CN114113215A - 一种超临界二氧化碳换热实验系统及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳换热实验系统及实验方法，包括气源系统、换热系统、尾气系统和数据采集系统；所述气源系统的出气端与换热系统连通设置，所述数据采集系统设置在换热系统与实验对象相互作用的实验区域，所述换热系统与尾气系统连通，所述尾气系统与气源系统连通和/或与外界连通；发明通过将常规工业二氧化碳气源改为自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源，可免除气源的增压装置，减少气源的不稳定性，缩短超临界二氧化碳的准备时间；本发明采用感应线圈辐射加热或平面火焰加热的方式来进行传热热边界的控制，有效控制范围更宽，且温度和热流量上限更高，便于适应不同形状换热部件的加热要。

Description

一种超临界二氧化碳换热实验系统及实验方法
技术领域
本发明涉及物质传热传质领域，特别是涉及关于超临界二氧化碳在不同热边界和流动边界条件情况下换热性能测试的实验系统和方法。
背景技术
随着我国科研技术的不断创新和发展，自主研发的热能动力装置性能有了明显增强。与此同时，这些热能动力装置的换热要求也在不断提高，以适应极限工况下的冷却或热能转换需求。
超临界二氧化碳密度高、储存性好、无毒，常温下超临界状态容易实现，并且具有良好的传热性能，是极具潜力的冷却换热流体介质；然而，对于所有超临界流体而言，其超临界状态首温度、压力影响，并且该状态下超临界流体的传热和流动特性非常复杂。
因此，在测试或应用过程中，需要对超临界二氧化碳的来流和边界条件进行精细调控，同时提供极限工况的模拟能力，才能准确获取其流动传热特性，使得测试或应用的可靠性得到保证。
目前关于超临界二氧化碳换热性能测试的实验系统在传热的温度边界条件控制，主要通过对二氧化碳气体在缓冲罐或储气罐内进行增压获取超临界二氧化碳，并利用电加热带缠绕的方式进行单管实验，从而获取换热系数或换热特性。
由于增压泵将二氧化碳在缓冲罐内进行增压需要较长的时间，同时缓冲罐的容积有限，使得整个实验的前期准备时间较长，可实验时间长度较短。受限于电加热带材料的耐温限制，这类实验的加热温度一般在500℃以下，同时热流量也无法控制在较高的范围，导致无法模拟极限工况下（高温、高热流量）的换热条件。若通过电加热炉的方式来进行温度的控制，虽然可以模拟高温情况，但加热炉的功率调节较慢，无法模拟恒定高热流量边界条件。
发明内容
针对上述问题，本方案提出了一种超临界二氧化碳换热实验系统及实验方法；通过改变超临界二氧化碳获取的方式，改变换热边界条件的模拟，并综合考虑超临界二氧化碳的热物理特性及流动特性进行系统设计，可快速稳定获取超临界二氧化碳，能模拟宽范围的换热边界条件，同时保证超临界介质流动换热的稳定性，提升换热实验系统对于不同测试单元的适用性，为更多的模拟对象提供可靠的实验测试；
解决了现有技术中超临界二氧化碳实验准备时间长，可实验时间短的问题，同时解决了超临界二氧化碳实验的无法模拟极限工况下（高温、高热流量）的换热条件的问题。
本方案是这样进行实现的：
一种超临界二氧化碳换热实验系统，包括气源系统、换热系统、尾气系统和数据采集系统；所述气源系统的出气端与换热系统连通设置，所述数据采集系统设置在换热系统与实验对象相互作用的实验区域，所述换热系统与尾气系统连通，所述尾气系统与气源系统连通和/或与外界连通。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述气源系统包括自增压二氧化碳气源、电加热器和高压储气装置；所述自增压二氧化碳气源、电加热器和高压储气装置以此连通；二氧化碳气源在进过电加热器后进入到高压储气装置中进行憋压储存。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述自增压二氧化碳气源之间设置有第一压力表、第一开关阀门和第一泄压阀；所述第一开关阀门设置在第一压力表和第一泄压阀之间。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述高压储气装置与换热系统之间设置有第二开关阀门、第二压力表、第二泄压阀和第一流量计；所述第二开关阀门设置在高压储气装置的出气端，所第二压力表设置在第二开关阀和第二泄压阀之间，所述第一流量计设置在第二泄压阀之后。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述换热系统包括第一热电偶、加热部、测试部件、第二热电偶；所述第一热电偶和第二热电偶分别设置在测试部件的两端，所述加热部对测试部件进行加热；所述第一热电偶和气源系统之间设置有第三开关阀门和第三压力表。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述尾气系统包括主管路、第一分管路和第二分管路，所述主管路与测试部件的出口端连通，所述第一分管路和第二分管路分别于主管路连通设置；所述主管路上设置有尾气冷却器、第三热电偶、第三泄压阀和第四压力表；所述第二分管路包括第六开关阀和排空喷管。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述第一分管路与高压储气罐连通设置，所述第一分管路上设置有第四开关阀门、尾气增压泵、第五压力表、第五开关阀门和第四泄压阀；所述第四开关阀设置在第一分管路的进口端处；所述尾气增压泵设置第四开关阀门和第五压力表之间，所述第五开关阀门设置在第五压力表和第四泄压阀之间。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，所述数据采集系统包括热电偶阵列、信号转换器及数据采集卡和处理端；所热电偶阵列设置在测试部件上，用于检测测试部件在受到加热部加热后温度或压力等状态参数的变化；信号转换器及数据采集卡用于将热电偶阵列的信号进行转换，然后传递到处理端进行处理。
基于上述超临界二氧化碳换热实验系统结构，在气源系统和换热系统之间并入有供水标定管路；所述供水标定管路包括水源、第七开关阀门和第二流量计；水源通过供水标定管路进入到换热管路中，第七开关阀门对水源的通断进行控制，第二流量计对进入管路的水量进行统计。
本发明还提供一种超临界二氧化碳换热实验方法：其具体包括以下步骤：
数据标定：首次进行实验前，需要对加热器功率和加热流量进行标定；
A、将连通水源的第七开关阀门及第二质量流量计打开，同时保持超换热系统、尾气系统为通路，其中尾气系统的第四开关阀门关闭，第六开关阀门打开；开启数据采集系统以进行数据采集；水流稳定后，开启感应线圈辐射加热器或平面火焰炉对测试部件进行加热，利用热电偶阵列进行测试部件的温度变化，同时检测测试段进口热电偶和测试段出口热电偶的读数；稳定后，即可计算测试段接受到的加热量，除以加热面积，即可得到单位面积的热流量；
B、改变不同加热功率，再进行测试，即可得到不同加热功率下的热流量，标定完成，关闭开第七关阀门及第二质量流量计，清除管路中的残余水，完成标定作业；
实验测试：开启气源系统，第二开关阀门保持关闭，此时以自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源开始往高压储气罐进行灌气，灌气压力按实验压力需求提高3-20倍的余量；灌气完成后，即可开启第二开关阀门，此时超临界二氧化碳开始流经换热系统和尾气系统；
待换热系统中的流动稳定后，开启加热部对测试部件进行加热，同时利用数据采集系统进行数据采集，获取测试部件的温度或压力等状态参数的变化，按照标定的换热曲线，通过传热比拟，获取超临界二氧化碳在测试部件内的换热参数，评估超临界二氧化碳在不同流动参数和传热边界条件下的换热效果；
根据实验需求进行尾气处理选择，尾气系统可选择进行开路尾气或闭路循环尾气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、发明通过将常规工业二氧化碳气源改为自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源，可免除气源的增压装置，减少气源的不稳定性，缩短超临界二氧化碳的准备时间；
2、本发明采用超临界二氧化碳科氏力质量流量计，相比传统质量流量计能更为精确地测量和控制超临界二氧化碳的流量；
3、本发明采用感应线圈辐射加热或平面火焰加热的方式来进行传热热边界的控制，有效控制范围更宽，且温度和热流量上限更高，便于适应不同形状换热部件的加热要求；
4、本发明气源系统、换热系统、尾气系统均可以对各个管路进行开关闭调节，压力值调节以及压力释放，在高效的情况下，有力的保证了超临界二氧化碳换热实验在安全、稳定、可控的环境中进行。
附图说明
图1是本发明系统的整体结构示意图；
图中：11、自增压二氧化碳气源；12、第一压力表；13、第一开关阀门；14、第一泄压阀；15、电加热器；16、高压储气装置；17、第二开关阀门；18、第二压力表；19、第二泄压阀；110、第一流量计；21、第三开关阀门；22、第三压力表；23、第一热电偶；24、加热部；25、测试部件；26、第二热电偶；27、第六压力表；31、尾气冷却器；32、第三热电偶；33、第三泄压阀；34、第四压力表；35、第六开关阀门；36、排空喷管；37、第四开关阀门；38、尾气增压泵；39、第五压力表；310、第五开关阀门；311、第四泄压阀；41、热电偶阵列；42、信号转换器及数据采集卡；43、处理端；51、水源；52、第七开关阀门；53、第二流量计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种超临界二氧化碳换热实验系统，包括气源系统、换热系统、尾气系统和数据采集系统；所述气源系统的出气端与换热系统连通设置，所述数据采集系统设置在换热系统与实验对象相互作用的实验区域，所述换热系统与尾气系统连通，所述尾气系统与气源系统连通和/或与外界连通。
所述气源系统包括自增压二氧化碳气源11、电加热器15和高压储气装置16；所述自增压二氧化碳气源11、电加热器15和高压储气装置16以此连通；二氧化碳气源在进过电加热器15后进入到高压储气装置16中进行憋压储存；
所述自增压二氧化碳气源11之间设置有第一压力表12、第一开关阀门13和第一泄压阀14；所述第一开关阀门13设置在第一压力表12和第一泄压阀14之间；第一压力表12用于检测从自增压二氧化碳气源11流向电加热器15中二氧化碳气源的压力值，所述第一开关阀门用于对其所在管路进行通断状态的控制，所述第一泄压阀14用于对过高的二氧化碳气源进行泄压，保证后端电加热器15的安全；
所述高压储气装置16在本实施例中为高压储气罐，所述自增压二氧化碳气源11为自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源；
所述高压储气装置16与换热系统连通设置，所述高压储气装置16与换热系统之间设置有第二开关阀门17、第二压力表18、第二泄压阀19和第一流量计110；所述第二开关阀门17设置在高压储气装置16的出气端，所第二压力表18设置在第二开关阀和第二泄压阀19之间，所述第一流量计110设置在第二泄压阀19之后；
所述第二开关阀门17用于对高压储气装置16的出气端通断情况进行控制，所述第二压力表18用于对高压储气装置16的出气端压力进行检测，所述第二泄压阀19用于将高压的超临界二氧化碳进行降压，保证后续组件的高效运行，所述第一流量计110用于测量从高压储气装置16中流出的超临界二氧化碳的流量，方便后续实验的进行。
基于上述结构，本实施例中的气源系统可以对个气源系统中各个管路进行开关闭调节，压力值调节以及压力释放，在高效的情况下，有力的保证了超临界二氧化碳换热实验在安全、稳定、可控的环境中进行。
所述换热系统包括第一热电偶23、加热部24、测试部件25、第二热电偶26；所述第一热电偶23和第二热电偶26分别设置在测试部件25的两端，所述加热部24对测试部件25进行加热；
所述第一热电偶23和气源系统之间设置有第三开关阀门21和第三压力表22；所述第三压力表22用于检测进入到测试部件25中介质的压力值，第一热电偶23用于检测进入到测试部件25中介质的温度值，所述第三开关阀对进入到测试部件25中的介质进行通断控制。
所述加热部24为感应线圈辐射加热器或平面火焰炉；根据实验的需求进行选择：感应线圈辐射加热（低中高热流量，102 kW/m2量级以下）或平面火焰加热（超高热流量，1MW/m2量级以上）；
所述第二热电偶26用于检测测试部件25出口后介质的温度值；所述第二热电偶26之后设置有第六压力表27；
基于上述结构，对换热系统进行充入超临界二氧化碳，开启感应线圈辐射加热器或平面火焰炉对测试部件25进行加热，同时利用数据采集系统进行数据采集，获取测试部件25的温度或压力等状态参数的变化，按照标定的换热曲线，通过传热比拟，获取超临界二氧化碳在测试部件25内的换热参数，评估超临界二氧化碳在不同流动参数和传热边界条件下的换热效果。
所述尾气系统包括主管路、第一分管路和第二分管路，所述主管路与测试部件25的出口端连通，所述第一分管路和第二分管路分别于主管路连通设置；
所述主管路上设置有尾气冷却器31、第三热电偶32、第三泄压阀33和第四压力表34；所述冷气冷却器对排出测试部件25的介质进行冷却，第三热电偶32对冷却后的介质进行温度检测，第四压力表34对冷却后介质压力进行检测，第三泄压阀33对高压的介质进行降压处理；
所述第一分管路与高压储气罐连通设置，所述第一分管路上设置有第四开关阀门37、尾气增压泵38、第五压力表39、第五开关阀门310和第四泄压阀311；所述第四开关阀门37设置在第一分管路的进口端处；所述尾气增压泵38设置第四开关阀门37和第五压力表39之间，所述第五开关阀门310设置在第五压力表39和第四泄压阀311之间；
基于上述结构，可将超临界二氧化碳通过尾气增压泵38增压后排放入高压储气罐中进行循环利用，所述第四开关阀门37对进入到高压储气罐的第一分管路进行通断控制，所述第五压力表39对循环管路中的增压后超临界二氧化碳的压力值进行检测，第五开关阀门310用于控制进入到高压储气罐中的气路的开关，所述第四泄压阀311对循环回路中增压后超临界二氧化碳的压力值进行调节，使之接近于高压储气罐中的压力值。
所述第二分管路包括第六开关阀35和排空喷管36，通过第六开关阀35对第二分管路进行通断控制，通过排空喷管36对超临界二氧化碳进行排放；
基于上述结构，对尾气进行处理可以根据需求进行选择，选择开路尾气或闭路循环尾气；若选择开路尾气模式，则流过换热系统后的超临界二氧化碳通过尾气冷却器31和第三泄压阀33的降温和降压后，经排空喷管排36至外界；若选择闭路循环尾气模式，则流过换热系统后的超临界二氧化碳通过尾气增压泵38泵入高压储气罐中进行循环利用。
所述数据采集系统包括热电偶阵列41、信号转换器及数据采集卡42和处理端43；所热电偶阵列41设置在测试部件25上，用于检测测试部件25在受到加热部24加热后温度或压力等状态参数的变化；信号转换器及数据采集卡42用于将热电偶阵列41的信号进行转换，然后传递到处理端43进行处理；所述处理端43为计算机及软件。
在气源系统和换热系统之间并入有供水标定管路；所述供水标定管路包括水源51、第七开关阀门52和第二流量计53；水源51通过供水标定管路进入到换热管路中，第七开关阀门52对水源51的通断进行控制，第二流量计53对进入管路的水量进行统计。
所述第一流量计110和第二流量计53为科氏力质量流量计；
所述自增压二氧化碳气源11的压力分为为4 MPa~130 MPa；
所述第一热电偶23和第二热电偶26可为红外成像测温仪；
所述数据采集系统的数据采集间隔范围为0.01s ~ 10 s；
基于上述结构，本发明通过将常规工业二氧化碳气源改为自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源，可免除气源的增压装置，减少气源的不稳定性，缩短超临界二氧化碳的准备时间；2.本发明采用超临界二氧化碳科氏力质量流量计，相比传统质量流量计能更为精确地测量和控制超临界二氧化碳的流量；3.本发明采用感应线圈辐射加热或平面火焰加热的方式来进行传热热边界的控制，有效控制范围更宽，且温度和热流量上限更高，便于适应不同形状换热部件的加热要求。
实施例2
基于上述实施例1，本实施例提供一种超临界二氧化碳换热实验方法：
其具体包括以下步骤：
数据标定：首次进行实验前，需要对加热器功率和加热流量进行标定；将连通水源51的第七开关阀门52及第二质量流量计打开，同时保持超临界二氧化碳换热系统、超临界二氧化碳尾气系统为通路，其中超临界二氧化碳尾气系统的开关阀门关闭，开关阀门打开；开启数据采集系统以进行数据采集；水流稳定后，开启感应线圈辐射加热器或平面火焰炉对测试部件25进行加热，利用热电偶阵列41进行测试部件25的温度变化，同时检测测试段进口热电偶和测试段出口热电偶的读数；稳定后，即可计算测试段接受到的加热量，除以加热面积，即可得到单位面积的热流量；
改变不同加热功率，再进行测试，即可得到不同加热功率下的热流量，标定完成，关闭开第七关阀门及第二质量流量计，清除管路中的残余水，完成标定作业；
实验测试：开启超临界二氧化碳起源系统，第二开关阀门17保持关闭，此时以自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源开始往高压储气罐进行灌气，灌气压力按实验压力需求提高3-20倍的余量，使得高压储气罐中的流体介质在尾气系统开启排空状态下依然能供实验长时间使用；灌气完成后，即可开启第二开关阀门17，此时超临界二氧化碳开始流经换热系统和尾气系统；
根据实验需求进行尾气处理选择，尾气系统可通过第六开关阀门35和第四开关阀门37进行开路尾气或闭路循环尾气的选择；若选择开路尾气模式，则流过换热系统后的超临界二氧化碳通过尾气冷却器31和第三泄压阀33的降温和降压后，经排空喷管排至外界；若选择闭路循环尾气模式，则流过换热系统后的超临界二氧化碳通过尾气增压泵38泵入高压储气罐中进行循环利用；
待换热系统中的流动稳定后（一般为1min以内），开启感应线圈辐射加热器或平面火焰炉对测试部件25进行加热，同时利用数据采集系统进行数据采集，获取测试部件25的温度或压力等状态参数的变化，按照标定的换热曲线，通过传热比拟，获取超临界二氧化碳在测试部件25内的换热参数，评估超临界二氧化碳在不同流动参数和传热边界条件下的换热效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：包括气源系统、换热系统、尾气系统和数据采集系统；所述气源系统的出气端与换热系统连通设置，所述数据采集系统设置在换热系统与实验对象相互作用的实验区域，所述换热系统与尾气系统连通，所述尾气系统与气源系统连通和/或与外界连通。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述气源系统包括自增压二氧化碳气源、电加热器和高压储气装置；所述自增压二氧化碳气源、电加热器和高压储气装置以此连通；二氧化碳气源在进过电加热器后进入到高压储气装置中进行憋压储存。
3.根据权利要求2所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述自增压二氧化碳气源之间设置有第一压力表、第一开关阀门和第一泄压阀；所述第一开关阀门设置在第一压力表和第一泄压阀之间。
4.根据权利要求3所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述高压储气装置与换热系统之间设置有第二开关阀门、第二压力表、第二泄压阀和第一流量计；所述第二开关阀门设置在高压储气装置的出气端，所第二压力表设置在第二开关阀和第二泄压阀之间，所述第一流量计设置在第二泄压阀之后。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述换热系统包括第一热电偶、加热部、测试部件、第二热电偶；所述第一热电偶和第二热电偶分别设置在测试部件的两端，所述加热部对测试部件进行加热；所述第一热电偶和气源系统之间设置有第三开关阀门和第三压力表。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述尾气系统包括主管路、第一分管路和第二分管路，所述主管路与测试部件的出口端连通，所述第一分管路和第二分管路分别于主管路连通设置；所述主管路上设置有尾气冷却器、第三热电偶、第三泄压阀和第四压力表；所述第二分管路包括第六开关阀和排空喷管。
7.根据权利要求6所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述第一分管路与高压储气罐连通设置，所述第一分管路上设置有第四开关阀门、尾气增压泵、第五压力表、第五开关阀门和第四泄压阀；所述第四开关阀设置在第一分管路的进口端处；所述尾气增压泵设置第四开关阀门和第五压力表之间，所述第五开关阀门设置在第五压力表和第四泄压阀之间。
8.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：所述数据采集系统包括热电偶阵列、信号转换器及数据采集卡和处理端；所热电偶阵列设置在测试部件上，用于检测测试部件在受到加热部加热后温度或压力等状态参数的变化；信号转换器及数据采集卡用于将热电偶阵列的信号进行转换，然后传递到处理端进行处理。
9.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳换热实验系统，其特征在于：在气源系统和换热系统之间并入有供水标定管路；所述供水标定管路包括水源、第七开关阀门和第二流量计；水源通过供水标定管路进入到换热管路中，第七开关阀门对水源的通断进行控制，第二流量计对进入管路的水量进行统计。
10.一种基于上述权利要求1~9任意一项所述超临界二氧化碳换热实验系统的实验方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：
数据标定：首次进行实验前，需要对加热器功率和加热流量进行标定；
A、将连通水源的第七开关阀门及第二质量流量计打开，同时保持超临界二氧化碳换热系统、尾气系统为通路，其中尾气系统的第四开关阀门关闭，第六开关阀门打开；开启数据采集系统以进行数据采集；水流稳定后，开启感应线圈辐射加热器或平面火焰炉对测试部件进行加热，利用热电偶阵列进行测试部件的温度变化，同时检测测试段进口热电偶和测试段出口热电偶的读数；稳定后，即可计算测试段接受到的加热量，除以加热面积，即可得到单位面积的热流量；
B、改变不同加热功率，再进行测试，即可得到不同加热功率下的热流量，标定完成，关闭开第七关阀门及第二质量流量计，清除管路中的残余水，完成标定作业；
实验测试：开启气源系统，第二开关阀门保持关闭，此时以自增压杜瓦瓶存储的高压二氧化碳气源开始往高压储气罐进行灌气，灌气压力按实验压力需求提高3-20倍的余量；灌气完成后，即可开启第二开关阀门，此时超临界二氧化碳开始流经换热系统和尾气系统；
待换热系统中的流动稳定后，开启加热部对测试部件进行加热，同时利用数据采集系统进行数据采集，获取测试部件的温度或压力等状态参数的变化，按照标定的换热曲线，通过传热比拟，获取超临界二氧化碳在测试部件内的换热参数，评估超临界二氧化碳在不同流动参数和传热边界条件下的换热效果；
根据实验需求进行尾气处理选择，尾气系统可选择进行开路尾气或闭路循环尾气。
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