[實用新型]一種二氧化碳流動傳熱特性測量裝置

有效

• 申請號: 201720886005.8
• 申請日: 2017-07-20
• 公開（公告）號: CN206945589U
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 張磊;聶鵬;吳帥帥;張一帆;楊玉;李紅智;姚明宇
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本實用新型涉及一種熱工測量裝置，具體涉及一種超臨界二氧化碳流動傳熱特性測量裝置。

背景技術

二氧化碳(CO₂)無毒性、不可燃、價格低廉、不會危害臭氧層，是一種安全、經濟、環保的工質。超臨界狀態下的二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO₂)還具有比熱容高、能量密度大、輸運特性優良、壓縮功耗低、熱源適用范圍廣、與標準材料相容性好等諸多優點。這些優點使得二氧化碳越來越受到先進動力循環系統、制冷空調系統、供熱系統、高效換熱系統的青睞，它被認為是緊湊高效能量循環系統中的優質工質。

在實際應用中二氧化碳通常經歷跨臨界或超臨界循環，這些循環系統中的一個重要部件是換熱器，它決定了整個系統的效率、緊湊性和初投資。在換熱器通道內，在擬臨界點附近或者更高參數下，二氧化碳根據工藝要求被加熱或者被冷卻。反映換熱器內二氧化碳流動傳熱特性的技術參數為阻力系數和傳熱系數，掌握二氧化碳在擬臨界點附近或更高參數下的阻力系數、傳熱系數數據是成功設計換熱器的前提和關鍵。

熱工測量是獲得二氧化碳阻力系數、傳熱系數的主要途徑。但二氧化碳在擬臨界區附近的熱物性隨溫度、壓力變化會發生劇烈的非線性變化，加上二氧化碳在實際換熱器中的工作模式又存在冷卻與加熱之分，使得實際二氧化碳流動、傳熱過程變得復雜，對其阻力系數、傳熱系數進行系統性測量研究的難度很大。盡管前人對二氧化碳流動、傳熱過程已做了一些實驗研究，但實驗數據不系統且均為整體平均值，而且未能兼顧二氧化碳冷卻、加熱兩種模式，這些零散數據不足以揭示深層機理和規律，難以滿足對二氧化碳換熱器優化設計的要求。

發明內容

為了克服現有技術存在的上述缺點，本實用新型提供了一種二氧化碳流動傳熱特性測量裝置及方法，該測量裝置以流體力學和傳熱學知識為理論基礎，可以準確測量冷卻、加熱兩種模式下，亞臨界區、擬臨界區、超臨界區二氧化碳內部強制流動過程的阻力系數和傳熱系數，為二氧化碳換熱器理論研究和工程設計提供基礎數據。

為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下：

一種二氧化碳流動傳熱特性測量裝置，包括二氧化碳循環回路和水循環回路，所述二氧化碳循環回路包括依次連接的二氧化碳進氣閥1、二氧化碳儲罐2、二氧化碳泵3、二氧化碳加熱器8、多個二氧化碳實驗段和二氧化碳冷卻器18，形成封閉二氧化碳循環回路；二氧化碳儲罐2中的二氧化碳依次流經二氧化碳泵3、二氧化碳加熱器8、多個二氧化碳實驗段和二氧化碳冷卻器18后流入二氧化碳儲罐2；

所述水循環回路包括依次連接的注水閥20、水儲罐21、水泵22和水加熱器23，水加熱器23出口分多路，每一路分別連接一路水回路實驗段，多路水回路實驗段匯總后連接水冷卻器31，形成封閉水循環回路；水儲罐21中的水流經水泵22、水加熱器23后分多路分別進入每一路水回路實驗段，流出水回路實驗段后匯總為一路再流經水冷卻器31后進入水儲罐21；

所述二氧化碳實驗段與水回路實驗段數量相同，組成套管結構的套管實驗段，二氧化碳在套管內管中流動，水在套管環管中流動，兩者通過套管內管壁進行熱量交換。

所述套管實驗段沿長度方向被分為若干分段，每一分段的進出口均設有壓力、溫度測點，以測量各分段的二氧化碳阻力系數、傳熱系數。

所述二氧化碳實驗段為三段，分別為第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b和第三二氧化碳實驗段11c；相應的，所述水回路實驗段也為三段，分別為第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b和第三水回路實驗段28c。

所述二氧化碳泵3與二氧化碳加熱器8之間設有安全閥、壓力調節閥、流量調節閥和流量計，二氧化碳加熱器8與二氧化碳實驗段之間設有二氧化碳溫度計和二氧化碳壓力計，二氧化碳實驗段各分段之間設有二氧化碳溫度計，二氧化碳實驗段各分段設有二氧化碳壓差計，二氧化碳實驗段與二氧化碳冷卻器18之間設有二氧化碳溫度計、二氧化碳減壓閥和二氧化碳壓力計，二氧化碳冷卻器18與二氧化碳儲罐2之間設有二氧化碳溫度計。

所述水加熱器23與水回路實驗段各分段之間設有水溫度計、水壓力計、水流量調節閥和流量計，水回路實驗段各分段與水冷卻器31間設有水溫度計和水壓力計，水冷卻器31與水儲罐21間設有水溫度計。

通過調節二氧化碳加熱器8、二氧化碳冷卻器18、水加熱器23、水冷卻器31的換熱功率，控制二氧化碳成為傳熱實驗中的高溫介質或低溫介質，以便測量二氧化碳在冷卻或加熱模式下的流動傳熱特性。