一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法，测量装置由二氧化碳循环回路和水循环回路组成，二氧化碳循环回路包括进气阀、二氧化碳储罐、二氧化碳泵、二氧化碳加热器、二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器；水循环回路包括注水阀、水储罐、水泵、水加热器、水实验段和水冷却器；二氧化碳实验段与水回路实验段组成套管结构，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管中流动；套管实验段沿长度方向被分为若干分段，每一分段的进出口均设有压力、温度测点；二氧化碳循环回路与水循环回路均设有加热器和冷却器；本发明专利技术可准确测量冷却、加热两种模式下，亚临界区、拟临界区、超临界区二氧化碳内部强制流动过程的阻力系数和传热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法
本专利技术涉及一种热工测量装置及方法，具体涉及一种超临界二氧化碳流动传热特性测量装置及方法。
技术介绍
二氧化碳(CO2)无毒性、不可燃、价格低廉、不会危害臭氧层，是一种安全、经济、环保的工质。超临界状态下的二氧化碳(supercriticalcarbondioxide,sCO2)还具有比热容高、能量密度大、输运特性优良、压缩功耗低、热源适用范围广、与标准材料相容性好等诸多优点。这些优点使得二氧化碳越来越受到先进动力循环系统、制冷空调系统、供热系统、高效换热系统的青睐，它被认为是紧凑高效能量循环系统中的优质工质。在实际应用中二氧化碳通常经历跨临界或超临界循环，这些循环系统中的一个重要部件是换热器，它决定了整个系统的效率、紧凑性和初投资。在换热器通道内，在拟临界点附近或者更高参数下，二氧化碳根据工艺要求被加热或者被冷却。反映换热器内二氧化碳流动传热特性的技术参数为阻力系数和传热系数，掌握二氧化碳在拟临界点附近或更高参数下的阻力系数、传热系数数据是成功设计换热器的前提和关键。热工测量是获得二氧化碳阻力系数、传热系数的主要途径。但二氧化碳在拟临界区附近的热物性随温度、压力变化会发生剧烈的非线性变化，加上二氧化碳在实际换热器中的工作模式又存在冷却与加热之分，使得实际二氧化碳流动、传热过程变得复杂，对其阻力系数、传热系数进行系统性测量研究的难度很大。尽管前人对二氧化碳流动、传热过程已做了一些实验研究，但实验数据不系统且均为整体平均值，而且未能兼顾二氧化碳冷却、加热两种模式，这些零散数据不足以揭示深层机理和规律，难以满足对二氧化碳换热器优化设计的要求。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述缺点，本专利技术提供了一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法，该测量装置以流体力学和传热学知识为理论基础，可以准确测量冷却、加热两种模式下，亚临界区、拟临界区、超临界区二氧化碳内部强制流动过程的阻力系数和传热系数，为二氧化碳换热器理论研究和工程设计提供基础数据。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种二氧化碳流动传热特性测量装置，包括二氧化碳循环回路和水循环回路，所述二氧化碳循环回路包括依次连接的二氧化碳进气阀1、二氧化碳储罐2、二氧化碳泵3、二氧化碳加热器8、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器18，形成封闭二氧化碳循环回路；二氧化碳储罐2中的二氧化碳依次流经二氧化碳泵3、二氧化碳加热器8、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器18后流入二氧化碳储罐2；所述水循环回路包括依次连接的注水阀20、水储罐21、水泵22和水加热器23，水加热器23出口分多路，每一路分别连接一路水回路实验段，多路水回路实验段汇总后连接水冷却器31，形成封闭水循环回路；水储罐21中的水流经水泵22、水加热器23后分多路分别进入每一路水回路实验段，流出水回路实验段后汇总为一路再流经水冷却器31后进入水储罐21；所述二氧化碳实验段与水回路实验段数量相同，组成套管结构的套管实验段，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管中流动，两者通过套管内管壁进行热量交换。所述套管实验段沿长度方向被分为若干分段，每一分段的进出口均设有压力、温度测点，以测量各分段的二氧化碳阻力系数、传热系数。所述二氧化碳实验段为三段，分别为第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b和第三二氧化碳实验段11c；相应的，所述水回路实验段也为三段，分别为第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b和第三水回路实验段28c。所述二氧化碳泵3与二氧化碳加热器8之间设有安全阀、压力调节阀、流量调节阀和流量计，二氧化碳加热器8与二氧化碳实验段之间设有二氧化碳温度计和二氧化碳压力计，二氧化碳实验段各分段之间设有二氧化碳温度计，二氧化碳实验段各分段设有二氧化碳压差计，二氧化碳实验段与二氧化碳冷却器18之间设有二氧化碳温度计、二氧化碳减压阀和二氧化碳压力计，二氧化碳冷却器18与二氧化碳储罐2之间设有二氧化碳温度计。所述水加热器23与水回路实验段各分段之间设有水温度计、水压力计、水流量调节阀和流量计，水回路实验段各分段与水冷却器31间设有水温度计和水压力计，水冷却器31与水储罐21间设有水温度计。通过调节二氧化碳加热器8、二氧化碳冷却器18、水加热器23、水冷却器31的换热功率，控制二氧化碳成为传热实验中的高温介质或低温介质，以便测量二氧化碳在冷却或加热模式下的流动传热特性。所述套管实验段内管内径为0.5～15mm，套管实验段总长度为0.5～10m，套管实验段内管为不锈钢管，外管为铜管。所述二氧化碳循环回路能够承受的最高压力为28MPa、最高温度为350℃。一种二氧化碳流动传热特性测量方法，采用所述的测量装置，包括以下步骤：(1)充装工质：开启二氧化碳进气阀1，向二氧化碳储罐2中充装工质；开启注水阀20，向水储罐21中充装工质；(2)建立循环：开启二氧化碳泵3，利用二氧化碳流量调节阀、二氧化碳压力调节阀和二氧化碳加热器8调节二氧化碳流量、温度、压力以满足实验要求；开启水泵22，通过水流量调节阀和水加热器23调节水回路实验段的水流量、温度以满足实验要求；(3)稳态测量：监测二氧化碳实验段各分段的二氧化碳流量、温度、压力、压降，监测水回路实验段各分段的水流量、温度、压力，待这些测量数据稳定5分钟后开始记录并保存数据，测量持续2分钟；(4)数据处理：根据能量守恒定律计算实验段各分段中两种工质的二氧化碳换热量QCO2和水换热量QH2O，当两者相对偏差不超过5％时，根据下式计算传热量Q：Q＝0.5(QH2O+QCO2)根据传热方程计算总传热系数U：U＝Q/A1/ΔTLM其中：Ai为套管实验段内管的内壁面积；ΔTLM为实验段对数换热温差；根据热阻叠加原理计算二氧化碳传热系数hCO2：其中：D0和D1分别为套管实验段内管的外径和内径，L为实验段长度，A0为套管实验段内管的外壁面积；λ为套管实验段内管的壁面导热系数；hH2O为套管实验段环管中水的传热系数，按下式计算：其中：Re、Pr、λH2O分别为套管实验段环管中水的雷诺数、普朗特数和导热系数；de为环管的当量直径；根据下式计算二氧化碳阻力系数fCO2：其中：Δp为实验段二氧化碳进出口压差；ρ为二氧化碳密度；u为二氧化碳流速。本专利技术具有以下有益效果：(1)可实现跨临界、大参数范围内二氧化碳阻力系数、传热系数的测量。通过二氧化碳泵、压力调节阀以及加热器对压力、温度进行调节，可得到亚临界、拟临界、超临界状态下的二氧化碳工质，从而进行不同工况下的测量。(2)可测得二氧化碳阻力系数、传热系数的沿程分布。实验段可根据需要分为若干分段，每个分段的阻力系数、传热系数均可测量得到。与现有技术获得的整体平均数据相比，本专利技术提供的测量数据更为详细、局部和微观，对于探索(物性剧变)拟临界区内二氧化碳流动传热机理更具指导意义。(3)可实现冷却、加热两种模式下二氧化碳阻力系数、传热系数的测量。通过控制水回路、二氧化碳回路的加热器和冷却器，可以控制二氧化碳成为传热实验中的高温介质或低温介质，从而测量二氧化碳在冷却或加热模式下的阻力系数、传热系数。(4)无需测量壁面温度即可得到传热系数大小。与现有技术相比，本专利技术无需测量套管内管壁温度即可完成测量，免去了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化碳流动传热特性测量装置，包括二氧化碳循环回路和水循环回路，其特征在于：所述二氧化碳循环回路包括依次连接的二氧化碳进气阀(1)、二氧化碳储罐(2)、二氧化碳泵(3)、二氧化碳加热器(8)、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器(18)，形成封闭二氧化碳循环回路；二氧化碳储罐(2)中的二氧化碳依次流经二氧化碳泵(3)、二氧化碳加热器(8)、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器(18)后流入二氧化碳储罐(2)；所述水循环回路包括依次连接的注水阀(20)、水储罐(21)、水泵(22)和水加热器(23)，水加热器(23)出口分多路，每一路分别连接一路水回路实验段，多路水回路实验段汇总后连接水冷却器(31)，形成封闭水循环回路；水储罐(21)中的水流经水泵(22)、水加热器(23)后分多路分别进入每一路水回路实验段，流出水回路实验段后汇总为一路再流经水冷却器(31)后进入水储罐(21)；所述二氧化碳实验段与水回路实验段数量相同，组成套管结构的套管实验段，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管中流动，两者通过套管内管壁进行热量交换。所述套管实验段沿长度方向被分为若干分段，每一分段的进出口均设有压力、温度测点，以测量各分段的二氧化碳阻力系数、传热系数。...

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳流动传热特性测量装置，包括二氧化碳循环回路和水循环回路，其特征在于：所述二氧化碳循环回路包括依次连接的二氧化碳进气阀(1)、二氧化碳储罐(2)、二氧化碳泵(3)、二氧化碳加热器(8)、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器(18)，形成封闭二氧化碳循环回路；二氧化碳储罐(2)中的二氧化碳依次流经二氧化碳泵(3)、二氧化碳加热器(8)、多个二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器(18)后流入二氧化碳储罐(2)；所述水循环回路包括依次连接的注水阀(20)、水储罐(21)、水泵(22)和水加热器(23)，水加热器(23)出口分多路，每一路分别连接一路水回路实验段，多路水回路实验段汇总后连接水冷却器(31)，形成封闭水循环回路；水储罐(21)中的水流经水泵(22)、水加热器(23)后分多路分别进入每一路水回路实验段，流出水回路实验段后汇总为一路再流经水冷却器(31)后进入水储罐(21)；所述二氧化碳实验段与水回路实验段数量相同，组成套管结构的套管实验段，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管中流动，两者通过套管内管壁进行热量交换。所述套管实验段沿长度方向被分为若干分段，每一分段的进出口均设有压力、温度测点，以测量各分段的二氧化碳阻力系数、传热系数。2.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：所述二氧化碳实验段为三段，分别为第一二氧化碳实验段(11a)、第二二氧化碳实验段(11b)和第三二氧化碳实验段(11c)；相应的，所述水回路实验段也为三段，分别为第一水回路实验段(28a)、第二水回路实验段(28b)和第三水回路实验段(28c)。3.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：所述二氧化碳泵(3)与二氧化碳加热器(8)之间设有安全阀、压力调节阀、流量调节阀和流量计，二氧化碳加热器(8)与二氧化碳实验段之间设有二氧化碳温度计和二氧化碳压力计，二氧化碳实验段各分段之间设有二氧化碳温度计，二氧化碳实验段各分段设有二氧化碳压差计，二氧化碳实验段与二氧化碳冷却器(18)之间设有二氧化碳温度计、二氧化碳减压阀和二氧化碳压力计，二氧化碳冷却器(18)与二氧化碳储罐(2)之间设有二氧化碳温度计。4.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：所述水加热器(23)与水回路实验段各分段之间设有水温度计、水压力计、水流量调节阀和流量计，水回路实验段各分段与水冷却器(31)间设有水温度计和水压力计，水冷却器(31)与水储罐(21)间设有水温度计。5.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于，通过调节二氧化碳加热器(8)、二氧化碳冷却器(18)、水加热器(23)、水冷却器(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，聂鹏，吴帅帅，张一帆，杨玉，李红智，姚明宇，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61