一種二氧化碳流動傳熱特性測量裝置及方法與流程
本發明涉及一種熱工測量裝置及方法，具體涉及一種超臨界二氧化碳流動傳熱特性測量裝置及方法。
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(supercriticalcarbondioxide,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。
技術實現要素：
為了克服現有技術存在的上述缺點，本發明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，本發明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。
所述套管實驗段內管內徑為0.5～15mm，套管實驗段總長度為0.5～10m，套管實驗段內管為不銹鋼管，外管為銅管。
所述二氧化碳循環回路能夠承受的最高壓力為28mpa、最高溫度為350℃。
一種二氧化碳流動傳熱特性測量方法，采用所述的測量裝置，包括以下步驟：
(1)充裝工質：開啟二氧化碳進氣閥1，向二氧化碳儲罐2中充裝工質；開啟注水閥20，向水儲罐21中充裝工質；
(2)建立循環：開啟二氧化碳泵3，利用二氧化碳流量調節閥、二氧化碳壓力調節閥和二氧化碳加熱器8調節二氧化碳流量、溫度、壓力以滿足實驗要求；開啟水泵22，通過水流量調節閥和水加熱器23調節水回路實驗段的水流量、溫度以滿足實驗要求；
(3)穩態測量：監測二氧化碳實驗段各分段的二氧化碳流量、溫度、壓力、壓降，監測水回路實驗段各分段的水流量、溫度、壓力，待這些測量數據穩定5分鐘后開始記錄并保存數據，測量持續2分鐘；
(4)數據處理：根據能量守恒定律計算實驗段各分段中兩種工質的二氧化碳換熱量qco2和水換熱量qh2o，當兩者相對偏差不超過5％時，根據下式計算傳熱量q：
q＝0.5(qh2o+qco2)
根據傳熱方程計算總傳熱系數u：
u＝q/a1/δtlm
其中：ai為套管實驗段內管的內壁面積；δtlm為實驗段對數換熱溫差；
根據熱阻疊加原理計算二氧化碳傳熱系數hco2：
其中：d0和d1分別為套管實驗段內管的外徑和內徑，l為實驗段長度，a0為套管實驗段內管的外壁面積；λ為套管實驗段內管的壁面導熱系數；hh2o為套管實驗段環管中水的傳熱系數，按下式計算：
其中：re、pr、λh2o分別為套管實驗段環管中水的雷諾數、普朗特數和導熱系數；de為環管的當量直徑；
根據下式計算二氧化碳阻力系數fco2：
其中：δp為實驗段二氧化碳進出口壓差；ρ為二氧化碳密度；u為二氧化碳流速。
本發明具有以下有益效果：
(1)可實現跨臨界、大參數范圍內二氧化碳阻力系數、傳熱系數的測量。通過二氧化碳泵、壓力調節閥以及加熱器對壓力、溫度進行調節，可得到亞臨界、擬臨界、超臨界狀態下的二氧化碳工質，從而進行不同工況下的測量。
(2)可測得二氧化碳阻力系數、傳熱系數的沿程分布。實驗段可根據需要分為若干分段，每個分段的阻力系數、傳熱系數均可測量得到。與現有技術獲得的整體平均數據相比，本發明提供的測量數據更為詳細、局部和微觀，對于探索(物性劇變)擬臨界區內二氧化碳流動傳熱機理更具指導意義。
(3)可實現冷卻、加熱兩種模式下二氧化碳阻力系數、傳熱系數的測量。通過控制水回路、二氧化碳回路的加熱器和冷卻器，可以控制二氧化碳成為傳熱實驗中的高溫介質或低溫介質，從而測量二氧化碳在冷卻或加熱模式下的阻力系數、傳熱系數。
(4)無需測量壁面溫度即可得到傳熱系數大小。與現有技術相比，本發明無需測量套管內管壁溫度即可完成測量，免去了在套管內管或環管狹小空間設置壁溫測量設備的難題，同時能夠消除壁溫測量設備對換熱套管內部流場、溫度場的干擾及影響，從而有效提高測量精度。
附圖說明
圖1為本發明的測量裝置示意圖。
圖中，1為二氧化碳進氣閥，2為二氧化碳儲罐，3為二氧化碳泵，4為安全閥，5為二氧化碳壓力調節閥，6為二氧化碳流量調節閥，7為二氧化碳流量計，8為二氧化碳加熱器，9、13、14、15、19分別為第一至第五二氧化碳溫度計，10、17分別為第一和第二二氧化碳壓力計，11a、11b、11c分別為第一、第二和第三二氧化碳實驗段，12a、12b、12c分別為第一、第二和第三二氧化碳壓差計，16為二氧化碳減壓閥，18為二氧化碳冷卻器，20為注水閥，21為水儲罐，22為水泵，23為水加熱器，24、29a、29b、29c、32分別為第一至第五水溫度計，25、30a、30b、30c分別為第一至第四水壓力計，26a、26b、26c分別為第一、第二和第三水流量調節閥，27a、27b、27c分別為第一、第二和第三水流量計，28a、28b、28c分別為第一、第二和第三水回路實驗段，31為水冷卻器。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式，對本發明做進一步詳細說明：
如圖1所示，本發明一種二氧化碳流動傳熱特性的測量裝置，包括二氧化碳循環回路和水循環回路。
二氧化碳循環回路，包括二氧化碳進氣閥1、二氧化碳儲罐2、二氧化碳泵3、二氧化碳加熱器8、第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c、二氧化碳冷卻器18；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、第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c和二氧化碳冷卻器18后流入二氧化碳儲罐2，形成封閉循環回路。二氧化碳進氣閥1為二氧化碳循環回路提供氣源；二氧化碳儲罐2起到二氧化碳存儲和穩壓作用；二氧化碳泵3用于提供實驗所需的二氧化碳工質壓力并克服循環回路的流動阻力；二氧化碳加熱器8用于加熱二氧化碳以滿足實驗溫度要求；二氧化碳實驗段為內徑5mm、外徑8mm、總長1.8m的不銹鋼圓管，它為二氧化碳提供流動傳熱通道，實驗段分為11a、11b和11c三段；二氧化碳冷卻器18用于對二氧化碳進行冷卻降溫，避免熱量的循環累積，保證實驗裝置正常運行。
二氧化碳泵3與二氧化碳加熱器8之間管路上設置有安全閥4、壓力調節閥5、二氧化碳流量調節閥6、二氧化碳流量計7，二氧化碳加熱器8與第一二氧化碳實驗段11a間設有第一二氧化碳溫度計9和第一二氧化碳壓力計10，第一二氧化碳實驗段11a與第二二氧化碳實驗段11b間設有第二二氧化碳溫度計13，第二二氧化碳實驗段11b與第三二氧化碳實驗段11c間設有第三二氧化碳溫度計14，第三二氧化碳實驗段11c與二氧化碳冷卻器18間設有第四二氧化碳溫度計15、減壓閥16和第二二氧化碳壓力計17，第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c上分別設有第一二氧化碳壓差計12a、第二二氧化碳壓差計12b、第三二氧化碳壓差計12c，二氧化碳冷卻器18和二氧化碳儲罐2間設有第五二氧化碳溫度計19。二氧化碳壓力調節閥5用于調節實驗段二氧化碳壓力，二氧化碳流量調節閥6用于調節實驗段二氧化碳流量，二氧化碳流量計7用于測量二氧化碳流量，第一二氧化碳溫度計9和第一二氧化碳壓力計10用于測量第一二氧化碳實驗段11a的二氧化碳入口溫度和壓力，第二二氧化碳溫度計13用于第一二氧化碳實驗段11a的二氧化碳出口溫度(即實驗分段11b的二氧化碳入口溫度)，溫度計14用于測量實驗分段11b的二氧化碳出口溫度(即第二二氧化碳實驗段11c的二氧化碳入口溫度)，第四二氧化碳溫度計15用于測量第三二氧化碳實驗段11c的二氧化碳出口溫度，二氧化碳減壓閥16用于減小進入二氧化碳儲罐2中的二氧化碳壓力以符合二氧化碳泵3的入口壓力要求，第二二氧化碳壓力計17用于測量二氧化碳減壓閥16的二氧化碳出口壓力，第一二氧化碳壓差計12a、第二二氧化碳壓差計12b、第三二氧化碳壓差計12c分別用于測量第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c的二氧化碳進出口壓力差，第五二氧化碳溫度計19用于測量二氧化碳冷卻器18的二氧化碳出口溫度。
水循環回路，包括注水閥20、水儲罐21、水泵22、水加熱器23、第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c、水冷卻器31；水儲罐21中的水流經水泵22、水加熱器23后分三路分別進入第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c，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，形成封閉循環回路。注水閥20為水循環回路提供水源；水儲罐21起到水儲存和穩壓作用；水泵22用于克服水循環回路的流動阻力；水加熱器23用于加熱水以滿足實驗溫度要求；第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c均為內徑14mm、外徑18mm、長0.5m的銅管，它們為水提供流動傳熱通道；水冷卻器31用于對水進行冷卻降溫，避免熱量的循環累積，保證實驗裝置正常運行。
水加熱器23與第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c之間管路上分別設置有第一水溫度計24、第一水壓力計25、第一、第二和第三水流量調節閥26a、26b、26c、第一、第二和第三水流量計27a、27b、27c，第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c與水冷卻器31間分別設有第二至第四水溫度計29a、29b、29c和第二至第四水壓力計30a、30b、30c，水冷卻器31與水儲罐21間設有第五水溫度計32。第一水溫度計24和第一水壓力計25用于測量第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水入口溫度和壓力，第一、第二和第三水流量調節閥26a、26b、26c用于調節第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水流量，第一、第二和第三水流量計27a、27b、27c用于測量第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水流量，第二至第四水溫度計29a、29b、29c和第二至第四水壓力計30a、30b、30c用于測量第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水出口溫度和壓力，第五水溫度計32用于測量水冷卻器31的水出口溫度。
第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c分別嵌套于第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c中，兩者組成套管結構，11a、11b、11c為套管內管，28a、28b、28c為套管外管，二氧化碳在套管內管中流動，水在套管環管內流動，兩者通過套管內管管壁進行逆流換熱。
本發明所述的二氧化碳流動傳熱特性測量方法包括以下步驟：
(1)充裝工質。
打開二氧化碳進氣閥1和注水閥20，將二氧化碳儲罐2和水儲罐21充滿后關閉閥門，完成工質充裝。
(2)建立循環。
開啟二氧化碳泵3建立二氧化碳循環，利用二氧化碳壓力調節閥5、二氧化碳流量調節閥6、二氧化碳加熱器8調節第一二氧化碳實驗段11a入口二氧化碳壓力、流量和溫度以滿足實驗要求，利用二氧化碳減壓閥16和二氧化碳冷卻器18調節二氧化碳泵3的二氧化碳入口壓力和溫度以滿足二氧化碳泵3的技術要求；開啟水泵22建立水循環，利用水加熱器23、第一、第二和第三水流量調節閥26a、26b、26c調節第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水入口溫度和流量以滿足實驗要求，利用水冷卻器31調節水泵22的水入口溫度以滿足水泵22的技術要求。
(3)穩態測量。
監測第一二氧化碳實驗段11a、第二二氧化碳實驗段11b、第三二氧化碳實驗段11c的二氧化碳流量、溫度、壓力、壓降，監測第一水回路實驗段28a、第二水回路實驗段28b、第三水回路實驗段28c的水流量、溫度、壓力，待這些數據穩定5分鐘后開始記錄并保存數據，測量持續2分鐘。
(4)數據處理(以第一二氧化碳實驗段11a、第一水回路實驗段28a為例)。
①計算實驗段換熱量q。
根據能量守恒分別計算二氧化碳和水的換熱量qco2和qh2o：
其中：
當熱側、冷側工質換熱量滿足以下能量守恒條件時：
|(qh2o-qco2)/qh2o|≤5％(3)
實驗段傳熱量可按下式計算：
q＝0.5(qh2o+qco2)(4)
②計算總傳熱系數u。
u＝q/a1/δtlm(5)
其中：ai為第一二氧化碳實驗段11a的管內壁面積；δtlm為第一二氧化碳實驗段11a、第一水回路實驗段28a中熱、冷工質的對數換熱溫差，按下式計算：
其中：t‘co2、t“co2、t‘h2o、t“h2o分別為上述實驗分段的二氧化碳和水進出口溫度。
③計算二氧化碳傳熱系數hco2和阻力系數fco2。
其中：d0和d1分別為第一二氧化碳實驗段11a的外徑和內徑，l為第一二氧化碳實驗段11a的長度，a0為第一二氧化碳實驗段11a的外壁面積；λ為第一二氧化碳實驗段11a壁面導熱系數；hh2o為套管環管中水的傳熱系數，按下式計算：
其中：re、pr、λh2o分別為套管環管中水的雷諾數、普朗特數和導熱系數；de為環管的當量直徑。
其中：δp為第一二氧化碳壓差計12a測得的第一二氧化碳實驗段11a中二氧化碳進出口壓差；ρ為二氧化碳密度；u為二氧化碳流速。
以上詳細說明僅為本發明的較佳實施例，不能以此限定本發明的范圍。即凡是依據本發明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬于本發明專利涵蓋的范圍之內。
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