及人身造成伤害，需要将冷凝器与外界隔离因此，冷凝器冷却水进出口采用绝缘法兰，冷凝器外部采用绝缘棉包裹，保证冷凝器与外界的点隔离。但是，如果采用传统的冷却塔，冷却水使用去离子水，如果去离子水经过冷却塔中的洒水管，填料，底盘等，且不断与外界空气接触换热，势必会降低去离子水的电阻率，增加溶解于其中的离子浓度，使绝缘失效。而且传统冷却塔的进出口温差受限，冷却塔的进出口水温差大约在10℃，根据冷却水量计算，耗水量大，耗电量大。因此，本发明采用第一冷凝储水罐体401-1和第二冷凝储水罐体401-2，二者中间设有水泵401-3，将第二冷凝储水罐体401-2中的去离子水泵入第一冷凝储水罐体401-1中，第一冷凝储水罐体401-1中储存常温去离子水，为套管式冷凝器401提供冷却用水，第二冷凝储水罐体401-2回收从套管式冷凝器401流出的去离子水，这样形成了冷却水的循环，减少了耗电量，且免去了去离子水与填料、空气等不断接触换热的过程，增加了密封性，提高去离子水绝缘的安全性。

此外，现有方法采用单一调节阀，二氧化碳直接从超临界态25MPa的高压降压大气压，由于阀门进出口压差太大，因而使用寿命较短，并且二氧化碳会产生剧烈气化现象，二氧化碳气化吸热导致水相变形成小冰渣，造成堵塞管路，容易引发危险，二氧化碳含量越高，冰堵现象越严重，因而，水和二氧化碳的混合工质中不允许将二氧化碳的含量调整到较高，通常，混合工质中二氧化碳的含量不超过25％。

本发明控压排放单元500采用电动调节阀和气动背压阀502的组合进行压力的分级控制调节，压力稳定、控制精度高，电动调节阀后仍处于二氧化碳临界压力以上，不会在此处产生二氧化碳的气蚀及冰堵现象，优化了电动调节阀的工作条件，提高了装置系统压力控制的稳定性。本发明电动调节阀和气动背压阀502配合使用，优选的，调节电动调节阀的阀前压力为24MPa左右、阀后压力用气动背压阀502控制为15MPa左右，本发明研究发现，本发明工质通过气动背压阀502时不产生相变，不存在冰堵，改善了调节阀的工作环境，气动背压阀502进口处为15MPa，出口处为大气压。与单一调节阀的设置相比，压差减小了40％，阀门流通截面积提高了30％，有效的避免了冰堵现象，经过计算，混合工质中二氧化碳的质量占比能够提高至50％。

本发明传热系统为开放式系统，混合工质经过所述控压排放单元500后，通过分离罐503，将水与二氧化碳分离后排放。

作为一种优选实施方式，第一控制组件102包括依次与所述储水罐101相连通的储水罐出口阀102a、过滤器102b、第一高压计量泵102c、第一泵出口阀102d、第一质量流量计102e、供水背压阀102f；优选的，第一泵出口阀102d包括第一泵出口排放针阀102d-1、第一泵出口球阀102d-2，使用时，先打开储水罐出口阀102a和第一泵出口排放针阀102d-1，让水缓缓稳定流出后，关闭第一泵出口排放针阀102d-1、并打开第一泵出口球阀102d-2，开启第一高压计量泵102c、第一质量流量计102e，调整供水背压阀102f，控制水压约为28MPa。

如图8所示，为本发明传热方法的稳定性测试图，由于不存在冰堵问题，整个系统的稳定性大大提升，在测试的6小时左右时间里，压力非常稳定，特别是在超临界时间段，压力几乎没有任何浮动。作为明显对比的，如图9所示，为现有技术采用单一调节阀压力不稳定的实验结果，明显可以看出，压力失去控制且变化剧烈，危险系数很高。图10为本发明超临界状态下稳定性测试图，可以看出，在10分钟内温度只变化±0.4度，压力只变化±0.02MPa，系统的稳定性非常好。

图11为采用本发明方法的系统出口温差图，用于显示本发明混合腔体303内工质混合是否充分，从图中可以看出，本发明传热方法的进出口温差，平均值为21.344℃，均方根偏差为0.57％，可以看到在相同加热功率的情况下随时间的变化进出口温差不变，由于水和二氧化碳的比热容相差很大，如果水和二氧化碳工质混合的不均匀，那么进出口温差不可能如此稳定。因此，该实验结果能够反应出采用本发明传热方法，水和二氧化碳工质混合的非常均匀。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，如图5所示，二氧化碳液化供料组件201包括依次相连通的二氧化碳气瓶201a、第三控制组件201b、二氧化碳液化供料罐体201c，以及为二氧化碳液化供冷的冷媒；所述第三控制组件201b控制二氧化碳从所述二氧化碳气瓶201a通入所述二氧化碳液化供料罐体201c中。

优选的，如图6所示，二氧化碳液化供料罐体201c包括设于所述二氧化碳液化供料罐体201c底部的冷媒入口201c-1、设于所述二氧化碳液化供料罐体201c内部并与所述冷媒入口201c-1相连通的冷却盘管201c-2、设于所述二氧化碳液化供料罐体201c侧壁并与所述冷却盘管201c-2相连通的冷媒出口201c-3，以及设于所述二氧化碳液化供料罐体201c侧壁的二氧化碳进气口201c-4和饱和态二氧化碳出口201c-5。冷却盘管201c-2与二氧化碳液化供料罐体201c侧壁的夹层相连通，冷媒从冷媒入口201c-1进入冷却盘管201c-2和二氧化碳液化供料罐体201c侧壁的夹层并在其中流动，最终从冷媒出口201c-3流出。

优选的，第二控制组件202包括依次连通的第二高压计量泵202a、第二泵出口阀202b、第二质量流量计202c、第二背压阀202d；冷媒通过冷媒入口阀202e分别与所述冷媒入口201c-1和冷媒微调阀202f以及二氧化碳液化供料罐体温控阀202g连通，所述冷媒微调阀202f和二氧化碳液化供料罐体温控阀202g共同控制所述冷媒为二氧化碳液化供料罐体201c以及第二控制组件202内的液化二氧化碳供冷。目前工业上，液化二氧化碳供冷大多采用换热器，但是所需冷媒的温度太低，大约-40～-60摄氏度，十分耗费能源。而小型闭式循环系统将二氧化碳液化成饱和态之后，就用计量泵打入后端系统，由于管道阻力和发热，计量泵吸入的很多是气态二氧化碳，流量无法精确控制，且稳定性很差。因此，本发明将二氧化碳液化供冷分为液化储备阶段和深冷供料阶段；液化储备阶段时，冷媒主要为二氧化碳液化供料罐体201c供冷；此时，设定二氧化碳液化供料罐体201c温度为-5℃，则二氧化碳液化供料罐体温控阀202g自动控制其阀门开度，同时调节冷媒微调阀202f，使得90％～95％的冷媒进入从冷媒入口201c-1进入二氧化碳液化供料罐体201c中，使二氧化碳在二氧化碳液化供料罐体201c中液化为饱和态，剩余的5％～10％的冷媒通过冷媒微调阀202f为第二控制组件202内的液化二氧化碳供冷；深冷供料阶段时，由于此时已经过液化储备阶段，二氧化碳液化供料罐体201c中的二氧化碳已被液化为饱和态，因而，深冷供料阶段的主要目的是为第二控制组件202内的液化二氧化碳供冷。此时，设定二氧化碳液化供料罐体201c温度为0-2℃，则二氧化碳液化供料罐体温控阀202g自动控制其阀门开度，在二氧化碳液化供料罐体201c中的冷媒仅需维持其对外界环境散失的冷量即可，同时打开冷媒微调阀202f，使得大量冷媒通过冷媒微调阀202f，从而为第二控制组件202内的液化二氧化碳供冷。优选的，冷媒为乙二醇。本发明的供冷方式，使得冷媒仅需-7～-10摄氏度即可维持二氧化碳的液化供冷，因此大大的节约了能源，同时，本发明也解决了液态二氧化碳由于第二控制组件202的发热被气化的问题。

如图12所示，为本发明的二氧化碳流量稳定性图，每个点代表二氧化碳流量每五分钟的平均值。可以看到在70分钟内，二氧化碳的平均流量为3.99kg/h，流量的均方根偏差为2.2％，说明本发明方法内的二氧化碳流量非常稳定，并没有发生气化现象。作为对照的，如图13所示，为采用传统方法的二氧化碳流量稳定性图，可以看出，二氧化碳流量非常不稳定。二氧化碳在泵腔内发生了气化，导致流量不足，因此，为了保证一定的流量必须提升泵的电机转速，直到100％转速后无法继续增大，且发热和气化越来越严重，最终流量下降，无法持续正常工作。

优选的，如图所示，本发明的预热混合单元300，其每个预热组件均由一台直流电源306输出能量，每个预热组件均包括至少四个导电板，所述导电板依次连接所述电源的负极、正极、正极、负极，所述负极均接地。优选的，所述预热混合单元300还包括测温热电偶305，控制加热温度。优选的，第一预热组件301分为两段对工质水进行加热，第一段加热至350℃，第二段加热至400℃，第二预热组件302将工质二氧化碳加热至400℃；第三预热组件304将混合工质加热至400～600℃。

传统的超临界加热方法是直接用交流电两点式加热，此方法问题很大，不能避开焊缝，也需要用高温高压绝缘垫片，且电路电压无法降低随着管子长度的增加，电压也要增加，超出安全电压。此外，交流电的使用也会影响其他用电设备，形成电磁干扰。接触电阻比管道常规电阻大，通电加热时，因为欧姆定律，所以此处发热更严重，在进行较高温度实验操作或者较大功率实验操作时，就会非常危险。而本发明采用四个导电板的四点加热方式，每个预热组件均由一台直流电源306输出能量，可以避开焊缝处，将电压控制在安全电压以内，使加热更安全，同时，由于负极接地，所以所有负极处为0电位，所以可以在模块和模块、模块和其他设备间有效隔离电势，并且由于每个预热组件的四个导电板由一台直流电源306输出能量，因而正极和正极间的电势相等，两个正极导电板之间可以加入焊缝、接头等，电流不会从此处通过，有效避免了此处接触电阻过大引起的发热。优选的，每个预热组件的出口均设有测温热电偶305，采用负反馈调节的方式，精确控制各个预热组件出口温度，直流电采用低压大电流。由于采用直流电，提高加热速度和调节响应速度，热损失小，且不会因交流电集肤效应而产生局部管壁过热导致爆管，也不会因交流电加热产生的电磁干扰对包括温控设置在内的其他用电设备造成影响。

采用本发明的加热方式，不需要采用单向二极管隔离各个加热模块就可以避免电流交叉流动的问题，提高可靠性和经济性；并且不需要在高温高压、含超临界工质的条件下采用绝缘垫片绝缘，保证了系统密封性可靠性安全性。

优选的，通过第一控制组件102、第二控制组件202、预热混合单元300以及控压排放单元500将工质水和工质二氧化碳混合并控制为超临界状态。保证超临界状态的水和二氧化碳混合工质在测试组件307中的流体温度，压力，流量，二氧化碳质量分数，加热功率等参数达到目标值，并且保持稳态。读取流体进口温度，出口温度，压力，流量，二氧化碳质量分数，加热热流密度，加热壁面温度等数据。

利用公式，HTC＝q/(T_iw-T_b,x)，计算对流换热系数HTC，单位kW m^-2K^-1。

其中q为加热热流密度，单位kW m^-2。

T_iw为加热壁面内壁温度，单位K

T_b,x为流体当地温度，单位K。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：包括，

供水：由供水单元(100)实现，其中，储水罐(101)中的工质水流经与其相连通的第一控制组件(102)；

供二氧化碳：由供二氧化碳单元(200)实现，其中，二氧化碳液化供料组件(201)中的工质二氧化碳流经与其相连通的第二控制组件(202)；

混合、加热：由预热混合单元(300)实现，其中，供水单元(100)内的工质水经过第一预热组件(301)预热，供二氧化碳单元(200)内的工质液态二氧化碳经过第二预热组件(302)预热后，在混合腔体(303)内混合，之后经过第三预热组件(304)加热；第一预热组件(301)分为两段对工质水进行加热，第一段加热至350℃，第二段加热至400℃，第二预热组件(302)将工质二氧化碳加热至400℃；第三预热组件(304)将混合工质加热至400～600℃；

控温测试：由测试组件(307)监控系统参数；

冷却：由冷却单元(400)进行冷却；

控压排放：由控压排放单元(500)实现，其中，电动调压阀(501)和气动背压阀(502)组合使用对工质进行控压排放；调节电动调压阀(501)的阀前压力24MPa、阀后压力用气动背压阀(502)控制为15MPa。

2.如权利要求1所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述混合工质中二氧化碳的质量占比不超过50％。

3.如权利要求1或2所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述控温测试，其中，所述测试组件(307)读取混合工质流体的压力、温度、壁面温度以及压差、加热功率；所述测试组件(307)包括凸台式热电偶(307a)，将所述凸台式热电偶(307a)伸至主流中心测量流体中心温度。

4.如权利要求1或2所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述冷却，包括采用套管式冷凝器(401)进行冷却，其中，套管式冷凝器(401)的入口和出口分别与第一冷凝储水罐体(401-1)和第二冷凝储水罐体(401-2)连接，所述第一冷凝储水罐体(401-1)中储存常温去离子水，为所述套管式冷凝器(401)提供冷却用水，所述第二冷凝储水罐体(401-2)回收从套管式冷凝器(401)流出的去离子水，所述第一冷凝储水罐体(401-1)和所述第二冷凝储水罐体(401-2)之间设有水泵(401-3)，将所述第二冷凝储水罐体(401-2)中的去离子水泵入所述第一冷凝储水罐体(401-1)中。

5.如权利要求1或2所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述供水，其包括，打开储水罐出口阀(102a)和第一泵出口排放针阀(102d-1)，让工质水缓缓稳定流出后，关闭第一泵出口排放针阀(102d-1)、并打开第一泵出口球阀(102d-2)，开启第一高压计量泵(102c)、第一质量流量计(102e)，调整供水背压阀(102f)，控制水压。

6.如权利要求1或2所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述供二氧化碳，其中，二氧化碳气瓶(201a)提供的工质二氧化碳经过第三控制组件(201b)，进入二氧化碳液化供料罐体(201c)中；

所述二氧化碳液化供料罐体(201c)，包括设于所述二氧化碳液化供料罐体(201c)底部的冷媒入口(201c-1)、设于所述二氧化碳液化供料罐体(201c)内部并与所述冷媒入口(201c-1)相连通的冷却盘管(201c-2)、设于所述二氧化碳液化供料罐体(201c)侧壁并通过所述二氧化碳液化供料罐体(201c)侧壁的夹层与所述冷却盘管(201c-2)相连通的冷媒出口(201c-3)，以及设于所述二氧化碳液化供料罐体(201c)侧壁并通入二氧化碳液化供料罐体(201c)内部的二氧化碳进气口(201c-4)和饱和态二氧化碳出口(201c-5)；

所述供二氧化碳，分为液化储备阶段和深冷供料阶段；液化储备阶段时，冷媒主要为所述二氧化碳液化供料罐体(201c)供冷；深冷供料阶段时，冷媒主要为所述第二控制组件(202)供冷。

7.如权利要求6所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述第二控制组件(202)，包括依次连通的第二高压计量泵(202a)、第二泵出口阀(202b)、第二质量流量计(202c)、第二背压阀(202d)；

所述冷媒通过冷媒入口阀(202e)分别与所述冷媒入口(201c-1)和冷媒微调阀(202f)以及二氧化碳液化供料罐体温控阀(202g)连通，所述冷媒微调阀(202f)和二氧化碳液化供料罐体温控阀(202g)共同控制所述冷媒为二氧化碳液化供料罐体(201c)以及第二控制组件(202)内的液化二氧化碳供冷。

8.如权利要求1、2、7中任一项所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述预热混合单元(300)，其每个预热组件均由一台直流电源(306)输出能量，每个预热组件均包括至少四个导电板，所述导电板依次连接所述电源(306)的负极、正极、正极、负极，所述负极均接地。

9.如权利要求8所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热系统，其特征在于：所述预热混合单元(300)还包括测温热电偶(305)，控制加热温度。

10.如权利要求1、2、7、9中任一项所述的超临界水和二氧化碳混合工质传热的实验方法，其特征在于：所述传热系统为开放式系统，所述混合工质经过所述控压排放单元(500)后，通过分离罐(503)，将水与二氧化碳分离后排放。

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