CN114964838B - 多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置及其应用，测试装置包括：增压设备、第一通路、第二通路和数据采集系统，第一通路包括主路和第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，第一支路上设有第一流量阀、第二支路上设有第二流量阀，主路上设有第三流量阀，第四支路上设有加热器；第二通路上设有第一回热器、第二回热器和冷却器；数据采集系统用于采集测试装置的压力、温度和流量数据以及冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数。由此，该测试装置具备测试多模式超临界二氧化碳换热器热力性能的功能，而且结构简单、控制灵活、易操作。

Description

多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置及其应用

技术领域

本发明涉及换热器测试技术领域，具体涉及一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置及其应用。

背景技术

超临界二氧化碳发电系统要具有发电效率高、系统体积小、重量轻等优点，在太阳能、核能以及航空航天等领域应用潜力巨大。超临界压力流体换热器(包括超临界二氧化碳发电系统中的回热器和被测冷却器)是发电系统的核心组成部件之一，对整个系统效率的提升和安全运行起着至关重要的作用。研制体积小、重量轻、功率密度大的超临界压力流体换热器，无论是对于提高整个发电系统功重比，还是对于降低换热器的加工成本等都具有重要意义。超临界压力换热器的精细化设计技术是获得轻质高效换热器的前提，建设超临界压力换热器的实验平台是发展换热器精细化设计技术的保障，也是发展超临界二氧化碳发电技术的要求。

已有的换热器实验系统只能够实现对单一回热器的热力性能测试，且回热器内的冷热两侧的流量往往相等，不能自由调节；已有的换热器实验系统也不能同时满足不同超临界二氧化碳发电模式下的换热器性能测试需求。另外，已有的换热器实验系统对于超临界二氧化碳的加热多采用油浴间接加热、空气加热器加热等方式，但这些加热方式除了加热效率低以外，还存在如下弊端：(1)采用油浴的加热方式有温度上限限制，加热油的温度通常不高于350℃，导致加热器内超临界二氧化碳的最高温度往往不高于300℃，而实际的超临界二氧化碳发电系统中进入换热器中的超临界二氧化碳的最高温度不低于500℃，显然，采用油浴的加热方式不能满足超临界二氧化碳发电系统换热器性能的测试需求；(2)空气加热器加热方式的显著弊端是加热电极极易出现氧化，导致加热功率低，最终导致超临界二氧化碳工质的加热温度低，不能满足实验要求。

因此，现有的换热器测试装置有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置及其应用，该测试装置具备测试多模式超临界二氧化碳换热器的热力性能的功能，而且结构简单、控制灵活、易操作。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置。根据本发明的实施例，所述测试装置包括：

增压设备；

第一通路，所述第一通路包括主路和第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述主路的一端与所述增压设备相连，沿所述主路内工质的流动方向，所述主路分别与所述第一支路的一端、所述第二支路的一端、所述第三支路的一端和所述第四支路的一端相连，所述第一支路上设有第一流量阀、所述第二支路上设有第二流量阀，所述主路上设有第三流量阀，所述第四支路上设有加热器，并且所述第三流量阀设在所述第二支路的一端和所述第三支路的一端之间；

第二通路，所述第二通路上设有第一回热器、第二回热器和冷却器，所述第一回热器的第一进口与所述第一支路的另一端相连，所述第二支路的另一端分别与所述第一回热器的第一出口和所述第二回热器的第一进口相连，所述第二回热器的第一出口与所述第三支路的另一端相连，所述第二回热器的第二进口与所述第四支路的另一端相连，所述第二回热器的第二出口与所述第一回热器的第二进口相连，所述冷却器分别与所述第一回热器的第二出口和所述增压设备的进口相连；

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集所述测试装置的压力、温度和流量数据以及所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数。

根据本发明实施例的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，测试装置包括增压设备、第一通路、第二通路和数据采集系统，第一通路包括主路和第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，第二通路上设有第一回热器、第二回热器和冷却器，通过在第一支路上设第一流量阀，第二支路上设第二流量阀、主路上设第三流量阀，且第三流量阀设在第二支路的一端和第三支路的另一端之间，同时第一回热器的第一进口与第一支路的另一端相连，第二支路的另一端分别与第一回热器的第一出口和第二回热器的第一进口相连，第二回热器的第一出口与第三支路的另一端相连，第二回热器的第二进口与第四支路的另一端相连，第二回热器的第二出口与第一回热器的第二进口相连，冷却器分别与第一回热器的第二出口和增压设备的进口相连，然后通过控制第一流量阀、第二流量阀和第三流量阀的打开或关闭，从而数据采集系统可以采集测试装置的压力、温度和流量数据以及冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数，进而该测试装置具备测试多模式超临界二氧化碳换热器的热力性能的功能，并且该测试装置结构简单、控制灵活、容易操作。

另外，根据本发明上述实施例的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述数据采集系统包括传感器，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、压差传感器、质量流量计和安全报警器中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述传感器设在所述增压设备的出口处、第一回热器的第一进口处、所述第一回热器的第二进口处、所述第一回热器的第一出口处、所述第一回热器的第二出口处、第二回热器的第一进口处、所述第二回热器的第二进口处、所述第二回热器的第一出口处、所述第二回热器的第二出口处、所述加热器的进口处、所述加热器的出口处、所述冷却器的进口处和所述冷却器的出口处中的至少之一。由此，可以采集测试装置的压力、温度和流量数据以及冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数。

在本发明的一些实施例中，还包括压力调节阀和储液缓冲器，所述压力调节阀设在所述主路上，并且所述压力调节阀设在所述第三支路的一端和所述第四支路的一端之间；所述储液缓冲器设在所述冷却器的出口与所述增压设备的进口之间。

在本发明的一些实施例中，还包括：工质加注与排放系统和供电与控制系统。

在本发明的一些实施例中，所述加热器内填充有惰性气体。由此，避免加热电极出现氧化，提高加热效率。

在本发明的一些实施例中，所述加热器为三相交流电进行加热。由此，工质升温速率快，并且可以提高工质的最高加热温度。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)关闭第一流量阀和第二流量阀，开启第三流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器，并调节所述加热器加热功率；

(6)调节所述压力调节阀，以使所述冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值；

(7)待所述冷却器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器的性能参数；

(8)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)和(7)，以便得到多组所述冷却器的性能参数。

根据本发明实施例的采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能的方法，通过关闭第一流量阀和第二流量阀，开启第三流量阀，使得二氧化碳工质无法从第一支路、第二支路和第三支路流过，而沿着主路、第四支路和第二通路流动，以便能测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能，然后开启压力调节阀，压力调节阀用于调节整个测试装置的运行压力，并调节测试装置内的工质流量，然后开启冷却器，并确保冷却器中冷却工质侧流体流动，以便对流入冷却器的工质进行冷却，然后启动增压设备，用于确保二氧化碳循环工质在测试装置中循环流动，接着启动加热器，并调节加热器加热功率，使得工质以一定的温度和流量流入冷却器，然后调节压力调节阀，以使冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值并保持稳定，当冷却器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值时，冷却器内的工质流动传热达到稳定状态，记录稳态时测试装置的压力、温度和流量以及冷却器的进出口压力、压差和温度参数，计算出冷却器的传热功率和阻力等，然后根据新的测试工况条件，注入或排放一定量的循环工质，重复上述步骤(6)和(7)，从而完成新工况条件下的连续测试，进而获取在单冷却超临界二氧化碳发电模式下多组冷却器的热力性能数据。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)关闭第一流量阀和第三流量阀，开启第二流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器，并调节所述加热器加热功率；

(6)调节所述压力调节阀，以使所述冷却器和所述第二回热器冷热两侧工质的压力和温度至目标值；

(7)待所述冷却器和所述第二回热器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器和所述第二回热器的性能参数；

(8)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)和(7)，以便得到多组所述冷却器和所述第二回热器的性能参数。

根据本发明实施例的采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能的方法，通过关闭第一流量阀和第三流量阀，开启第二流量阀，使得二氧化碳工质从主路进入第二支路，并流过第二回热器和冷却器，以便测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能。然后开启压力调节阀，压力调节阀用于调节整个测试装置的运行压力，并调节测试装置内的工质流量，然后开启冷却器，并确保冷却器中冷却工质侧流体流动，以便对流入冷却器的工质进行冷却，然后启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在测试装置中循环流动，接着启动加热器，并调节加热器加热功率，使得工质以一定的温度和流量流入冷却器，然后调节压力调节阀，以使冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值并保持稳定，当冷却器和第二回热器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值时，冷却器和第二回热器内的工质流动传热达到稳定状态，记录稳态时测试装置的压力、温度和流量以及冷却器和第二回热器的进出口压力、压差和温度参数，计算出冷却器的传热功率和阻力等，然后根据新的测试工况条件，注入或排放一定量的循环工质，重复上述步骤(6)和(7)，从而完成新工况条件下的连续测试，获取在一级回热式超临界二氧化碳发电模式下多组冷却器和第二回热器热力性能数据。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)关闭第二流量阀和第三流量阀，开启第一流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器；

(6)开启所述第二流量阀，调节进入第一回热器冷侧的二氧化碳流量，以使所述第一回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；

(7)关闭所述第二流量阀，开启所述第三流量阀，调节进入第二回热器冷侧的二氧化碳流量，以使所述第二回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；

(8)待所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的冷热两侧工质的压力和温度至目标值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数；

(9)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)、(7)和(8)，以便得到多组冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数。

根据本发明实施例的采用上述的多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能的方法，通过关闭第二流量阀和第三流量阀，开启第一流量阀，使得二氧化碳工质从主路进入第一支路，并流过冷却器、第一回热器和第二回热器，以便可以测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能。然后开启压力调节阀，用于调节整个测试装置的运行压力，并调节测试装置内的工质流量，然后开启冷却器，并确保冷却器中冷却工质侧流体流动，以便对流入冷却器的工质进行冷却，然后启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在测试装置中循环流动，接着启动加热器，并调节加热器加热功率，使得工质以一定的温度和流量流入冷却器，然后开启第二流量阀，工质将从主路同时流入第二支路，从而调节进入第一回热器冷侧的二氧化碳流量，以使所述第一回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；然后关闭第二流量阀，开启第三流量阀，从而调节进入第二回热器冷侧的二氧化碳流量，以使第二回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；待冷却器、第一回热器和第二回热器的冷热两侧工质的压力和温度至目标值时，记录测试装置的压力、温度和流量以及冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数，计算出冷却器的传热功率和阻力等，然后根据新的测试工况条件，注入或排放一定量的循环工质，重复上述步骤(6)、(7)和(8)，从而完成新工况条件下的连续测试，获取再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能数据。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的一个实施例的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置的结构示意图；

图2是本发明的再一个实施例的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置的结构示意图；

图3是本发明的加热器内部示意图；

图4是本发明的加热器内部实物图；

图5是本发明的一个实施例的采用多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能的方法流程示意图；

图6是本发明的再一个实施例的采用多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能的方法流程示意图；

图7是本发明的又一个实施例的采用多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能的方法示意图。

附图标记：

10、增压设备；101、增压设备的出口；

20、第一通路；201、主路；2011、第三流量阀；202、第一支路；2021、第一流量阀；203、第二支路；2031、第二流量阀；204、第三支路；205、第四支路；2051、加热器；20511、加热器的进口；20512、加热器的出口

30、第二通路；301、第一回热器；3011、第一回热器的第一进口；3012、第一回热器的第二进口；3013、第一回热器的第一出口；3014、第一回热器的第二出口；302、第二回热器；3021、第二回热器的第一进口；3022、第二回热器的第二进口；3023、第二回热器的第一出口；3024、第二回热器的第二出口；303、冷却器；3031、冷却器的进口；3032、冷却器的出口；

40、数据采集系统；

50、压力调节阀；

60、储液缓冲器；

70、工质加注与排放系统；

80、供电与控制系统。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置。根据本发明的实施例，参考图1，该测试装置包括：增压设备10、第一通路20、第二通路30和数据采集系统40。

根据本发明的一些实施例，第一通路20包括主路201和第一支路202、第二支路203、第三支路204和第四支路205，主路201的一端与增压设备10相连，沿主路201内工质的流动方向，主路201分别与第一支路202的一端、第二支路203的一端、第三支路204的一端和第四支路205的一端相连，从而使得第一支路202、第二支路203、第三支路204和第四支路205实现并联连接；同时第一支路202上设有第一流量阀2021、第二支路203上设有第二流量阀2031，主路201上设有第三流量阀2011，第四支路205上设有加热器2051，并且第三流量阀2011设在第二支路203的一端和第三支路204的一端之间，从而使得第一流量阀2021、第二流量阀2031和第三流量阀2011相互并联连接。需要说明的是，增压设备10用于提供测试装置中工质的循环动力，维持测试装置运行压力的平衡，本领域技术人员可以根据需要对增压设备10的具体类型进行选择，例如，增压设备10为增压泵或压缩机。

进一步地，参考图3-图4，加热器2051内填充有惰性气体，且为三相交流电进行加热。发明人发现，采用该加热方式可以克服加热电极出现氧化、加热功率低，导致二氧化碳工质的加热温度低，不能满足实验要求的弊端，从而实现超临界二氧化碳的最高加热温度不低于650℃，完全满足超临界二氧化碳换热器性能测试装置对于工质温度的要求。具体的，加热器2051进出口两端可以通过焊接的方式直接接入测试装置，无需做电绝缘处理。此外，在加热器2051前设置电动调节阀(图中未示出)，最大限度的降低测试装置中循环工质的高温对阀体本身的损害，同时显著降低了耐高温、耐高压加热器的设计难度和安全运行风险，同时加热器2051与第二回热器302直接相连，也最大限度的避免了系统热量散失。需要说明的是，加热器2051用于加热该测试装置中的循环工质，并维持循环工质的温度恒定，其具体类别并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要可以实现其功能即可。

根据本发明的一些实施例，参考图1，该测试装置以超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术为背景，在第二通路30上设有第一回热器301、第二回热器302和冷却器303，同时第一回热器的第一进口3011与第一支路202的另一端相连，第二支路203的另一端分别与第一回热器的第一出口3013和第二回热器的第一进口3021相连，第二回热器302的第一出口3023与第三支路204的另一端相连，第二回热器302的第二进口3022与第四支路205的另一端相连，第二回热器302的第二出口3024与第一回热器301的第二进口3012相连，冷却器303分别与第一回热器301的第二出口3014和增压设备10的进口相连；从而通过第一流量阀2021、第二流量阀2031和第三流量阀2011的协同作用，实现多模式超临界二氧化碳换热器的热力性能的测试，数据采集系统40用于采集测试装置的压力、温度和流量数据以及冷却器303、第一回热器301和第二回热器302的性能参数。由此，该测试装置具备测试多模式超临界二氧化碳换热器的热力性能的功能，进而对推动超临界二氧化碳发电技术及超临界压力换热器设计技术的发展具有重要意义。需要说明的是，上述冷却器303、第一回热器301和第二回热器302分别相当于超临界二氧化碳布雷顿循环系统中的冷却器、进气温度较低的回热器和进气温度较高的回热器，并且均可以根据需要替换为被测换热器，即被测换热器可以根据实际需要在该测试装置中的冷却器303、第一回热器301或第二回热器302的位置点接入，实现被测换热器热力性能的测试。

进一步地，数据采集系统40包括传感器，传感器包括压力传感器、温度传感器、压差传感器、质量流量计和安全报警器中的至少之一，且传感器设在增压设备的出口101处、第一回热器301的第一进口3011处、第一回热器301的第二进口3012处、第一回热器301的第一出口3013处、第一回热器301的第二出口3014处、第二回热器302的第一进口3021处、第二回热器302的第二进口3022处、第二回热器302的第一出口3023处、第二回热器302的第二出口3024处、加热器2051的进口20511处、加热器2051的出口20512处、冷却器303的进口处3031和冷却器303的出口3032处中的至少之一。由此，便于采集测试装置各部件的压力、温度和流量数据以及冷却器303、第一回热器301和第二回热器302的性能参数。

根据本发明的一些实施例，参考图1-2，上述测试装置进一步包括压力调节阀50和储液缓冲器60。其中，压力调节阀50设在主路201上，并且压力调节阀50设在第三支路204的一端和第四支路205的一端之间，从而压力调节阀50可以调节整个测试装置的运行压力，以及同步调节工质的流量。储液缓冲器60设在冷却器303的出口与增压设备10的进口之间，储液缓冲器60用于存储测试装置内的循环工质，同时当测试装置运作时，可以缓冲其压力，维持测试装置的压力稳定。

根据本发明的一些实施例，参考图2，上述测试装置还进一步包括工质加注与排放系统70和供电与控制系统80。工质加注与排放系统70用于工质的充注和安全排放，供电与控制系统80则用于为测试装置中用电设备和传感器等提供电力，同时还为增压设备10的启停、阀门开度调节等提供远程控制操作以及给测试装置提供超温和超压保护。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用上述多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能的方法。参考图5，该方法包括：

S100：关闭第一流量阀和第二流量阀，开启第三流量阀

该步骤中，关闭第一流量阀和第二流量阀，开启第三流量阀，使得二氧化碳工质无法从第一支路、第二支路和第三支路流过，而沿着主路、第四支路和第二通路流动，以便能测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能。

S200：开启压力调节阀

S300：开启冷却器

该步骤中，开启冷却器，并确保冷却器中的冷却工质侧流体正常流动。需要说明的是，冷却工质的具体类别并不受特别限制，可以是气体或液体，例如，空气、水、燃油等。

S400：启动增压设备

该步骤中，启动增压设备，增压设备可以提供工质的循环动力，确保二氧化碳循环工质在装置中循环流动。

S500：启动加热器，并调节加热器加热功率

该步骤中，启动加热器，调节加热器加热功率，以使循环工质升温。

S600：调节压力调节阀，以使冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值

该步骤中，调节压力调节阀，以使冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值并保持稳定。

S700：记录测试装置的压力、温度和流量以及冷却器的性能参数

该步骤中，当冷却器进出口温度在设定时间范围内维持恒定不变或者温度变化速率不高于设定值，则认为冷却器内工质流动传热达到稳态。然后记录稳态时测试装置的压力、温度和流量以及冷却器的性能参数，具体包括增压设备进出口、压力调节阀进出口、加热器进出口等处的压力、流量和温度数据，以及冷却器进出口的压力、压差和温度参数，然后计算冷却器的传热功率和阻力等。

S800：根据测试工况条件，注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600和S700

该步骤中，根据测试工况条件，使用工质加注与排放系统注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600和S700，完成不同工况条件下的连续测试，得到多组冷却器的性能参数。具体的，冷却器可以是布雷顿循环体系中的冷却器。

需要说明的是，冷却器可以根据需要替换成被测换热器，从而获取被测换热器的热力性能数据。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种采用上述多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能的方法。

根据本发明的实施例，参考图6，该方法包括：

S100：关闭第一流量阀和第三流量阀，开启第二流量阀

该步骤中，关闭第一流量阀和第三流量阀，开启第二流量阀，使得二氧化碳工质从主路进入第二支路，并流过第二回热器和冷却器，以便测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能。

S200：开启压力调节阀

S300：开启冷却器

该步骤中，开启冷却器，并确保冷却器中的冷却工质侧流体正常流动。需要说明的是，冷却工质的具体类别同于上文描述，此处不再赘述。

S400：启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在装置中循环流动

该步骤中，启动增压设备，增压设备可以提供工质的循环动力，确保二氧化碳循环工质在装置中循环流动。

S500：启动加热器，并调节加热器加热功率

该步骤中，启动加热器，调节加热器加热功率，以使循环工质升温。

S600：调节压力调节阀

该步骤中，调节压力调节阀，以使冷却器和第二回热器冷热两侧工质的压力和温度至目标值并保持稳定。

S700：记录测试装置的压力、温度和流量以及冷却器和第二回热器的性能参数

该步骤中，当冷却器和第二回热器的进出口温度在设定时间范围内维持恒定不变或者温度变化速率不高于设定值，则认为冷却器和回热器内工质流动传热达到稳态，然后记录稳态时测试装置的压力、温度和流量以及冷却器和第二回热器的性能参数，具体包括增压设备进出口、压力调节阀进出口、加热器进出口等处的压力、流量和温度数据，冷却器进出口和第二回热器进出口的压力、压差和温度参数，以及计算冷却器的传热功率和阻力等。

S800：根据测试工况条件，注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600和S700

该步骤中，根据测试工况条件，使用工质加注与排放系统注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600和S700，完成不同工况条件下的连续测试，从而得到多组冷却器和第二回热器的性能参数。具体的，冷却器布雷顿循环体系中的冷却器，第二回热器可以是布雷顿循环体系中的高温回热器。

需要说明的是，冷却器和第二回热器可以根据需要替换成被测换热器，从而获取被测换热器的热力性能数据。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种采用上述多模式超临界二氧化碳换热器性能装置测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能的方法。根据本发明的实施例，参考图7，该方法包括：

S100：关闭第二流量阀和第三流量阀，开启第一流量阀

该步骤中，关闭第二流量阀和第三流量阀，开启第一流量阀，从而使得工质流过第一回热器、第二回热器和冷却器，以便测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能。

S200：开启压力调节阀

S300：开启冷却器

该步骤中，开启冷却器，并确保冷却器中的冷却工质侧流体正常流动。需要说明的是，冷却工质的具体类别同于上文描述，此处不再赘述。

S400：启动增压设备

该步骤中，启动增压设备，增压设备可以提供工质的循环动力，确保二氧化碳循环工质在装置中循环流动。

S500：启动加热器

该步骤中，启动加热器，调节加热器加热功率，以使循环工质升温。

S600：开启第二流量阀

该步骤中，开启第二流量阀，调节进入第一回热器冷侧的二氧化碳工质的流量，此时，进入第二回热器内的工质流量不变，且第二回热器内冷热两侧的工质流量也相同，均等于测试装置的工质总流量。而第一回热器内冷热两侧的工质流量不相同，且冷侧的工质流量小于热侧的工质流量，同时第一回热器和第二回热器热侧的工质流量均等于测试装置的工质总流量。

S700：关闭第二流量阀，开启第三流量阀

该步骤中，关闭第二流量阀，开启第三流量阀，从而可以调节进入第二回热器冷侧的工质流量，且第一回热器和第二回热器的热侧工质流量均等于测试装置的工质总流量。

S800：记录测试装置的压力、温度和流量以及冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数

该步骤中，待所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录稳态时测试装置的压力、温度和流量以及冷却器和第二回热器的性能参数，具体包括增压设备进出口、压力调节阀进出口、加热器进出口等处的压力、流量和温度数据，冷却器进出口、第一回热器和第二回热器进出口的压力、压差和温度参数，以及计算冷却器的传热功率和阻力等。

S900：根据测试工况条件，注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600、S700和S800

该步骤中，根据测试工况条件，使用工质加注与排放系统注入或排放装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤S600、S700和S800，完成不同工况条件下的连续测试，从而得到多组冷却器、第一回热器和第二回热器的性能参数。具体的，冷却器可以是布雷顿循环体系中的冷却器，第一回热器可以是布雷顿循环体系中的低温回热器，第二回热器可以是布雷顿循环体系中的高温回热器。

需要说明的是，冷却器、第一回热器和第二回热器可以根据需要替换成被测换热器，从而获取被测换热器的热力性能数据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，包括：

增压设备；

第一通路，所述第一通路包括主路和第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述主路的一端与所述增压设备相连，沿所述主路内工质的流动方向，所述主路分别与所述第一支路的一端、所述第二支路的一端、所述第三支路的一端和所述第四支路的一端相连，所述第一支路上设有第一流量阀、所述第二支路上设有第二流量阀，所述主路上设有第三流量阀，所述第四支路上设有加热器，并且所述第三流量阀设在所述第二支路的一端和所述第三支路的一端之间；

第二通路，所述第二通路上设有第一回热器、第二回热器和冷却器，所述第一回热器的第一进口与所述第一支路的另一端相连，所述第二支路的另一端分别与所述第一回热器的第一出口和所述第二回热器的第一进口相连，所述第二回热器的第一出口与所述第三支路的另一端相连，所述第二回热器的第二进口与所述第四支路的另一端相连，所述第二回热器的第二出口与所述第一回热器的第二进口相连，所述冷却器分别与所述第一回热器的第二出口和所述增压设备的进口相连；

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集所述测试装置的压力、温度和流量数据以及所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数。

2.根据权利要求1所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，所述数据采集系统包括传感器，所述传感器包括压力传感器、温度传感器、压差传感器、质量流量计和安全报警器中的至少之一。

3.根据权利要求2所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，所述传感器设在所述增压设备的出口处、第一回热器的第一进口处、所述第一回热器的第二进口处、所述第一回热器的第一出口处、所述第一回热器的第二出口处、第二回热器的第一进口处、所述第二回热器的第二进口处、所述第二回热器的第一出口处、所述第二回热器的第二出口处、所述加热器的进口处、所述加热器的出口处、所述冷却器的进口处和所述冷却器的出口处中的至少之一。

4.根据权利要求1所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，还包括：

压力调节阀，所述压力调节阀设在所述主路上，并且所述压力调节阀设在所述第三支路的一端和所述第四支路的一端之间；

储液缓冲器，所述储液缓冲器设在所述冷却器的出口与所述增压设备的进口之间。

5.根据权利要求1所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，还包括：工质加注与排放系统和供电与控制系统。

6.根据权利要求1所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，所述加热器内填充有惰性气体。

7.根据权利要求1或6所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置，其特征在于，所述加热器为三相交流电进行加热。

8.一种采用权利要求1-7中任一项所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置测试单冷却超临界二氧化碳发电模式下冷却器热力性能的方法，其特征在于，包括：

(1)关闭第一流量阀和第二流量阀，开启第三流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器，并调节所述加热器加热功率；

(6)调节所述压力调节阀，以使所述冷却器冷热两侧工质的压力和温度至目标值；

(7)待所述冷却器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器的性能参数；

(8)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)和(7)，以便得到多组所述冷却器的性能参数。

9.一种采用权利要求1-7中任一项所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置测试一级回热式超临界二氧化碳发电模式下冷却器和第二回热器热力性能的方法，其特征在于，包括：

(1)关闭第一流量阀和第三流量阀，开启第二流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器，并调节所述加热器加热功率；

(6)调节所述压力调节阀，以使所述冷却器和所述第二回热器冷热两侧工质的压力和温度至目标值；

(7)待所述冷却器和所述第二回热器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器和所述第二回热器的性能参数；

(8)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)和(7)，以便得到多组所述冷却器和所述第二回热器的性能参数。

10.一种采用权利要求1-7中任一项所述的多模式超临界二氧化碳换热器性能测试装置测试再压缩式超临界二氧化碳发电模式下冷却器、第一回热器和第二回热器热力性能的方法，其特征在于，包括：

(1)关闭第二流量阀和第三流量阀，开启第一流量阀；

(2)开启压力调节阀；

(3)开启冷却器，并确保所述冷却器中冷却工质侧流体流动；

(4)启动增压设备，并确保二氧化碳循环工质在所述装置中循环流动；

(5)启动加热器；

(6)开启所述第二流量阀，调节进入第一回热器冷侧的二氧化碳流量，以使所述第一回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；

(7)关闭所述第二流量阀，开启所述第三流量阀，调节进入第二回热器冷侧的二氧化碳流量，以使所述第二回热器冷热两侧二氧化碳的流量不同；

(8)待所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的进出口温度保持不变或温度变化速率不高于设定值，记录所述测试装置的压力、温度和流量以及所述冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数；

(9)根据测试工况条件，注入或排放所述装置中二氧化碳循环工质，然后重复步骤(6)、(7)和(8)，以便得到多组冷却器、所述第一回热器和所述第二回热器的性能参数。

Images