CN113670974A - 一种超临界co2混合工质换热实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界CO2混合工质换热实验系统，包括有主换热回路和均相混合回路，在均相混合回路中设有均相混流罐，可以加剧CO2混合工质流体扰动，起到使CO2混合工质组分混合均匀的作用；两条流体流动回路均可独立工作，独立控制，扰流回路对流体的扰动不会对主换热回路产生干扰，而且超临界CO2混合工质换热实验系统由模块化自动控制系统控制，可以保证人员安全的同时，更加精确地控制系统流量、温度、压力等参数；因此本系统既可以保证工质组分浓度均匀，又可以保证换热循环过程稳定，对研究超临界CO2混合工质换热机理，提高超临界CO2混合工质动力循环系统的小型化与可操作性有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及超临界混合工质技术领域，尤其涉及一种超临界CO2混合工质换热实验系统。
背景技术
超临界CO2混合工质动力循环可以提高余热回收系统的可操作性与循环热效率，是未来的发展趋势，具有良好的发展前景。因超临界CO2混合工质中，CO2与其他工质的物性相差巨大，临界点相差甚远，工质不易充分混合，循环后的组分浓度无法保证；此外由于组份浓度，流量，压力，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。现有换热实验台未采用混合工质均相混合技术，及模块化的自动控制设计，导致工质混合不均，操作难度大，难以达到稳态条件。因此未有对于超临界CO2混合工质传热特性的测量实验系统。对于发展超临界混合工质技术，亟待发明一种既可以保证工质组分浓度均匀，又可以保证换热循环过程稳定的超临界CO2混合工质换热实验系统和方法，对研究超临界CO2混合工质换热机理，提高超临界CO2混合工质动力循环系统的小型化与可操作性有非常重要的意义。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种超临界CO2混合工质换热实验系统，以解决现有技术工质混合不均，操作难度大，难以达到稳态条件的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超临界CO2混合工质换热实验系统，包括有主换热回路和均相混合回路，所述的主换热回路包括有依次连接的CO2储液罐、液体循环增压单元、预热单元、测试单元和冷却换热单元；所述的均相混合回路包括有均相混流罐，均相混流罐的两端分别连接所述的CO2储液罐和液体循环增压单元。
在所述的CO2储液罐上安装有差压液位计，在CO2储液罐内部安装有热电阻，CO2储液罐的进液口连接有冷水机，冷水机与CO2储液罐之间安装有电动调节阀一。
所述的液体循环增压单元包括有循环增压泵和质量流量计，循环增压泵的进液端与CO2储液罐出液端连接，在循环增压泵的进液端与CO2储液罐出液端之间安装有过滤器，循环增压泵的出液端与质量流量计的进液端连接，在循环增压泵的出液端与质量流量计的进液端之间安装有稳流器和安全阀。
所述的安全阀出口管线及排净口管线上均设置有伴热带。
所述的预热单元为预热器，预热器与质量流量计的出液端连接，预热器与质量流量计的出液端之间安装有旁路电动调节阀，所述的预热器确保介质达到预设温度，通过直流电源直接对金属盘管进行加热，采用温度TIC 控制回路进行出口温度控制，也可手动设置加热电流进行固定功率加热。以确保进入测试加热段时达到预定要求的预热温度，进口设置绝缘接头。防止通电后形成电势差造成仪表损坏及局部过流加热。
所述的测试单元为一段流道，流道进口与预热器出液端连接，在流道的进出口分别设有进出口温度检测器和进出口差压检测口，在流道的底部设置加热铜块，有30根加热棒进行加热，在流道底部设置11个热偶壁温检测点，在流道的出液口安装有电动调节阀二。
所述的冷却换热单元为冷凝器，冷凝器的两端分别与测试单元的出液端和CO2储液罐的进液端连接。
所述的冷水机设置储液罐冷水支路、循环增压泵冷水支路及差压液位计伴冷水支路。
所述的均相混流罐的进液端与所述安全阀的出口端连接，均相混流罐的进液端还安装有电动控流阀。
所述的均相混流罐包括有筒体，在筒体的进口端通过连接螺母连接有螺纹接头一，在筒体的出口端螺纹连接有管帽，在管帽下端开有出口并焊接连接有螺纹接头二，在筒体的内部填充有扰流填充物，所述扰流填充物通过孔板阻隔在筒体中，在所述筒体的外侧套有U型螺栓，U型螺栓两个端部之间连接有固定板，并通过螺母固定，在固定板上固定有筋板，筋板另一端固定有支耳板。
所述的均相混流罐的受压元件筒体材料为不锈钢，设计压力为10MPa，工作压力7MPa，所述扰流填充物为金属泡沫、扰流结构等多孔介质材料，用于流体扰动，在筒体的进口与螺纹接头一之间还设有O型密封圈， O型密封圈材质为耐腐蚀溶胀材料，如聚四氟乙烯，全氟橡胶。
CO2混合工质均相混流罐,其作用在于位于系统扰流回路中，对CO2混合工质进行扰流，实现CO2混合工质的组分均匀程度，提高测试段换热过程实验精度。CO2混合工质均相混流罐的工作原理:为多孔介质对流体的紊流效应，使得混合工质在CO2混合工质均相混流罐中充分混合。
自电子秤称重计量的钢瓶来的原料气（CO2）经由过滤器、CO2压缩机或旁路进入CO2储液罐，储液罐通来自冷水机输送过来的冷冻水进行CO2液化冷却。液化CO2温度通过电动调节阀进行冷液调节以维持恒定的罐内CO2 液化温度。液化后的CO2 液体通过安装在储液罐上的差压液位计进行液位测量， 通过安装在储液罐内的热电阻进行温度远传控制检测。液化后CO2通过CO2增加泵输送到后系统。增压泵出口设置质量流量计及旁路电动调节阀，用于准确计量输送至后系统的CO2的质量。
储液罐内的CO2液体通过循环增压泵进行循环增压， 泵出口配置稳流器，液体质量流量计，旁路电动调节阀以确保液体流量稳定输送。循环增压泵设置变频控制，旁路调节阀与质量流量计形成自动回路控制，确保系统稳定的循环流量。泵入口设置过滤器进行杂质过滤，出口设置安全阀，防止输送超压损坏泵及其部件。安全阀出口管线及排净口管线上均设置伴热带，在CO2超压卸放或排气排放时方式CO2气化吸热冻损管路管件。
本发明的优点是：本发明的超临界CO2混合工质换热实验系统，包含两条流体流动回路，其中一条为主换热回路，另一条为均相混合回路，在均相混合回路中自行设计了一款CO2混合工质均相混流罐，可以加剧CO2混合工质流体扰动，起到使CO2混合工质组分混合均匀的作用；两条流体流动回路均可独立工作，独立控制，扰流回路对流体的扰动不会对主换热回路产生干扰，而且超临界CO2混合工质换热实验系统由模块化自动控制系统控制，可以保证人员安全的同时，更加精确地控制系统流量、温度、压力等参数；因此本系统既可以保证工质组分浓度均匀，又可以保证换热循环过程稳定，对研究超临界CO2混合工质换热机理，提高超临界CO2混合工质动力循环系统的小型化与可操作性有非常重要的意义。
附图说明
图1是本发明的一种超临界CO2混合工质换热实验系统的循环系统图；
图2 是本发明中的CO2混合工质均相混流罐剖视图；
图3是本发明的CO2混合工质均相混流罐的俯视图。
具体实施方式
如图1所示，一种超临界CO2混合工质换热实验系统，包括有主换热回路和均相混合回路，所述的主换热回路包括有依次连接的CO2储液罐1、液体循环增压单元、预热单元、测试单元2和冷却换热单元；所述的均相混合回路包括有均相混流罐3，均相混流罐3的两端分别连接所述的CO2储液罐1和液体循环增压单元。
在所述的CO2储液罐1上安装有差压液位计，在CO2储液罐内部安装有热电阻，CO2储液罐1的进液口连接有冷水机4，冷水机4与CO2储液罐1之间安装有电动调节阀一。
所述的液体循环增压单元包括有循环增压泵5和质量流量计6，循环增压泵5的进液端与CO2储液罐1出液端连接，在循环增压泵5的进液端与CO2储液罐1出液端之间安装有过滤器7，循环增压泵5的出液端与质量流量计6的进液端连接，在循环增压泵5的出液端与质量流量计6的进液端之间安装有稳流器8和安全阀9。
所述的安全阀9出口管线及排净口管线上均设置有伴热带。
所述的预热单元为预热器10，预热器10与质量流量计6的出液端连接，预热器10与质量流量计6的出液端之间安装有旁路电动调节阀11，所述的预热器10确保介质达到预设温度，通过直流电源直接对金属盘管进行加热，采用温度TIC 控制回路进行出口温度控制，也可手动设置加热电流进行固定功率加热。以确保进入测试加热段时达到预定要求的预热温度，进口设置绝缘接头。防止通电后形成电势差造成仪表损坏及局部过流加热。
所述的测试单元2为一段流道12，流道12进口与预热器11出液端连接，在流道12的进出口分别设有进出口温度检测器和进出口差压检测口，在流道的底部设置加热铜块，有30根加热棒进行加热，在流道底部设置11个热偶壁温检测点，在流道的出液口安装有电动调节阀二13。
所述的冷却换热单元为冷凝器14，冷凝器14的两端分别与测试单元的出液端和CO2储液罐1的进液端连接。
所述的冷水机4设置储液罐冷水支路、循环增压泵冷水支路及差压液位计伴冷水支路。
所述的均相混流罐3的进液端与所述安全阀9的出口端连接，均相混流罐3的进液端还安装有电动控流阀15。
如图2、3所示，所述的均相混流罐3包括有筒体16，在筒体16的进口端通过连接螺母17连接有螺纹接头一18，在筒体16的出口端螺纹连接有管帽19，在管帽19下端开有出口并焊接连接有螺纹接头二20，在筒体16的内部填充有扰流填充物21，所述扰流填充物21通过孔板22阻隔在筒体16中，在所述筒体16的外侧套有U型螺栓23，U型螺栓23两个端部之间连接有固定板24，并通过螺母25固定，在固定板24上固定有筋板26，筋板26另一端固定有支耳板27。U型螺栓23、固定板24、筋板26、支耳板27用于均相混流罐3的固定。
所述的均相混流罐3的受压元件筒体材料为不锈钢，设计压力为10MPa，工作压力7MPa，所述扰流填充物为金属泡沫、扰流结构等多孔介质材料，用于流体扰动，在筒体16的进口与螺纹接头一18之间还设有O型密封圈，O型密封圈材质为耐腐蚀溶胀材料，如聚四氟乙烯，全氟橡胶。
在实验开始之前，本系统有专门的混合工质配比系统，利用高精度电子天平，及输送泵，实现混合工质组分精确配比（具体比较复杂不是本专利的描述重点），因CO2混合工质不同组分会产生分层及组分迁移现象，即出现组分分布不均，严重影响实验的准确性，需在实验开始前打开扰流回路对CO2混合工质进行扰流处理，以及在实验过程中打开扰流回路进行扰流处理，使得CO2混合工质组分分布均匀。
CO2储液罐1内的CO2混合工质液体通过循环增压泵5进行循环增压，循环增压泵5出口配置稳流器8，液体质量流量计6，旁路电动调节阀11以确保液体流量稳定输送。循环增压泵5设置变频控制，旁路调节阀11与质量流量计6形成自动回路控制，确保系统稳定的循环流量。泵入口设置过滤器7进行杂质过滤，出口设置安全阀9，防止输送超压损坏泵及其部件。安全阀9出口管线及排净口管线上均设置伴热带，在CO2超压卸放或排气排放时方式CO2气化吸热冻损管路管件。在测试段前为直流电加热（direct current）用于控制测试段前CO2混合工质温度稳定，达到设定温度。在测试段后设置电动调节阀二，用于调节测试段内CO2混合工质的工作压力达到设定值，至此本系统完成流量温度压力调节，让测试段中温度压力流量达到设定值，经过测试段加热后，CO2混合工质进入冷却单元，冷却回CO2储液罐。所有控制均采用模块化自动控制，可以在保证人员安全的同时，精确地控制各实验参数。两条流体流动回路均可独立工作，独立控制。扰流回路对流体的扰动不会对主换热回路产生干扰。在均相混合回路中自行设计了一款CO2混合工质均相混流罐（如图2所示）以加剧CO2混合工质流体扰动，起到使CO2混合工质组分混合均匀的作用。CO2混合工质均相混流罐罐体由不锈钢制成，设计压力10MPa。流体由N1流入，N2流出，在4筒体中，填满多孔介质用于混合工质的扰流。多孔介质被3孔板阻挡在罐体中。孔板结构（如图3所示）为多孔盘。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：包括有主换热回路和均相混合回路，所述的主换热回路包括有依次连接的CO2储液罐、液体循环增压单元、预热单元、测试单元和冷却换热单元；所述的均相混合回路包括有均相混流罐，均相混流罐的两端分别连接所述的CO2储液罐和液体循环增压单元。
2.根据权利要求1所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：在所述的CO2储液罐上安装有差压液位计，在CO2储液罐内部安装有热电阻，CO2储液罐的进液口连接有冷水机，冷水机与CO2储液罐之间安装有电动调节阀一。
3.根据权利要求2所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的液体循环增压单元包括有循环增压泵和质量流量计，循环增压泵的进液端与CO2储液罐出液端连接，在循环增压泵的进液端与CO2储液罐出液端之间安装有过滤器，循环增压泵的出液端与质量流量计的进液端连接，在循环增压泵的出液端与质量流量计的进液端之间安装有稳流器和安全阀。
4.根据权利要求3所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的安全阀出口管线及排净口管线上均设置有伴热带。
5.根据权利要求3所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的预热单元为预热器，预热器与质量流量计的出液端连接，预热器与质量流量计的出液端之间安装有旁路电动调节阀，所述的预热器通过直流电源直接对金属盘管进行加热，采用温度TIC 控制回路进行出口温度控制或者手动设置加热电流进行固定功率加热，在预热器进口端设置绝缘接头。
6.根据权利要求5所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的测试单元为一段流道，流道进口与预热器出液端连接，在流道的进出口分别设有进出口温度检测器和进出口差压检测口，在流道的底部设置加热铜块，有30根加热棒进行加热，在流道底部设置11个热偶壁温检测点，在流道的出液口安装有电动调节阀二。
7.根据权利要求6所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的冷却换热单元为冷凝器，冷凝器的两端分别与测试单元的出液端和CO2储液罐的进液端连接。
8.根据权利要求7所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的冷水机设置储液罐冷水支路、循环增压泵冷水支路及差压液位计伴冷水支路。
9.根据权利要求3所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的均相混流罐的进液端与所述安全阀的出口端连接，均相混流罐的进液端还安装有电动控流阀。
10.根据权利要求9所述的一种超临界CO2混合工质换热实验系统，其特征在于：所述的均相混流罐包括有筒体，在筒体的进口端通过连接螺母连接有螺纹接头一，在筒体的出口端螺纹连接有管帽，在管帽下端开有出口并焊接连接有螺纹接头二，在筒体的内部填充有扰流填充物，所述扰流填充物通过孔板阻隔在筒体中，在所述筒体的外侧套有U型螺栓，U型螺栓两个端部之间连接有固定板，并通过螺母固定，在固定板上固定有筋板，筋板另一端固定有支耳板。
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