针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台

本发明涉及换热器测试技术领域，具体涉及一种针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台。

背景技术：

印刷电路板式换热器是一种高效紧凑式、高度集成的微通道板式换热器，被广泛应用于化学工艺、燃料加工、电力能、制冷等工业领域。印刷电路板式换热器采用光化学刻蚀方法加工换热通道和扩散焊接技术形成一个换热芯体，由于具有结构紧凑性和高效性，被广泛应用于超临界流体中。该换热器的高温侧为超临界二氧化碳，低温侧通常为水或超临界二氧化碳。作为换热循环测试系统中的核心设备，换热器决定了超临界二氧化碳或其他流体换热性能的好坏。印刷电路板式换热器设计的安全可靠性、性能可达标性和换热影响特性以及摇摆运动工况下对其运行工况影响均需要开展一系列的试验进行测试分析，目前开展的通常是水-超临界二氧化碳换热试验，对于超临界二氧化碳/烟气-超临界二氧化碳的换热试验却很少涉及。此外，换热器若是被应用于船舶上时，对于海洋环境工况下，换热器会随着船舶做六自由度摇摆运动，所以在摇摆工况下对换热器换热特性的影响性分析也是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台，该套试验平台同时具备开展水-超临界二氧化碳、空气(模拟烟气)-超临界二氧化碳和超临界二氧化碳-超临界二氧化碳的换热性能测试试验的能力；并可以通过六自由度摇摆试验台开展对换热器在摇摆工况下的换热特性分析。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台，包括超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路，试验对象印刷电路板式换热器接入超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路中，所述超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路包括二氧化碳气瓶、压缩机、储气罐、气体增压泵、第一油浴加热器、第二油浴加热器、冷却器；二氧化碳气瓶、压缩机、储气罐、气体增压泵、第一油浴加热器依次相连，第一油浴加热器通过管路ⅰ与换热器连接，换热器通过管路ⅱ与冷却器的入口连接，冷却器的出口与所述气体增压泵的入口连接，从而形成超临界二氧化碳的循环回路；

所述超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路还包括：(1)连接所述第二油浴加热器入口的管路ⅲ以及连接第二油浴加热器出口的管路ⅳ；(2)连接水冷机的进水管路和出水管路；(3)进气管路和出气管路，所述进气管路上设有空压机和电加热器；

所述试验平台可进行超临界二氧化碳-超临界二氧化碳换热试验，此时管路ⅰ连接换热器的冷侧入口端，管路ⅲ连接换热器的冷侧出口端，管路ⅳ连接换热器的热侧入口端，管路ⅱ连接换热器的热侧出口端；

所述试验平台还可进行水-超临界二氧化碳换热试验，此时进水管路连接换热器的冷侧入口端，出水管路连接换热器的冷侧出口端，管路ⅰ连接换热器的热侧入口端，管路ⅱ连接换热器的热侧出口端；

所述试验平台还可进行超临界二氧化碳-空气换热试验，此时进气管路连接换热器的热侧入口端，出气管路连接换热器的热侧出口端，管路ⅰ连接换热器的冷侧入口端，管路ⅱ连接换热器的冷侧出口端。

上述方案中，所述试验平台还包括六自由度摇摆试验台，所述六自由度摇摆试验台包括紧固件、上平台、上铰链、电动缸、下铰链、下平台，所述电动缸有六个，均设于上平台与下平台之间，电动缸的上端通过上铰链与上平台铰接，电动缸的下端通过下铰链与下平台铰接；所述紧固件安装于上平台，用于将试验对象印刷电路板式换热器固定安装于上平台。

上述方案中，所述试验平台还包括控制系统，所述控制系统包括运动控制计算机、plc控制柜和上位机；所述超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路中的气体增压泵、第一油浴加热器、第二油浴加热器以及所有的温度变送器、压力变送器、流量计和阀门均与plc控制柜连接，plc控制柜与上位机进行连接；上位机监控界面接收到传感器反馈的温度、压力和流量信号后，通过plc控制柜控制相应油浴加热器和阀门，调控回路中的温度、压力及流量的大小，进而分析换热器的换热性能；所述六自由度摇摆试验台中所有的伺服电机通过运动控制计算机与plc控制柜进行连接，在进行换热器摇摆换热试验时，上位机输入运动参数要求，信号传递给运动控制计算机再向伺服控制器发出控制指令来控制伺服电机，进而实现对摇摆运动的控制。

上述方案中，所述超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路设置有旁通支路ⅴ起到分流作用，所述旁通支路ⅴ设置于印刷电路板式第一油浴加热器的出口与第二油浴加热器的入口之间，旁通支路ⅴ上设置气控阀a4、第二流量计、调节阀m3和单向阀v4。

上述方案中，所述进水管路上设有温度变送器tt11，出水管路上设有温度变送器tt12和第三流量计；所述进气管路上设有第四流量计、温度变送器tt9和压力变送器pt9，出气管路上设有温度变送器tt8和压力变送器pt8。

上述方案中，所述压缩机与储气罐之间设有除油过滤器，所述储气罐与气体增压泵之间设有过滤器。

上述方案中，所述气体增压泵与第一油浴加热器之间设有第一稳压气罐；第一稳压气罐与第一油浴加热器之间的管路上设有第一流量计、调节阀m1和气控阀a2。

上述方案中，所述第一油浴加热器的入口设有温度变送器tt3和压力变送器pt3，第一油浴加热器的出口设有温度变送器tt4和压力变送器pt4；所述第二油浴加热器的入口设有温度变送器tt2，第二油浴加热器的出口设有温度变送器tt6和压力变送器pt6。

上述方案中，所述第一油浴加热器与换热器之间的管路ⅰ上设有针阀v8和温度变送器tt1；所述换热器与第二油浴加热器之间的管路ⅲ上设置针阀v11和单向阀v2，还设有温度变送器tt5和压力变送器pt5；所述第二油浴加热器与换热器之间的管路ⅳ上设有针阀v9。

上述方案中，所述换热器与冷却器之间的管路ⅱ上设有温度变送器tt7、压力变送器pt7和设有针阀v10。

上述方案中，所述冷却器的出口设有温度变送器tt10；冷却器之后还设有第二稳压气罐，冷却器与第二稳压气罐之间的管路上设有调节阀m2，第二稳压气罐出口设有压力变送器pt10。

本发明的有益效果在于：

1、采用本发明所提供的针对印刷电路板式换热器超临界二氧化碳换热性能试验平台，不仅能实现水-超临界二氧化碳、超临界二氧化碳-超临界二氧化碳和空气(模拟烟气)-超临界二氧化碳三种换热特性测试，通过反复多组工况点的试验测试也验证了基于超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路对试验对象印刷电路板式换热器换热性能测试方法的可靠性和稳定性。

2、本发明试验平台进行超临界二氧化碳-超临界二氧化碳换热特性测试时采用单循环回路，二氧化碳经过第一油浴加热器后经过针阀v8后作为冷侧入口流体进入换热器进行热交换，冷侧出口流体经过针阀v11后通过第二油浴加热器加热，经过针阀v9后作为热侧入口流体进入换热器和冷流体进行换热，热侧出口流体经过针阀v10后进入冷却器进行冷却再进行下一次循环。所设计的单循环回路，二氧化碳利用率高，不需要分别布置冷热侧回路，优化了换热系统结构。

3、本发明试验平台系统实现了模拟海洋环境带来的六自由度摇摆运动，通过六自由度摇摆平台可对试验对象印刷电路板式换热器进行海洋工况下的换热特性分析。

4、本发明通过设置旁通支路，可以进行分流工况下的换热试验。

5、本发明所提供的试验平台对推动超临界二氧化碳布雷顿循环动力转换技术实现工程应用有重大意义。

6、试验系统为高压系统，配有安全阀并采用远程控制，保证了试验的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台的结构示意图；

图2是本发明的试验对象印刷电路板式换热器的结构示意图；

图3是本发明的六自由度摇摆试验台的结构示意图；

图4是本发明换热性能试验平台的控制系统图。

图中：1、二氧化碳气瓶；2、压缩机；3、除油过滤器；4、储气罐；5、过滤器；6、气体增压泵；7、第一稳压气罐；8、第一流量计；9、第一油浴加热器；10、换热器；11、第二流量计；12、第三流量计；13、第四流量计；14、电加热器；15、空压机；16、第二油浴加热器；17、六自由度摇摆试验台；18、冷却器；19、第二稳压气罐；20、消音器；21、排污池；22、压力表；23、两位三通电磁阀；

31、运动控制计算机；32、plc控制柜；33、上位机；34、伺服控制器；

101、冷侧输入端；102、冷侧输出端；103、热侧输入端；104、热侧输出端；

171、上平台；172、上铰链；173、电动缸；174、下铰链；175、下平台；176、伺服电机；177、紧固件；

a1-a5、气控阀；a6-a7、排污阀；v1-v4、单向阀；v5-v12、针阀；v13、安全阀；m1-m3、调节阀；tt1-tt12、温度变送器；pt1-pt10、压力变送器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种针对印刷电路板式换热器的超临界二氧化碳换热性能试验平台，包括超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路，超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路包括二氧化碳气瓶1、压缩机2、除油过滤器3、储气罐4、过滤器5、气体增压泵6、第一稳压气罐7、第一油浴加热器9、第二油浴加热器16、冷却器18、第二稳压气罐19。试验对象印刷电路板式换热器10接入超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路中。

继续参考图1，二氧化碳气瓶1、压缩机2、除油过滤器3、储气罐4、过滤器5、气体增压泵6、第一稳压气罐7、第一油浴加热器9依次相连，二氧化碳气瓶1为循环回路提供低于临界点的二氧化碳，气体首先在压缩机2中被加压，然后经除油过滤器3过滤后存储在储气罐4内，储气罐4可以对流体进行缓冲稳定，然后经过气体增压泵6被二次增压到所需的超临界状态，通过第一稳压气罐7后利用第一油浴加热器9对超临界二氧化碳进行加热。第一油浴加热器9的出口连接印刷电路板式换热器10的冷侧入口端，换热器10的冷侧出口端与热侧入口端之间设置第二油浴加热器16，换热器10的热侧出口端与冷却器18的入口连接，冷却器18的出口与第二稳压气罐19的入口连接，第二稳压气罐19的出口与过滤器5的入口连接，从而形成循环回路。

超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路还包括进水管路和出水管路，进水管路一端连接水冷机，另一端用于连接印刷电路板式换热器10的冷侧入口端，出水管路用于连接印刷电路板式换热器10的冷侧出口端。进水管路上设有温度变送器tt1，出水管路上设有温度变送器tt12和第三流量计12。

超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路还包括进气管路和出气管路，进气管路一端连接空压机15和电加热器14，另一端用于连接印刷电路板式换热器10的热侧入口端，出气管路用于连接印刷电路板式换热器10的热侧出口端。进气管路上设有第四流量计13、温度变送器tt9和压力变送器pt9，出气管路上设有温度变送器tt8和压力变送器pt8。

二氧化碳气瓶1的出口设有压力变送器pt1，二氧化碳气瓶1与压缩机2之间的管路上设有气控阀a1和单向阀v1。压缩机2与除油过滤器3之间的管路上设有针阀v5，除油过滤器3与储气罐4之间的管路上设有v6。储气罐4与过滤器5之间的管路上设有针阀v7，过滤器5入口设有压力变送器pt2。第一稳压气罐7与第一油浴加热器9之间的管路上设有第一流量计8、调节阀m1和气控阀a2。第一油浴加热器9的入口处设有温度变送器tt3和压力变送器pt3，第一油浴加热器9的出口处设有温度变送器tt4和压力变送器pt4。第一油浴加热器9与换热器10之间的管路ⅰ上设有针阀v8和温度变送器tt1。换热器10与第二油浴加热器16之间的管路ⅲ上设置针阀v11和单向阀v2，还设有温度变送器tt5和压力变送器pt5。第二油浴加热器16的入口设有温度变送器tt2，第二油浴加热器16的出口设有温度变送器tt6和压力变送器pt6，第二油浴加热器16与换热器10之间的管路ⅳ上设有针阀v9。换热器10与冷却器18之间的管路ⅱ上设有温度变送器tt7、压力变送器pt7和针阀v10。冷却器18的出口设有温度变送器tt10，冷却器18与第二稳压气罐19之间的管路上设有调节阀m2。第二稳压气罐19的出口设置压力变送器pt10，第二稳压气罐19与过滤器5之间的管路上设有气控阀a3和单向阀v3。第二稳压气罐19之后引出一支路连接至消音器20以减弱测试工作时带来的噪音，该支路上设有气控阀a5。

进一步优化，超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路设置有旁通支路ⅴ起到分流作用，旁通支路ⅴ设置于第一油浴加热器9的出口与第二油浴加热器16的入口之间，旁通支路ⅴ上设置气控阀a4、第二流量计11、调节阀m3和单向阀v4。通过设置旁通支路，可以进行分流工况下的换热试验，在进行分流试验时，将此条支路打开，此时换热器10冷热侧管路内的二氧化碳质量流量不同，在不进行分流试验时将此条支路关闭，此时冷热侧管路内的二氧化碳质量流量相同。

采用本发明所提供的超临界二氧化碳换热性能试验平台，可以针对印刷电路板式换热器10进行超临界二氧化碳-超临界二氧化碳、水-超临界二氧化碳或空气(模拟烟气)-超临界二氧化碳换热三种特性测试。在进行超临界二氧化碳-超临界二氧化碳换热试验时，利用第一油浴加热器9对超临界二氧化碳进行第一次加热，加热后作为冷流体进入换热器10中，在冷流体出口处利用第二油浴加热器16进行二次加热，加热后作为热流体再次进入换热器10中与冷流体进行换热，最后从热侧出来的流体经过冷却器18冷却后进入下一次循环。在进行水-超临界二氧化碳换热试验时，水作为冷侧流体接入换热器10中，此时回路中超临界二氧化碳作为热流体直接与水在换热器10中进行热交换。在进行超临界二氧化碳-空气(模拟烟气)换热试验时，此时回路中的超临界二氧化碳作为冷侧流体，经过加热后的高温空气作为热侧流体接入换热器10中进行热交换。

进一步优化，为了模拟船舶摇摆运动，研究印刷电路板式换热器10在摇摆工况下的换热特性，本发明的试验平台还还包括六自由度摇摆试验台17，如图3所示，六自由度摇摆试验台17包括紧固件177、上平台171、上铰链172、电动缸173、伺服电机176、下铰链174、下平台175，其中，下平台175固定于试验平台上，紧固件177安装于上平台171，用于将试验对象印刷电路板式换热器10固定安装于上平台171。电动缸173有六个，均设于上平台171与下平台175之间，电动缸173的上端通过上铰链172与上平台171铰接，电动缸173的下端通过下铰链174与下平台175铰接，通过六个电动缸173模拟目标方向上的运动，每个电动缸173一侧安装一个伺服电机176，以伺服电机176为动力源，推动电动缸173完成相关动作，通过伺服控制器34协调电动缸173完成目标方向的运动。在进行摇摆工况下换热性能试验时，将换热器10试验本体固定在上平台171位置，通过上位机平台测试软件输入目标方向的运动指令来控制上平台171完成相应的运动。具体的，平台测试软件界面包括对平台点动控制和正弦运动控制，在点动控制模块输入目标方向的运动指令控制平台运动到相应位置，在正弦运动控制模块输入目标方向运动指令同时设定正弦运动的频率控制平台完成周期性的正弦运动。

如图2所示，印刷电路板式换热器10外部进出口通过法兰与测试回路管路进行连接，内部流体通道换热板通过光化学刻蚀方法在每层换热板上加工流体通道，每层换热板上均匀刻蚀数十条流体通道，芯体两端设置有4个圆形通孔，通过扩散焊接技术将冷热通道换热板依次交错排列进行粘合形成整体换热芯体，换热器10端口处设有集管。冷热流体通过换热器10端口处的集管进入换热器10进行热交换，换热器10内可进行水-超临界二氧化碳热交换、超临界二氧化碳-超临界二氧化碳热交换和超临界二氧化碳-空气(模拟烟气)热交换。

在测试静止工况下换热器10的换热性能时，换热器10试验本体与超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路集成连接；在测试摇摆工况下换热器10的换热性能时，将换热器10试验本体放置在六自由度摇摆试验台17上，通过高压金属软管与超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路进行连接。

如图4所示，是本发明换热性能试验平台的控制系统，包括运动控制计算机31、plc控制柜32和上位机33。超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路中的气体增压泵6、第一油浴加热器9、第二油浴加热器16以及所有的温度变送器、压力变送器、流量计和阀门均与plc控制柜32连接，plc控制柜32与上位机33进行连接。上位机监控界面接收到传感器反馈的温度、压力和流量信号后，通过plc控制柜控制相应油浴加热器和电磁阀，调控回路中的温度、压力及流量的大小，进而分析换热器的换热性能。六自由度摇摆试验台17中所有的伺服电机176通过运动控制计算机31与plc控制柜32进行连接。在进行换热器10摇摆换热试验时，上位机33输入运动参数要求，信号传递给运动控制计算机31再向伺服控制器34发出控制指令来控制伺服电机176，进而实现对摇摆运动的控制。上位机33用于控制系统运行、监测、数据参数点显示，下位采用plc控制柜32作为控制核心，两者结合以达到实现远程控制、数据监测、记录及导出的目的。

进一步优化，储气罐4上设有压力表22和安全阀v13，可进行压力检测和高压保护。在储气罐4后还设一支路，其上安装有两位三通电磁阀23，用来控制对应循环回路中的气控阀a1-a5，两位三通电磁阀分别与plc控制柜32连接，上位机33通过plc控制柜32控制两位三通电磁阀电或失电，从而控制压缩流体是否进入测试循环回路中的气控阀气缸，以此控制各个气控阀的开闭。

进一步优化，超临界二氧化碳布雷顿循环测试回路还包括排污池21，除油过滤器3和储气罐4分别经排污阀a6、a7与排污池21连接，可将油污和残余液体排至排污池21。

利用本发明针对印刷电路板式换热器10超临界二氧化碳换热性能试验平台进行换热器10的换热性能测试试验具体方法如下：

1、超临界二氧化碳-超临界二氧化碳换热试验：将第一油浴加热器的出口连接印刷电路板式换热器的冷侧入口端，换热器的冷侧出口端连接第二油浴加热器的入口，第二油浴加热器的出口连接换热器的热侧入口端，换热器的热侧出口端连接冷却器的入口。循环回路中气控阀a1、a2、a3打开，针阀v5、v6、v7、v8、v11、v9、v10打开，单向阀v1、v2、v3打开，调节阀m1、m2打开，其余阀门关闭，通过压缩机2和气体增压泵6提供所需超临界二氧化碳，经过第一油浴加热器9进行第一次加热后作为冷侧流体进入换热器10，在经过第二油浴加热器16二次加热作为热侧流体进入换热器进行换热，监测记录回路中各位置的温度、压力及流量等参数变化，通过数值计算出热交换效率，从而实现换热性能测试的目的。

2、水-超临界二氧化碳换热试验：将第一油浴加热器的出口连接换热器的热侧入口端，换热器的热侧出口端连接冷却器的入口，将进水管路连接换热器的冷侧入口端，换热器的冷侧出口端连接出水管路。循环回路中，与试验1不同的是，关闭针阀v11和v9，经过第一油浴加热器9加热后的超临界二氧化碳作为热侧流体进入换热器，水通过外接回路与换热器冷侧连接，此时水进入换热器作为冷侧流体与超临界二氧化碳进行热交换，记录换热器前后温度、压力及流量等参数变化情况分析换热性能的好坏。

3、超临界二氧化碳-空气(模拟烟气)换热试验：将第一油浴加热器的出口连接换热器的冷侧入口端，换热器的冷侧出口端连接冷却器的入口，将进气管路连接换热器的热侧入口端，换热器的热侧出口端连接出水管路。循环回路中，与试验2不同的是，此时回路中的超临界二氧化碳作为冷侧流体，空气经过空压机加压和加热器加热后作为热侧流体进入换热器中与超临界二氧化碳进行热交换，分析温度、压力及流量等参数变化规律以达到测试换热性能的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。