CN112213355A - 一种超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统，包括二氧化碳气瓶、储液罐、高压往复泵、脉动阻尼器、涡轮流量计、预热段、实验段、激光多普勒测速装置、套管式冷却器、风冷式冷水机。本发明的一种超临界二氧化碳流动传热实验系统安全、可靠，能满足亚临界/超临界状态下二氧化碳的流动传热实验，保证系统良好的密封性；能满足多项系统参数、流动状态参数以及非接触式速度测量，测试范围广，测试手段先进；系统管路在多处设置了排气/液口，有充分的泄压保护措施。管路阀门的布置不仅满足实验系统需求，更能实现对实验段的屏蔽与流动方向的切换，实验系统完整且具有高度的适用性，满足多种相关超临界/亚临界二氧化碳流动传热实验需求。
Description
技术领域
本发明以二氧化碳工业应用技术为背景，可用于高校科研单位以及工业生产，满足不同单位对超临界二氧化碳应用的科研及商业需求，涉及一整套完整的超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统。该系统为闭式循环，可对超临界/亚临界二氧化碳流动传热过程中的压力、流量、热负荷以及主流/壁面温度进行实时采集；实验段上的可视窗设计可满足对超临界二氧化碳边界层内流动参数的非接触式测量(激光多普勒测速仪/LDV)；整个实验系统具有高度适用性，仅需替换实验段便可满足不同的实验需求。
背景技术
二氧化碳的工业应用涉及食品加工、电子工业、化工工艺(超临界萃取/氧化)以及超临界能源动力系统等等。高压状态下二氧化碳(亚临界/超临界态)的流动换热表现在其不同应用背景下都显得尤为关键。一个完整且具备多项流动传热参数测量的综合性二氧化碳实验平台不仅可以匹配大部分二氧化碳实际工业应用的工况条件，其中，具有可替代性的可视化实验段可进一步捕捉工质流动过程中的细节。
该超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统能满足较大范围系统参数内的流动传热试验，其中包括设计的电加热系统与可靠的高压密封及安全泄压方案。
发明内容
本发明针对二氧化碳亚/超临界流动传热的工业应用需求，设计了一套完整的具有可视化实验段(可替换)的超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统。
本发明的技术方案：
一种超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统，包括二氧化碳工质循环测试系统和制冷系统两个部分；包括二氧化碳气瓶1、储液罐2、高压往复泵3、脉动阻尼器4、涡轮流量计5、预热段6、实验段7、激光多普勒测速装置8、套管式冷却器9、风冷式冷水机10、阀门、温度变送器、压力变送器及辅助设施；
二氧化碳工质储存在储液罐2中，储液罐2上方分别与二氧化碳气瓶1和套管式冷却器9相连通，二氧化碳气瓶1出气管路上设置有止回阀v1和第一压力变送器p1，套管式冷却器9的工质回流管路上设置有背压阀v12；储液罐2上方设有气体排出管路，气体排出管路上设有第二压力变送器p2，分为两支，一支路为排气口，另一支路上设置有安全阀v2；储液罐2下方与高压往复泵3相连，管路上设有主阀v3，管路分支为废液排出口；储液罐2上方及侧面分别布置第一温度变送器t1与磁翻板液位计s2；另外，为了进行可视化实验需向管路中投放示踪粒子，在储液罐2上方设置示踪粒子投放口s1；闭式循环中，高压往复泵3作为动力驱动提升系统压力并维持工质循环，其出口管路安装脉动阻尼器4，将二氧化碳工质泵入实验系统中；实验系统分为主路及旁路，分别设置主路电动调节阀v4及旁路电动调节阀v5，主路与旁路最终汇总于背压阀v12前端，主路电动调节阀v4及旁路电动调节阀v5通过远程控制，与高压往复泵3及背压阀v12共同调节系统流量及压力；在主路中，主路电动调节阀v4后端连接涡轮流量计5，二者间设置第二温度变送器t2；涡轮流量计5后端连接预热段6，预热段6采用电加热的形式，将二氧化碳工质主流温度提升至实验要求值，预热段6后端布置第三温度变送器t3；实验段7前端连接预热段6，后端连接套管式冷却器9；预热段6与实验段7之间设置第三温度变送器t3、第一截止阀v6、第二截止阀v7、第三压力变送器p3和第四温度变送器t4；实验段7与套管式换热器9之间设置第四压力变送器p4、第五温度变送器t5、第四截止阀v9、第五截止阀v10和第六温度变送器t6；第一截止阀v6出口端设有支路，支路上设置有第三截止阀v8，支路的另一端接通第六温度变送器t6的入口端管路；第三温度变送器t3出口端设有排气口和支路，支路上设置有第六截止阀v11，支路的另一端位于第四截止阀v9和第五截止阀v10之间；实验段7为竖直放置的可视化方形环腔流道结构，通过改变不同阀门的开闭，实现不同功能：Ⅰ：开启第一截止阀v6、第三截止阀v8，关闭第二截止阀v7、第四截止阀v9、第五截止阀v10、第六截止阀v11，可屏蔽实验段7，进行实验段7的更换或检修工作；Ⅱ：开启第一截止阀v6、第二截止阀v7、第四截止阀v9、第五截止阀v10，关闭第三截止阀v8、第六截止阀v11，实现自下而上流动；Ⅲ：开启第二截止阀v7、第三截止阀v8、第四截止阀v9、第六截止阀v11，关闭第一截止阀v6、第五截止阀v10，实现自上而下流动；实验段7上开设可视窗，通过激光多普勒测速装置8实现非接触式流速测量；实验段7前后分别设置第三压力变送器p3和第四压力变送器p4、第四温度变送器t4和第五温度变送器t5，实现实验段7进出口压力与温度的测量，同时，在实验段7内加热管上布置热电偶实时测量管壁温度；套管式冷却器9后端管路与实验系统旁路汇总后连接背压阀v12，背压阀v12后端系统回流管路连接储液罐2；套管式换热器9中，内管走二氧化碳工质，外管走冷却水，冷却水来源于风冷式冷水机10，两者间形成冷却水循环；套管式冷却器9前后设置第六温度变送器t6、第七温度变送器t7。
实验系统中可视化实验段7为总长2.4m的方形环腔流道结构(22*22mm)，其内布置一根长2.7m，内径8mm，外径10mm的加热圆管。加热管由两端的盲板法兰(穿孔)实现定位及整体密封，实验段整体可分为三个部分(按流动自下而上)：入口充分发展段(750mm)；可视化主实验段(1000mm)；出口缓冲段(250mm)。其中，可视窗设置在主实验段前部250mm处。可视窗可视范围为约13mm直径的圆孔，可满足LDV装置的测量需求，在此，需选用500焦距的镜头。
本发明的有益效果：本发明的一种超临界二氧化碳流动传热实验系统安全、可靠，能满足亚临界/超临界状态下二氧化碳的流动传热实验，保证系统良好的密封性；能满足多项系统参数、流动状态参数以及非接触式速度测量，测试范围广，测试手段先进；系统管路在多处设置了排气/液口，有充分的泄压保护措施；管路阀门的布置不仅满足实验系统需求，更能实现对实验段的屏蔽与流动方向的切换，实验系统完整且具有高度的适用性，满足多种相关超临界/亚临界二氧化碳流动传热实验需求。
附图说明
图1是本发明的一种超临界二氧化碳流动传热实验系统图
图中：1二氧化碳气瓶；2储液罐；3高压往复泵；4脉动阻尼器；5涡轮流量计；6预热器；7实验段；8激光多普勒测速装置(LDV)；9套管式冷却器；10风冷式冷水机；t1～t7温度变送器；p1～p4压力变送器；v1止回阀；v2安全阀；v3主阀；v4主路电动调节阀；v5旁路电动调节阀；v6～v11截止阀；v12背压阀；s1示踪粒子投放口；s2磁翻板液位计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统图
实验系统搭建完毕之后，为了实验正常进行，还应做好以下准备工作：
1)系统吹扫及抽真空
利用二氧化碳气瓶1自身压力对所有管路进行吹扫，吹扫过程中打开预热段加热器，提高吹扫气体的温度，利于排尽管路中残余的水汽及杂质，吹扫过程应进行2-3次，最后通过预热段6后端的排气口进行管路抽真空。
2)保温措施
二氧化碳实验的初始温度通常较低(5～10℃)，为了避免壁面冷量散失同时减少实验中加热量的损耗，需要对所有管路、阀门、实验段7以及储液罐2包裹保温材料(聚乙烯保温棉)。
3)实验工况预估
实验操作人员在进行实验操作之前需对实验关键参数(流量、压力、加热功率)进行合理估计，保证实验的顺利进行，并使实验有所依据。
完成以上准备工作后，实验操作过程如下：
(1)开启风冷式冷水机10，打开储液罐2上夹套与冷却盘管阀门，对储液罐2进行预冷，并维持5～8℃冷态。
(2)开启二氧化碳气瓶1向储液罐2充气直至压力达到4MPa，保持气瓶阀门打开不断充气，使进入储罐CO2气体冷凝液化，通过磁翻板液位计s2监测工质液位，直至达到实验需求。
(3)打开排气扇并开窗通风，打开CO2浓度检测仪，检查气瓶气量，保证气量充足。
(4)实验系统上电，开启数据采集系统。
(5)开启制冷系统，对储液罐2、套管式冷却器9及泵头冷却支路进行降温冷却。
(6)开启主阀v3及各管路阀门，通过截止阀v6～v11的开闭，选择一种实验工质流向，开启高压往复泵3并设定其流量，调节背压阀v12与主路/旁路电动调节阀v4/v5，使系统压力流量达到实验条件。
(7)开启预热系统和实验段加热系统，调节实验段7进口温度和加热功率至实验预定值。
(8)当实验段流体进出口温度和壁温保持稳定后，记录实验数据。
(9)调节实验参数至下一工况。
(10)实验数据采集完成后，首先关闭加热系统，然后调节背压阀v12降低管路压力至5MPa，关闭高压往复泵3，最后关闭冷却系统及数据采集系统。
(11)离开实验室前，确保实验系统总电源切断；如果实验台长期不用或实验室环境温度过高，需排空回路和储液罐2内的CO2。
Claims (2)
1.一种超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统，其特征在于，该超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统包括二氧化碳工质循环测试系统和制冷系统两个部分；包括二氧化碳气瓶(1)、储液罐(2)、高压往复泵(3)、脉动阻尼器(4)、涡轮流量计(5)、预热段(6)、实验段(7)、激光多普勒测速装置(8)、套管式冷却器(9)、风冷式冷水机(10)、阀门、温度变送器、压力变送器及辅助设施；
二氧化碳工质储存在储液罐(2)中，储液罐(2)上方分别与二氧化碳气瓶(1)和套管式冷却器(9)相连通，二氧化碳气瓶(1)出气管路上设置有止回阀(v1)和第一压力变送器(p1)，套管式冷却器(9)的工质回流管路上设置有背压阀(v12)；储液罐(2)上方设有气体排出管路，气体排出管路上设有第二压力变送器(p2)，分为两支，一支路为排气口，另一支路上设置有安全阀(v2)；储液罐(2)下方与高压往复泵(3)相连，管路上设有主阀(v3)，管路分支为废液排出口；储液罐(2)上方及侧面分别布置第一温度变送器(t1)与磁翻板液位计(s2)；另外，为了进行可视化实验需向管路中投放示踪粒子，在储液罐(2)上方设置示踪粒子投放口(s1)；闭式循环中，高压往复泵(3)作为动力驱动提升系统压力并维持工质循环，其出口管路安装脉动阻尼器(4)，将二氧化碳工质泵入实验系统中；实验系统分为主路及旁路，分别设置主路电动调节阀(v4)及旁路电动调节阀(v5)，主路与旁路最终汇总于背压阀(v12)前端，主路电动调节阀(v4)及旁路电动调节阀(v5)通过远程控制，与高压往复泵(3)及背压阀(v12)共同调节系统流量及压力；在主路中，主路电动调节阀(v4)后端连接涡轮流量计(5)，二者间设置第二温度变送器t2；涡轮流量计(5)后端连接预热段(6)，预热段(6)采用电加热的形式，将二氧化碳工质主流温度提升至实验要求值，预热段(6)后端布置第三温度变送器(t3)；实验段(7)前端连接预热段(6)，后端连接套管式冷却器(9)；预热段(6)与实验段(7)之间设置第三温度变送器(t3)、第一截止阀(v6)、第二截止阀(v7)、第三压力变送器(p3)和第四温度变送器(t4)；实验段(7)与套管式换热器(9)之间设置第四压力变送器(p4)、第五温度变送器(t5)、第四截止阀(v9)、第五截止阀(v10)和第六温度变送器(t6)；第一截止阀(v6)出口端设有支路，支路上设置有第三截止阀(v8)，支路的另一端接通第六温度变送器(t6)的入口端管路；第三温度变送器(t3)出口端设有排气口和支路，支路上设置有第六截止阀(v11)，支路的另一端位于第四截止阀(v9)和第五截止阀(v10)之间；实验段(7)为竖直放置的可视化方形环腔流道结构，通过改变不同阀门的开闭，实现不同功能：Ⅰ：开启第一截止阀(v6)、第三截止阀(v8)，关闭第二截止阀(v7)、第四截止阀(v9)、第五截止阀(v10)、第六截止阀(v11)，可屏蔽实验段(7)，进行实验段(7)的更换或检修工作；Ⅱ：开启第一截止阀(v6)、第二截止阀(v7)、第四截止阀(v9)、第五截止阀(v10)，关闭第三截止阀(v8)、第六截止阀(v11)，实现自下而上流动；Ⅲ：开启第二截止阀(v7)、第三截止阀(v8)、第四截止阀(v9)、第六截止阀(v11)，关闭第一截止阀(v6)、第五截止阀(v10)，实现自上而下流动；实验段(7)上开设可视窗，通过激光多普勒测速装置(8)实现非接触式流速测量；实验段(7)前后分别设置第三压力变送器(p3)和第四压力变送器(p4)、第四温度变送器(t4)和第五温度变送器(t5)，实现实验段(7)进出口压力与温度的测量，同时，在实验段(7)内加热管上布置热电偶实时测量管壁温度；套管式冷却器(9)后端管路与实验系统旁路汇总后连接背压阀(v12)，背压阀(v12)后端系统回流管路连接储液罐(2)；套管式换热器(9)中，内管走二氧化碳工质，外管走冷却水，冷却水来源于风冷式冷水机(10)，两者间形成冷却水循环；套管式冷却器(9)前后设置第六温度变送器(t6)、第七温度变送器(t7)。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳可视化流动传热实验系统，其特征在于，所述实验段(7)为方形环腔流道结构，其内布置一根加热管；加热管由两端的盲板法兰实现定位及整体密封，按流动自下而上分为三个部分：入口充分发展段、可视化主实验段和出口缓冲段；其中，可视窗设置在可视化主实验段前部250mm处。
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