一种超临界二氧化碳流动传热异化实验装置及实验方法

本发明涉及核反应堆热工水力领域，具体涉及一种超临界二氧化碳流动传热异化实验装置及实验方法。

背景技术：

1、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统由于灵活性强、发电效率高、设备紧凑、可实现热电完全解耦、满足快速调峰需求等优势，使得该型系统为替代现役大规模使用的蒸汽动力转换技术，实现颠覆性突破的重大战略前沿技术。而超临界二氧化碳布雷顿循环先进核能系统反应堆功率密度大、燃料使用量低、零排放、燃气轮机结构简单紧凑，系统效率高、建设成本低，成为目前先进核反应堆研究的重点。

2、超临界二氧化碳还可以作为核反应堆的冷却剂，超临界二氧化碳气冷快堆冷却剂性质优良且成本低、安全性高、经济性好、噪声低、结构紧奏、配合超临界二氧化碳布雷顿循环可实现更高的能量转换效率，适合用于核动力潜艇和内陆核电站。

3、超临界二氧化碳流体在拟临界点物性剧烈变化，这既成为提高循环效率的优势，同时也会带来传热异化和流动不稳定等现象。例如，在临界点附近，超临界二氧化碳比热较大，由于物性随压力和温度剧烈变化，在换热器内部会形成传热夹点，阻碍换热，制约换热效率的提高，而现有的相关研究并不充分，对于传热异化现象尚未有合理的机理解释。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳流动传热异化实验装置及实验方法，为研究超临界二氧化碳流动传热异化现象提供实验装置和方法，本发明实验装置可以开展强迫循环条件和自然循环条件下垂直圆管内超临界二氧化碳的传热恶化机理试验，研究系统压力、质量流量、热流密度、流动方向和入口温度等参数对超临界二氧化碳流动传热的影响规律。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种超临界二氧化碳流动传热异化实验装置，包括主循环回路、冷凝系统和电加热系统；

4、所述主循环回路包括储液罐1、第一过滤器2、柱塞泵3、囊式蓄能器4、第一背压阀v1、质量流量计5、调节阀16、预热段6、实验段7、套管式冷凝器8、第二过滤器9、第二背压阀v2、第一截止阀14、第二截止阀15、第三截止阀17、第四截止阀18、第五截止阀19、第六截止阀20；其中储液罐1底部与第一截止阀14和第二截止阀15一端相连，第一截止阀14另一端与第一过滤器2一端相连，第一过滤器2另一端与柱塞泵3入口相连；柱塞泵3出口设有囊式蓄能器4，第二截止阀15另一端与囊式蓄能器4出口相连；柱塞泵3出口管线经囊式蓄能器4分为主路和旁路，出口主路和质量流量计5连接，出口旁路通过第一背压阀v1与储液罐1下部侧边相连，；质量流量计5与调节阀16一端相连；调节阀16另一端与预热段6入口相连；预热段6出口通过第三截止阀17和第四截止阀18与两条竖直上升段和实验段7相连，两条竖直上升段与实验段7并联，第三截止阀17出口连接的第一个竖直上升段上设置第五截止阀19，第四截止阀18出口连接的第二个竖直上升段出口与第一个竖直上升段出口间设置第六截止阀20；实验段7出口经过第六截止阀20与套管式冷凝器8管侧入口相连，套管式冷凝器8管侧出口依次通过第二过滤器9及第二背压阀v2连接储液罐1底部；

5、所述冷凝系统包括套管式冷凝器8、制冷机10和冷却液调节阀21；制冷机10出口连接套管式冷凝器8壳侧入口并设有冷却液调节阀21连接旁路，旁路另一端和套管式冷凝器8壳侧出口连接到制冷机10进口；

6、所述电加热系统包括预热段直流电源28和实验段直流电源29，位于平坦地面；预热段直流电源28为预热段6提供三点式直流加热；实验段直流电源29为实验段7提供两点式直流加热。

7、优选的，通过调节制冷机10的制冷温度和旁路上的冷却液调节阀21，控制二氧化碳冷凝后回到储液罐1的温度。

8、优选的，所述主循环回路通过桁架结构固定，套管式冷凝器8与实验段7有高度差，套管式冷凝器8与预热段6有高度差，自然循环驱动力强。

9、优选的，所述主循环回路通过冷源套管式冷凝器8与热源预热段6和实验段7的高度差以及二氧化碳密度差产生的驱动力形成自然循环，具体操作为关闭柱塞泵3、第一截止阀14和第一背压阀v1以及开启第二截止阀15，实现所述实验装置由强迫循环切换到自然循环方式。

10、优选的，所述主循环回路通过开启第三截止阀17和第六截止阀20以及关闭第四截止阀18和第五截止阀19，使超临界二氧化碳在实验段7中竖直向上流动；所述主循环回路通过关闭第三截止阀17和第六截止阀20以及开启第四截止阀18和第五截止阀19，使超临界二氧化碳在实验段7中竖直向下流动。

11、优选的，所述实验段7为圆管实验段，直接由实验段直流电源29通电加热，功率控制灵敏度高；所述实验段7壁面上每隔预设距离等距布置有t型贴片式热电偶30测量壁温，实验段7进出口中心位置插入t型铠装热电偶31测量流体温度，实时监测实验段壁面及流体温度状态；实验段7能够通过快拆式绝缘法兰32快速更换，实现不同尺寸实验段的流动热特性研究。

12、优选的，所述主循环回路和冷凝系统的管道及阀门包有气凝胶保温棉，以便有效保温。

13、优选的，所述储液罐1顶部设有第一安全阀26，实验段7出口设有第二安全阀25，以防止储液罐1及实验段7意外超压带来的危险，保障人员安全。

14、所述实验装置对应的实验方法，实验开始前对所述实验装置进行充水检漏、水压实验、气密性测试，确保回路在高压状态下无泄漏；

15、实验开始前，打开主循环回路全部阀门，开启真空泵22，排出主循环回路内气体，关闭真空泵22，关闭真空泵截止阀11，打开第一减压阀12，通过二氧化碳气瓶23向储液罐1中灌注二氧化碳气体，待所述二氧化碳气瓶压力与主循环回路压力维持平衡，关闭第一减压阀12，断开二氧化碳气瓶23连接；

16、打开排气阀27，待主循环回路压力大于大气压时关闭排气阀27，打开真空泵截止阀11，再次启动真空泵22，排出主循环回路内二氧化碳气体，关闭真空泵截止阀11，关闭真空泵22，重复上述三次置换气体操作；

17、打开第二减压阀13，使用带虹吸管的液态二氧化碳瓶24向储液罐1中灌注液态二氧化碳，待所述带虹吸管的液态二氧化碳瓶压力与主循环回路压力维持平衡；

18、开启制冷机10，调节制冷机10制冷温度和冷却液调节阀21，待主循环回路中充满液态二氧化碳，关闭第二减压阀13，断开与带虹吸管的液态二氧化碳瓶24的连接；

19、开启柱塞泵3排气口，排出二氧化碳气体，关闭柱塞泵排气口；

20、开启柱塞泵3，调节柱塞泵工作频率，调节第一背压阀v1，使部分液态二氧化碳通过所述柱塞泵出口旁路返回储液罐1，调节主循环回路中调节阀16和第二背压阀v2，使主循环回路二氧化碳质量流量和系统压力为实验目标工况；

21、开启电加热系统，启动预热段直流电源28，逐步缓慢提升预热段6的加热功率，每次提升功率保证不超过当前加热功率的5％；

22、待实验段7壁温达到稳定，进行下一次提升预热段6加热功率操作，直至实验段7进口流体温度达到实验目标工况温度；

23、启动实验段直流电源29，逐步缓慢提升实验段7的加热功率，每次提升功率保证不超过当前加热功率的5％；待实验段7壁温达到稳定，进行下一次提升实验段7的加热功率操作，直至实验段7达到实验目标工况热流密度；

24、液态二氧化碳经过预热段6和实验段7加热，在实验段7中达到二氧化碳临界温度，主循环回路压力大于二氧化碳临界压力，液态二氧化碳转变为超临界二氧化碳，待实验装置达到稳定，实验段7壁温出现局部温度峰值，即发生了超临界二氧化碳传热恶化现象，开始记录实验数据；

25、调节制冷机10制冷温度和冷却液调节阀21，确保超临界二氧化碳经过套管式冷凝器8冷凝为液态；

26、进行下一个实验工况，记录实验数据。

27、和现有技术相比较：本发明具备如下优点：

28、1、本发明所述实验装置及方法实现了强迫循环条件和自然循环条件下超临界二氧化碳流动传热异化实验，并可以通过控制截止阀的启闭改变超临界二氧化碳在实验段的流向。

29、2、采用制冷机作为冷源，最低可以提供-25℃低温，相比于传统水冷冷水机，使得实验段入口温度下限得到拓展；主循环回路可以实现高达20mpa的高压，从而拓展工况范围研究超临界二氧化碳的流动换热特性。

30、3、实验段由直流电源加热，功率控制灵敏度高；实验段能够通过快拆式绝缘法兰快速更换，实现不同尺寸实验段的流动热特性研究。

31、4、实验段壁面上每隔预设距离等距布置t型贴片热电偶测量壁温，消除了直流电压和焊接局部氧化对温度测量的影响，密集的热电偶布置使得获得的传热异化的起始点更加精准。