CN114813830A - 兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置及方法，包括介质填充系统、稳压器、闭式回路和开式回路；介质填充系统通过稳压器对开式回路和闭式回路进行介质填充；闭式回路包括依次连接形成闭环的第一实验段、二次侧冷却装置和驱动泵；还包括回热器，回热器通过截止阀调节其投入闭式回路的占比；开式回路包括依次连接的预加热装置、第二实验段和场测量系统；本发明采用闭式和开式回路结合的方式，兼顾了闭式实验和开式实验功能，在进行不同公开的实验时相互独立、互不干涉。

Description

兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置及方法

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳热工实验技术领域，具体涉及兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置及方法。

背景技术

超临界二氧化碳具有独特的理化性质，在能源领域作为换热工质展示出得天独厚的优势，可广泛应用到新型核电、火力发电、太阳能发电、地热发电以及工业废热利用等领域。当流体处于超临界状态时，流体的密度拥有液体的性质，流体的粘度拥有其他的性质，随着压力和温度的变化不发生相变。在中等温度的循环系统中，工质一直处于单相状态，不仅提高了系统效率，还简化了循环过程，是一种良好的循环工质。

一个热力循环系统关注转换效率的同时，还需要关注系统的安全性和经济性。目前对于超临界二氧化碳既要进行工质的流动传热特性、自然循环特性和动力循环效率等正常运行条件下的实验研究，也要进行临界流动特性、泄压特性、射流特性和系统响应特性等破口泄露条件下的实验研究。需要进行闭式和开式回路实验，目前的超临界二氧化碳实验在需要进行较系统的实验研究和测试时，需要根据具体的条件建设或者改造实验回路，对于小型的试验件或者简单的工况条件则需要额外的时间和工作量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，包括介质填充系统、稳压器、闭式回路和开式回路；

介质填充系统通过稳压器对开式回路和闭式回路进行介质填充；

闭式回路包括依次连接形成闭环的第一实验段、二次侧冷却装置和驱动泵；还包括回热器，回热器通过截止阀调节其投入闭式回路的占比；

开式回路包括依次连接的预加热装置、第二实验段和场测量系统。

进一步的，所述介质填充系统包括低压储气瓶、增压泵和真空泵；真空泵用于对开式回路和闭式回路进行抽真空；增压泵用于将低压储气瓶中的气体通过稳压器填充到开式回路和闭式回路。

进一步的，所述二次侧冷却装置一端连接储水箱，另一端连接冷却水泵；储水箱连接用于调节冷却水温度的冷水机，二次侧冷却装置连接储水箱一端设置有测量冷却水流量的冷却水流量计。

进一步的，所述稳压器连接氮气瓶，稳压器和氮气瓶之间设置有调节减压阀。

进一步的，所述闭式回路上设置有第一流量计，第一实验段一端连接第一压力表；开式回路上设置有第二流量计和第二压力表；驱动泵并联有第三流量计；第一流量计、第二流量计、第三流量计、第一压力表和第二压力表均连接到处理装置。

一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置的实验方法，包括以下步骤：

闭式回路实验过程如下：

通过介质填充系统对稳压器和闭式回路进行工质的充填；压力和液位达到目标工况之后，调节截止阀根据设定要求确定回热器投入效率占比；启动二次侧冷却装置调节冷水温度达到实验预设值；启动回路驱动泵调节投入实验支路的流量；对第一实验段进行加热进行实验；

开式回路实验过程如下：

介质填充系统通过稳压器对开式回路进行介质填充；开启预加热装置对开式回路进行预热；调节温度和压力达到预设值；使二氧化碳流过第二实验段进行实验。

进一步的，所述闭式回路第一实验段进出口的压差ΔP为：

ΔP＝P₁-P₂＝P₁′-P₂′+ρ′gh＝ΔP′+ρ′gh＝ΔP_g+ΔP_f+ΔP_a

式中：P₁和P₂分别为第一实验段进口的压力值和出口的压力值；P₁′和P₂′分别为压差表进口压力值和出口压力值，ρ′为引压管中气体密度值，ρ为第一实验段内气体密度值，h为第一实验段的高度，ΔP_g为重力压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_a为加速压降。

进一步的，所述第一实验段的加热效率η计算方法如下：

式中：U为直流电压，I为直流电流，

为质量流量，h_out为加热段出口焓值，h_in为加热段进口焓值。

进一步的，所述第一实验段总压降ΔP_t计算过程如下：

ΔP_t＝ΔP_g+ΔP_a+ΔP_f+ΔP_d

式中：ΔP_g为重力压降，ΔP_a为加速压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_d为局部压降；

其中，

其中，z为竖直段高度；

上述公式可以变化为：

式中：L为测量段长度，h₁为进口焓值，h₂为出口焓值；

式中：G为质量流速，ρ₁为进口密度，ρ₂为出口密度；

式中：A为流通面积，C为湿周，τ_w为剪切应力；；

式中：ξ_d为局部阻力系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用闭式和开式回路结合的方式，兼顾了闭式实验和开式实验功能，在进行不同公开的实验时相互独立、互不干涉；

(2)本发明中的闭式回路和开式回路共用一个稳压系统，缩小了场地布置面积，简化了实验操作，闭式回路时稳压器系统提供稳压器的功能，稳定回路压力；开式回路时稳压器系统提供储液罐的功能，提供精确的上游参数；

(3)本发明采用氮气稳压的方式进行稳压系统布置，稳压器系统工作在室温状态，氮气和二氧化碳存在明显的气液分层，无需额外的固体界面，可实现快速便捷的压力调节。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图。

图2为本发明稳压器布置及原理示意图。

图3为本发明二次侧冷却水系统示意图。

图4为本发明第一实验段压差换算原理示意图。

图中：110-介质填充系统，11-增压泵，12-真空泵，13,14,15-截止阀，120-闭式回路，01,02，03,08-调节阀，04,05,06,07,09-截止阀，20-驱动泵，21-第三流量计，22-第一流量计，23-回热器，24-第一实验段，25-二次侧冷却装置，26-冷却水流量计，27-冷水机，28-储水箱，29-冷却水泵，30-第一压力表，130-开式回路，31-截止阀，32-预加热装置，33-第二压力表，34-第二流量计，35-阀门，36-第二实验段，37-场测量系统，40-稳压器，41,42，-截止阀，43-多级阀门，44-减压阀，45-氮气瓶，TJ1，TJ2-调节阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-3所示，一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，包括介质填充系统110、稳压器40、闭式回路120和开式回路130；稳压器40连接氮气瓶45，稳压器40和氮气瓶45之间设置有减压阀44。

介质填充系统110通过稳压器40对开式回路130和闭式回路120进行介质填充；介质填充系统110包括低压储气瓶10、增压泵11和真空泵12；真空泵12用于对开式回路12和闭式回路130进行抽真空；增压泵11用于将低压储气瓶10中的气体通过稳压器40填充到开式回路12和闭式回路130。

闭式回路120包括依次连接形成闭环的第一实验段24、二次侧冷却装置25和驱动泵20；还包括回热器23，回热器23通过截止阀(04,05,06,07)调节其是否投入工作，投入工作后，调节调节阀03和08调节其投入闭式回路120的效率占比；闭式回路120上设置有第一流量计22，第一实验段24一端连接第一压力表30；开式回路130上设置有第二流量计34和第二压力表33；驱动泵20并联有第三流量计21；第一流量计22、第二流量计34、第三流量计21、第一压力表30和第二压力表33均连接到处理装置。

开式回路130包括依次连接的预加热装置32、第二实验段36和场测量系统37。

二次侧冷却装置25一端连接储水箱28，另一端连接冷却水泵29；储水箱28连接用于调节冷却水温度的冷水机27，二次侧冷却装置25连接储水箱28一端设置有测量冷却水流量的冷却水流量计26。使用时，启动冷却水泵29，通过调节阀TJ1和TJ2调节冷却水流量，通过冷却水流量计26实时测量冷却水流量的变化，待冷却水流量稳定后启动冷水机27，调节冷却水温度到实验预设值。

一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置的实验方法，包括以下步骤：

闭式回路实验过程如下：

通过介质填充系统110对稳压器40和闭式回路120进行工质的充填；具体为通过真空泵12进行抽真空，利用增压泵11将低压储气瓶10的气体填充到稳压器40和闭式回路120内。调节减压阀将氮气瓶45内的氮气注入稳压器40中。

压力和液位达到目标工况之后，压力调节系统准备就绪；调节截止阀根据设定要求确定回热器23投入效率占比；启动二次侧冷却装置25调节冷水温度达到实验预设值；启动回路驱动泵20，通过调节调节阀01和02对投入实验之路的流量进行调节，第三流量计21、第一流量计22可以进行流量的实时测量，进而提高调节的准确性。实验器件按照需要调节功率和流量，记录实验所需的实时测量数据；完成实验后，先关闭加热电源使第一实验段24降温，待回路温度降至室温，关闭驱动泵20和二次冷却装置25，完成闭式回路实验。

开式回路实验过程如下：

介质填充系统110通过稳压器40对开式回路130进行介质填充；通过真空泵12对储气罐40进行抽真空处理，通过增压泵11将低压气瓶组10中的二氧化碳填充到储气罐40中，打开阀门35进行预排气处理，使二氧化碳充满整个开式回路130。根据设定工况对储气罐40进行温度和压力的调节。利用预加热装置32对开式回路130管道进行预热，使管道温度接近实验设定的储气罐40内二氧化碳的温度。根据实验需求安装待测试的第二实验段36及后续的场测量系统37；进行实验前，打开截止阀31和42，使开式回路内的二氧化碳和储气罐内的二氧化碳达到相同的温度和压力。进行实验时，打开阀门35使二氧化碳流过第二实验段36，实验完成后关闭阀门35，完成开式回路实验。

第一实验段24采用竖直放置的方法，试验段的总压降包含了加速压降、摩擦压降和重力压降；实验段采用光滑圆管，局部压降为0。其中实验段的重力压降和引压管的重力压降会相互抵消一部分(密度差异不大)，因此竖直管段的压差读取值需要进行处理才能得到真实的压差值，如图4所示。

其中，P₂≠P₂′＝P₂+ρ′gh

闭式回路第一实验段24进出口的压差ΔP为：

ΔP＝P₁-P₂＝P₁′-P₂′+ρ′gh＝ΔP′+ρ′gh＝ΔP_g+ΔP_f+ΔP_a

式中：P₁和P₂分别为第一实验段24进口的压力值和出口的压力值；P₁′和P₂′分别为压差表进口压力值和出口压力值，ρ′为引压管中气体密度值，ρ为第一实验段24内气体密度值，h为第一实验段24的高度，ΔP_g为重力压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_a为加速压降。

为了能够进行后续的数据分析，处理装置采集到的信号为电信号，需要将电信号转换为数字信号。除了温度信号会根据所选的热电偶类型转换出正确的温度信号外，压力信号、压差信号、流量信号、反馈电压和反馈电流均为电压模拟量。为了获得正确的实验数据，对1～5V和0～10V模拟量进行转换。

压差信号转换：

设压差表的量程是X(X＝20,50,100kPa)，下式中x为电信号，电信号与压差的转换表达式为：

式中：ρ₀为波动管内工质密度。

压力信号转换：

设压力表的量程是X(X＝30MPa)，x为电信号，则电信号与压力的转换表达式为：

流量信号转换：

设质量流量计的量程是X(X＝300,500kg/h)，x为电信号，则电信号与流量的转换表达式为：

电压反馈和电流反馈：

电压测量值为U，电流反馈值为i，反馈电流值I为：

根据电压电流关系，得到实测电阻值：

进而得到实时功率值为：

通过电流、电压、电阻和功率的实时测量，完成加热功率的实时有效的准确控制。

第一实验段24采用直流电直接加热的升功率方式，需要对实验段进行热平衡校对。根据进出口焓值和质量流量可以得出流体实际的加热功率。同直流电源输出功率对比，得到加热段的热平衡，经热平衡实验，实验段的加热效率在97％以上。

第一实验段24的加热效率η计算方法如下：

式中：U为直流电压，I为直流电流，

为质量流量，h_out为加热段出口焓值，h_in为加热段进口焓值。

实验回路采用圆管结构，压降包括了重力压降、加速压降、摩擦压降和局部压降；

第一实验段24总压降ΔP_t计算过程如下：

ΔP_t＝ΔP_g+ΔP_a+ΔP_f+ΔP_d

式中：ΔP_g为重力压降，ΔP_a为加速压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_d为局部压降；

其中，

其中，z为竖直段高度；

实验过程中，实验段压降较小，压力的变化对超临界二氧化碳物性变化的影响程度较小，但是受温度的影响较大，不可以简单的取进出口温度对应的密度的平均。根据辛普森公式，上式可以变化为：

式中：L为测量段长度，h₁为进口焓值，h₂为出口焓值；

式中：G为质量流速，ρ₁为进口密度，ρ₂为出口密度；

式中：A为流通面积，C为湿周，τ_w为剪切应力；

式中：ξ_d为局部阻力系数。

本发明中闭式回路和开式回路共用稳压器系统，稳压器系统供闭式回路使用时，稳压器起压力调节和稳定回路系统作用，氮气调节介入。稳压器系统供开式回路使用时，稳压器起储液罐作用，提供稳定的上游滞止参数。由于稳压器系统共有的巧妙设计，该设置结构可进行自然循环实验，强迫循环实验、换热器性能测试、系统响应实验等闭式循环条件下的基础热工实验，也可以进行射流实验、泄压实验等开式条件下的热工安全实验，装置结构简单、实验功能多样，具有较强的创新性、较高的经济性和较好的环保性。

本发明采用闭式和开式回路结合的方式，兼顾了闭式实验和开式实验功能，在进行不同公开的实验时相互独立、互不干涉；闭式回路和开式回路共用一个稳压系统，缩小了场地布置面积，简化了实验操作，闭式回路时稳压器系统提供稳压器的功能，稳定回路压力；开式回路时稳压器系统提供储液罐的功能，提供精确的上游参数；采用氮气稳压的方式进行稳压系统布置，稳压器系统工作在室温状态，氮气和二氧化碳存在明显的气液分层，无需额外的固体界面，可实现快速便捷的压力调节。

Claims (9)

1.一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，其特征在于，包括介质填充系统(110)、稳压器(40)、闭式回路(120)和开式回路(130)；

介质填充系统(110)通过稳压器(40)对开式回路(130)和闭式回路(120)进行介质填充；

闭式回路(120)包括依次连接形成闭环的第一实验段(24)、二次侧冷却装置(25)和驱动泵(20)；还包括回热器(23)，回热器(23)通过截止阀调节其投入闭式回路(120)的占比；

开式回路(130)包括依次连接的预加热装置(32)、第二实验段(36)和场测量系统(37)。

2.根据权利要求1所述的一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，其特征在于，所述介质填充系统(110)包括低压储气瓶(10)、增压泵(11)和真空泵(12)；真空泵(12)用于对开式回路(12)和闭式回路(130)进行抽真空；增压泵(11)用于将低压储气瓶(10)中的气体通过稳压器(40)填充到开式回路(12)和闭式回路(130)。

3.根据权利要求1所述的一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，其特征在于，所述二次侧冷却装置(25)一端连接储水箱(28)，另一端连接冷却水泵(29)；储水箱(28)连接用于调节冷却水温度的冷水机(27)，二次侧冷却装置(25)连接储水箱(28)一端设置有测量冷却水流量的冷却水流量计(26)。

4.根据权利要求1所述的一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，其特征在于，所述稳压器(40)连接氮气瓶(45)，稳压器(40)和氮气瓶(45)之间设置有减压阀(44)。

5.根据权利要求1所述的一种兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置，其特征在于，所述闭式回路(120)上设置有第一流量计(22)，第一实验段(24)一端连接第一压力表(30)；开式回路(130)上设置有第二流量计(34)和第二压力表(33)；驱动泵(20)并联有第三流量计(21)；第一流量计(22)、第二流量计(34)、第三流量计(21)、第一压力表(30)和第二压力表(33)均连接到处理装置。

6.一种如权利要求1～5所述兼具闭式和开式回路的超临界二氧化碳热工实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

闭式回路实验过程如下：

通过介质填充系统(110)对稳压器(40)和闭式回路(120)进行工质的充填；压力和液位达到目标工况之后，调节截止阀根据设定要求确定回热器(23)投入效率占比；启动二次侧冷却装置(25)调节冷水温度达到实验预设值；启动回路驱动泵(20)调节投入实验支路的流量；对第一实验段(24)进行加热进行实验；

开式回路实验过程如下：

介质填充系统(110)通过稳压器(40)对开式回路(130)进行介质填充；开启预加热装置(32)对开式回路(130)进行预热；调节温度和压力达到预设值；使二氧化碳流过第二实验段(36)进行实验。

7.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述闭式回路第一实验段(24)进出口的压差ΔP为：

ΔP＝P₁-P₂＝P′₁-P′₂+ρ′gh＝ΔP′+ρ′gh＝ΔP_g+ΔP_f+ΔP_a

式中：P₁和P₂分别为第一实验段(24)进口的压力值和出口的压力值；P′₁和P′₂分别为压差表进口压力值和出口压力值，ρ′为引压管中气体密度值，ρ为第一实验段(24)内气体密度值，h为第一实验段(24)的高度，ΔP_g为重力压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_a为加速压降。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，所述第一实验段(24)的加热效率η计算方法如下：

式中：U为直流电压，I为直流电流，

为质量流量，h_out为加热段出口焓值，h_in为加热段进口焓值。

9.根据权利要求6所述的实验方法，其特征在于，所述第一实验段(24)总压降ΔP_t计算过程如下：

ΔP_t＝ΔP_g+ΔP_a+ΔP_f+ΔP_d

式中：ΔP_g为重力压降，ΔP_a为加速压降，ΔP_f为摩擦压降，ΔP_d为局部压降；

其中，ΔP_g＝g∫₁ ²ρdz，其中，z为竖直段高度；

上述公式可以变化为：

式中：L为测量段长度，h₁为进口焓值，h₂为出口焓值；

式中：G为质量流速，ρ₁为进口密度，ρ₂为出口密度；

式中：A为流通面积，C为湿周，τ_w为剪切应力；

式中：ξ_d为局部阻力系数。

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