一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的上述缺点，本发明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，本发明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。

本发明具有以下有益效果：

(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，本发明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，本发明无需测量套管内管壁温度即可完成测量，免去了在套管内管或环管狭小空间设置壁温测量设备的难题，同时能够消除壁温测量设备对换热套管内部流场、温度场的干扰及影响，从而有效提高测量精度。

附图说明

图1为本发明的测量装置示意图。

图中，1为二氧化碳进气阀，2为二氧化碳储罐，3为二氧化碳泵，4为安全阀，5为二氧化碳压力调节阀，6为二氧化碳流量调节阀，7为二氧化碳流量计，8为二氧化碳加热器，9、13、14、15、19分别为第一至第五二氧化碳温度计，10、17分别为第一和第二二氧化碳压力计，11a、11b、11c分别为第一、第二和第三二氧化碳实验段，12a、12b、12c分别为第一、第二和第三二氧化碳压差计，16为二氧化碳减压阀，18为二氧化碳冷却器，20为注水阀，21为水储罐，22为水泵，23为水加热器，24、29a、29b、29c、32分别为第一至第五水温度计，25、30a、30b、30c分别为第一至第四水压力计，26a、26b、26c分别为第一、第二和第三水流量调节阀，27a、27b、27c分别为第一、第二和第三水流量计，28a、28b、28c分别为第一、第二和第三水回路实验段，31为水冷却器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，本发明一种二氧化碳流动传热特性的测量装置，包括二氧化碳循环回路和水循环回路。

二氧化碳循环回路，包括二氧化碳进气阀1、二氧化碳储罐2、二氧化碳泵3、二氧化碳加热器8、第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c、二氧化碳冷却器18；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、第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c和二氧化碳冷却器18后流入二氧化碳储罐2，形成封闭循环回路。二氧化碳进气阀1为二氧化碳循环回路提供气源；二氧化碳储罐2起到二氧化碳存储和稳压作用；二氧化碳泵3用于提供实验所需的二氧化碳工质压力并克服循环回路的流动阻力；二氧化碳加热器8用于加热二氧化碳以满足实验温度要求；二氧化碳实验段为内径5mm、外径8mm、总长1.8m的不锈钢圆管，它为二氧化碳提供流动传热通道，实验段分为11a、11b和11c三段；二氧化碳冷却器18用于对二氧化碳进行冷却降温，避免热量的循环累积，保证实验装置正常运行。

二氧化碳泵3与二氧化碳加热器8之间管路上设置有安全阀4、压力调节阀5、二氧化碳流量调节阀6、二氧化碳流量计7，二氧化碳加热器8与第一二氧化碳实验段11a间设有第一二氧化碳温度计9和第一二氧化碳压力计10，第一二氧化碳实验段11a与第二二氧化碳实验段11b间设有第二二氧化碳温度计13，第二二氧化碳实验段11b与第三二氧化碳实验段11c间设有第三二氧化碳温度计14，第三二氧化碳实验段11c与二氧化碳冷却器18间设有第四二氧化碳温度计15、减压阀16和第二二氧化碳压力计17，第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c上分别设有第一二氧化碳压差计12a、第二二氧化碳压差计12b、第三二氧化碳压差计12c，二氧化碳冷却器18和二氧化碳储罐2间设有第五二氧化碳温度计19。二氧化碳压力调节阀5用于调节实验段二氧化碳压力，二氧化碳流量调节阀6用于调节实验段二氧化碳流量，二氧化碳流量计7用于测量二氧化碳流量，第一二氧化碳温度计9和第一二氧化碳压力计10用于测量第一二氧化碳实验段11a的二氧化碳入口温度和压力，第二二氧化碳温度计13用于第一二氧化碳实验段11a的二氧化碳出口温度(即实验分段11b的二氧化碳入口温度)，温度计14用于测量实验分段11b的二氧化碳出口温度(即第二二氧化碳实验段11c的二氧化碳入口温度)，第四二氧化碳温度计15用于测量第三二氧化碳实验段11c的二氧化碳出口温度，二氧化碳减压阀16用于减小进入二氧化碳储罐2中的二氧化碳压力以符合二氧化碳泵3的入口压力要求，第二二氧化碳压力计17用于测量二氧化碳减压阀16的二氧化碳出口压力，第一二氧化碳压差计12a、第二二氧化碳压差计12b、第三二氧化碳压差计12c分别用于测量第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c的二氧化碳进出口压力差，第五二氧化碳温度计19用于测量二氧化碳冷却器18的二氧化碳出口温度。

水循环回路，包括注水阀20、水储罐21、水泵22、水加热器23、第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c、水冷却器31；水储罐21中的水流经水泵22、水加热器23后分三路分别进入第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c，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，形成封闭循环回路。注水阀20为水循环回路提供水源；水储罐21起到水储存和稳压作用；水泵22用于克服水循环回路的流动阻力；水加热器23用于加热水以满足实验温度要求；第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c均为内径14mm、外径18mm、长0.5m的铜管，它们为水提供流动传热通道；水冷却器31用于对水进行冷却降温，避免热量的循环累积，保证实验装置正常运行。

水加热器23与第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c之间管路上分别设置有第一水温度计24、第一水压力计25、第一、第二和第三水流量调节阀26a、26b、26c、第一、第二和第三水流量计27a、27b、27c，第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c与水冷却器31间分别设有第二至第四水温度计29a、29b、29c和第二至第四水压力计30a、30b、30c，水冷却器31与水储罐21间设有第五水温度计32。第一水温度计24和第一水压力计25用于测量第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水入口温度和压力，第一、第二和第三水流量调节阀26a、26b、26c用于调节第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水流量，第一、第二和第三水流量计27a、27b、27c用于测量第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水流量，第二至第四水温度计29a、29b、29c和第二至第四水压力计30a、30b、30c用于测量第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水出口温度和压力，第五水温度计32用于测量水冷却器31的水出口温度。

第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c分别嵌套于第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c中，两者组成套管结构，11a、11b、11c为套管内管，28a、28b、28c为套管外管，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管内流动，两者通过套管内管管壁进行逆流换热。

本发明所述的二氧化碳流动传热特性测量方法包括以下步骤：

(1)充装工质。

打开二氧化碳进气阀1和注水阀20，将二氧化碳储罐2和水储罐21充满后关闭阀门，完成工质充装。

(2)建立循环。

开启二氧化碳泵3建立二氧化碳循环，利用二氧化碳压力调节阀5、二氧化碳流量调节阀6、二氧化碳加热器8调节第一二氧化碳实验段11a入口二氧化碳压力、流量和温度以满足实验要求，利用二氧化碳减压阀16和二氧化碳冷却器18调节二氧化碳泵3的二氧化碳入口压力和温度以满足二氧化碳泵3的技术要求；开启水泵22建立水循环，利用水加热器23、第一、第二和第三水流量调节阀26a、26b、26c调节第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水入口温度和流量以满足实验要求，利用水冷却器31调节水泵22的水入口温度以满足水泵22的技术要求。

(3)稳态测量。

监测第一二氧化碳实验段11a、第二二氧化碳实验段11b、第三二氧化碳实验段11c的二氧化碳流量、温度、压力、压降，监测第一水回路实验段28a、第二水回路实验段28b、第三水回路实验段28c的水流量、温度、压力，待这些数据稳定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(以第一二氧化碳实验段11a、第一水回路实验段28a为例)。

①计算实验段换热量q。

根据能量守恒分别计算二氧化碳和水的换热量qco2和qh2o：

其中：分别为二氧化碳流量计7和第一水流量计27a测得的第一二氧化碳实验段中二氧化碳和第一水回路实验段28a中水的流量；h‘co2、h“co2、h‘h2o、h“h2o分别为实验分段的二氧化碳进出口焓值和水进出口焓值，焓值根据温度、压力值由物性参数表查得，二氧化碳进出口温度由第一二氧化碳温度计9和第二二氧化碳温度计13测得，二氧化碳进出口压力由第一二氧化碳压力计10和二氧化碳压差计12a测得，水进出口温度由第一水温度计24和第二水温度计29a测得，水进出口压力由第一水压力计25和第二水压力计30a测得。

当热侧、冷侧工质换热量满足以下能量守恒条件时：

|(qh2o-qco2)/qh2o|≤5％(3)

实验段传热量可按下式计算：

q＝0.5(qh2o+qco2)(4)

②计算总传热系数u。

u＝q/a1/δtlm(5)

其中：ai为第一二氧化碳实验段11a的管内壁面积；δtlm为第一二氧化碳实验段11a、第一水回路实验段28a中热、冷工质的对数换热温差，按下式计算：

其中：t‘co2、t“co2、t‘h2o、t“h2o分别为上述实验分段的二氧化碳和水进出口温度。

③计算二氧化碳传热系数hco2和阻力系数fco2。

其中：d0和d1分别为第一二氧化碳实验段11a的外径和内径，l为第一二氧化碳实验段11a的长度，a0为第一二氧化碳实验段11a的外壁面积；λ为第一二氧化碳实验段11a壁面导热系数；hh2o为套管环管中水的传热系数，按下式计算：

其中：re、pr、λh2o分别为套管环管中水的雷诺数、普朗特数和导热系数；de为环管的当量直径。

其中：δp为第一二氧化碳压差计12a测得的第一二氧化碳实验段11a中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。

以上详细说明仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即凡是依据本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。