CN216285014U - 一种可视化co2混合工质饱和状态点测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，包括工质预冷器、工质储罐、蒸发器、换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器及可视化观察器，工质预冷器出口端连接至工质储罐入口端，工质储罐出口端连接至蒸发器入口端，在工质预冷器和工质储罐的出口端均设置有管道视镜，在前端预冷器与前端冷凝器之间设置有可视化预冷观察器，在前端冷凝器与过冷器之间设置有可视化冷凝观察器。本实用新型通过可视化窗口的设置，使得实验人员可直观观察到工质相变过程液滴生成和气泡消失的状态，并利用高速摄像仪进行记录，可有效保证实测数据的准确性，对CO₂混合工质饱和状态点测试实验具有重要的使用价值，适用于转化应用。

Description

一种可视化CO2混合工质饱和状态点测试系统

技术领域

本实用新型属于热工设备领域，涉及混合工质测量技术，尤其是一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统。

背景技术

随着能源短缺问题的日益凸显和环保意识的加强，全社会对可再生能源的关注、研究以及利用不断加强。地热发电和地源热泵供暖是目前利用地热资源的主要方式，针对不同品位的热源条件和利用方式选择合适的工质成为研究的重点，以期待最大化的利用好地热资源，提升效率，降低损耗。

为提高地热发电和地源热泵系统效率，减少蒸发器和冷凝器内传热过程损失，应使传热过程中工质与冷、热源流体温差尽可能小。现有的系统多采用单一工质，工质在蒸发器和冷凝器中经历的是定温定压的相变过程，工质和冷热源流体间温差大，换热损失大，从而造成系统净输出减小。CO₂混合工质是由CO₂和有机工质混合而成，在蒸发、冷凝器内的定压换热过程温度是变化的，存在温度滑移现象，工质温度和冷、热源流体温差较小，

损较小，系统输出可更多。

现有的混合工质换热实验主要集中在研究流体流量、换热器结构和尺寸对传热系数的影响，对于两相区内定压变温相变传热过程以及饱和液态点和饱和汽态点的测量暂未涉及。CO₂及其混合物临界压力比较高，对于系统管道组件抗压能力要求较大，特别是对于可视化组件的设计、加工和制造难度较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，该系统能实现CO₂混合工质有温度滑移的冷凝过程以及对于混合工质饱和液态点和饱和汽态点的测量，并且可通过高速摄像仪记录相变过程。该系统内各部件布置紧凑合理，测点位置选取能准确测量工质热物性参数，可视化窗口方便实验员最直观的观察实验现象。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，包括二氧化碳气瓶、有机工质罐、工质预冷器、工质储罐、蒸发器、换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器及可视化观察器，所述的二氧化碳气瓶和有机工质罐出口端汇合连通至工质预冷器入口端，工质预冷器出口端连接至工质储罐入口端，工质储罐出口端连接至蒸发器入口端，在所述工质预冷器和工质储罐的出口端均设置有管道视镜，所述的蒸发器依次连接换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器，过冷器的出口端回流连通至所述的工质储罐，在前端预冷器与前端冷凝器之间设置有第一可视化观察器，即可视化预冷观察器，在前端冷凝器与过冷器之间设置有第二可视化观察器，即可视化冷凝观察器。

上述的可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器结构相同，包括壳体，在壳体的上侧端设置有工质入口，下侧端设置有冷却水入口，在壳体的前后两侧分别设置有铝硅玻璃窗，在该铝硅玻璃窗的前端设置有高速摄像仪，且在所述可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器上均设置有测温套件。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型设计科学，管道布置合理紧凑，各流道间相互不影响，阀门能准确控制管路间切换和流量大小，可操作性强，通过可视化窗口，实验人员可直观观察到工质相变过程液滴生成和气泡消失；可视化观察器上对侧开两窗口，保证了光源进入无盲点；在系统内布置多个高精度压力传感器和温度传感器，可保证实测数据的准确性；同时，本系统所采用的安全阀能确保工质循环管路在安全的压力范围以内，保证实验人员生命安全，对CO₂混合工质饱和状态点测试实验具有重要的使用价值，适用于转化应用。

附图说明

图1为本实用新型系统连接示意图；

图2为图1中可视化组件结构示意图(主视)；

图3为图2的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，如图1所示，包括二氧化碳气瓶3、有机工质罐2、工质预冷器5、工质储罐20、蒸发器9、换热器12、前端预冷器13、前端冷凝器16、过冷器18及可视化观察器，所述的二氧化碳气瓶和有机工质罐出口端汇合连通至工质预冷器入口端，工质预冷器出口端连接至工质储罐入口端，工质储罐出口端连接至蒸发器入口端，在所述工质预冷器和工质储罐的出口端均设置有管道视镜6。

所述的蒸发器依次连接换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器，过冷器的出口端回流连通至所述的工质储罐，在前端预冷器与前端冷凝器之间设置有第一可视化观察器，即可视化预冷观察器14，在前端冷凝器与过冷器之间设置有第二可视化观察器，即可视化冷凝观察器17。

所述的可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器结构相同，如图2、图3所示，包括壳体23，在壳体的上侧端设置有工质入口25，下侧端设置有冷却水入口26，在壳体的前后两侧分别设置有铝硅玻璃窗24，该铝硅玻璃窗通过安装法兰25安装在壳体的两侧，在铝硅玻璃窗的前端设置有高速摄像仪15，在所述可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器上均设置有测温套件22。

在二氧化碳气瓶、有机工质罐下部均设置有重量传感器1，在二氧化碳气瓶、有机工质罐出口端均设置有减压阀4。

在蒸发器和换热器之间设置有安全阀10和节流阀11。

所述工质预冷器和过冷器的冷媒通过液氮罐21提供。

在工质储罐端设置有抽真空泵19和二氧化碳增压泵7，在工质储罐的出口端还设置有齿轮流量计8。

同时，在上述化工组件端均根据监测需要设置有流量传感器、温度传感器及压力传感器等具有监测功能的传感器元件。

本系统的工作过程如下：

抽真空过程：打开工质预冷管道和循环回路中的阀门，打开真空泵对实验系统抽真空，当真空泵压力表显示数值不再减小时，关闭阀门和真空泵。

工质充注过程：首先记录重量传感器初始测量值，打开液氮罐阀门和液氮预冷管道阀门，使液氮流入工质预冷器，降低换热器内温度。关闭截止阀，调节减压阀出口工质压力，然后工质经过截止阀流入工质预冷器被液氮冷却，通过管道视镜观察工质状态以及压力传感器和温度传感器所测得温度、压力数据判断工质是否完全冷凝到液态。

当工质为全液态时，打开截止阀，使工质流入工质储罐，此时阀门关闭，记录工质充注后重量传感器数值。按照相同方法，注入第二种工质，完成充注后关闭截止阀，将充注系统与工质循环回路断开。

工质循环回路：打开截止阀，使工质储罐中的液态混合工质经过管道视窗后进入增压泵，液态工质压力提高到实验所要求的条件下，经过流量计和压力传感器以及温度传感器后送入蒸发器。通过阀门的开启程度调整回流量大小，进而控制进入蒸发器中工质流量大小。

工质在蒸发器内吸收热水提供的热量汽化到过热态，蒸汽过热程度由压力传感器和温度传感器所测数值判断。安全阀安装在蒸发器后面，确保工质吸热汽化后压力值在安全范围内，以免发生安全事故。工质流经节流阀，压力和温度都有所降低，通过压力传感器和温度传感器测量数据判断节流后工质状态是否达到设定情况，通过调整流经换热器的冷却水流量大小来改变工质温度。

从换热器出来的工质流经温度传感器后送入前端预冷器中，被冷却到饱和气态点附近，通过压力传感器和温度传感器判断气态工质的过热程度。紧接着，工质被送入可视化预冷观察器内，被冷却水进一步冷却产生液滴，可通过高速摄像仪拍摄液滴生成现象，通过可视化观察器内置温度传感器测量液滴产生时的温度。

可视化观察器上有两组对开的视窗，便于观测液滴生成。前端冷凝器通过管道与可视化预冷观察器相连接。工质在前端冷凝器内释放热量给冷却水，干度不断减小，气体成分不断减少，剩余少许气泡，接近饱和液态点。

从前端冷凝器出来的工质流入可视化冷凝观察器内，冷却水继续为工质提供冷量，在视窗内可看到工质内气泡减少，直至消失，工质被完全冷凝为液态。通过高速摄像仪拍摄此时的变化情况，并用可视化组件内置温度传感器记录温度数据。冷却后的工质送入过冷器，通过液氮过冷到一定程度，保证回到工质储罐中的工质完全为液态，完成一个循环。

上述管路中热水泵提供热水流动需要的动力，其他换热器内的冷却放热量负荷由冷却水提供，水泵提供各冷却水回路动力，冷却水流量由涡轮流量计测量，各冷却水回路进出口温度由温度传感器测量。

尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：包括二氧化碳气瓶、有机工质罐、工质预冷器、工质储罐、蒸发器、换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器及可视化观察器，所述的二氧化碳气瓶和有机工质罐出口端汇合连通至工质预冷器入口端，工质预冷器出口端连接至工质储罐入口端，工质储罐出口端连接至蒸发器入口端，在所述工质预冷器和工质储罐的出口端均设置有管道视镜，所述的蒸发器依次连接换热器、前端预冷器、前端冷凝器、过冷器，过冷器的出口端回流连通至所述的工质储罐，在前端预冷器与前端冷凝器之间设置有第一可视化观察器，即可视化预冷观察器，在前端冷凝器与过冷器之间设置有第二可视化观察器，即可视化冷凝观察器。

2.根据权利要求1所述的一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：所述的可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器结构相同，包括壳体，在壳体的上侧端设置有工质入口，下侧端设置有冷却水入口，在壳体的前后两侧分别设置有铝硅玻璃窗，在该铝硅玻璃窗的前端设置有高速摄像仪。

3.根据权利要求1或2所述的一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：在所述可视化预冷观察器和可视化冷凝观察器上均设置有测温套件。

4.根据权利要求1所述的一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：在二氧化碳气瓶、有机工质罐下部均设置有重量传感器，在二氧化碳气瓶、有机工质罐出口端均设置有减压阀。

5.根据权利要求1所述的一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：在蒸发器和换热器之间设置有安全阀和节流阀。

6.根据权利要求1所述的一种可视化CO₂混合工质饱和状态点测试系统，其特征在于：在工质储罐端设置有抽真空泵和二氧化碳增压泵，在工质储罐的出口端还设置有齿轮流量计。

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