二氧化碳傳熱實驗台設備的設計分析

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1，引言
自20世紀初以來，二氧化碳已被廣泛用作製冷劑。隨著科學技術的發展，一些合成製冷劑如氟氯化碳和氟氯烴已經進入了曆史階段。然而，以下是這些合成製冷劑給全球環境帶來的嚴(yan) 重後果，世界各國都在積極尋找替代品。美國和日本傾(qing) 向於(yu) 使用新的氟氯烴作為(wei) 替代品，而一些歐洲國家認為(wei) 新的氟氯烴的替代品也意味著不可預測的潛在風險。因此，他們(men) 強烈主張使用自然物質作為(wei) 製冷劑，包括NH3、CO2、碳氫化合物、空氣和水等。
與(yu) 其他製冷劑相比二氧化碳因其臭氧消耗潛能值=0(臭氧破壞指數)和GWP=1(溫室氣體(ti) 效應指數)而受到人們(men) 的青睞。然而，考慮到所使用的大部分CO2是化學副產(chan) 品，當其用作製冷劑以回收較初排放到大氣中的廢物時，其GWP值為(wei) 0。同時，它還具有無毒、無害、化學性質穩定、價(jia) 格低廉、使用後無需回收、單位體(ti) 積製冷量大、粘度小、導熱性好等優(you) 點。CO2換熱器是以CO2為(wei) 工質的各種熱力循環係統中的關(guan) 鍵部件之一。因此，構建穩定可靠的CO2傳(chuan) 熱實驗研究平台，對於(yu) CO2換熱器的設計和以CO2為(wei) 工質的各種熱力循環係統的優(you) 化具有重要意義(yi) 。本文將詳細介紹CO2傳(chuan) 熱實驗台的結構。
2。二氧化碳高壓傳(chuan) 熱實驗台的構建二氧化碳高壓傳(chuan) 熱實驗裝置如圖1所示

圖1CO2高壓傳(chuan) 熱試驗裝置
整個(ge) CO2高壓傳(chuan) 熱試驗台包括六個(ge) 子係統:
(1)由CO2氣瓶、母線和真空泵組成的抽真空注液係統，用於(yu) 對整個(ge) 試驗回路抽真空並充入CO2工質，較大限度地消除回路中不凝性氣體(ti) 對傳(chuan) 熱的影響
(2)製冷係統由工業(ye) 製冷機、板式換熱器和循環泵組成，用於(yu) 冷卻高壓柱塞泵的泵頭，維持CO2儲(chu) 液罐的低溫環境和係統的背壓製冷係統分為(wei) 兩(liang) 路:一路流經儲(chu) 液罐，用於(yu) 冷卻儲(chu) 液罐中的CO2，使其處於(yu) 飽和狀態。由於(yu) CO2的飽和溫度對應於(yu) 飽和壓力，所以也可以通過控製冷卻係統的溫度(設定冰箱的溫度)來控製儲(chu) 液罐中CO2的壓力，從(cong) 而實現係統背壓的控製。
(3)冷卻係統，即試驗段後的冷凝器係統，冷凝管內(nei) 是從(cong) 試驗段流出的高溫CO2，管外是室溫水。通過該冷凝係統，可以降低流回液體(ti) 儲(chu) 罐的CO2的溫度，從(cong) 而降低冰箱的熱負荷。
(4)循環液體(ti) 供應係統用於(yu) 為(wei) 測試係統提供穩定的工作流體(ti) 流。液體(ti) 供應係統的穩定性直接影響測試數據的準確性。循環供液係統包括以下核心部分:儲(chu) 液罐、柱塞泵、變頻器、緩衝(chong) 罐、背壓閥和旁路調節閥從(cong) 儲(chu) 液罐流出的液態CO2由柱塞泵加壓至所需值，柱塞泵出口處的緩衝(chong) 罐用於(yu) 平衡流量和壓力的脈動。從(cong) 緩衝(chong) 罐流出的CO2分為(wei) 兩(liang) 路:一路通過旁路調節閥直接到背壓閥入口，與(yu) 被測試段加熱的CO2混合，用室溫水預冷，實現直接混合冷卻，從(cong) 而降低流回儲(chu) 液罐的CO2的溫度，降低冰箱的熱負荷。另一路流經質量流量計、預熱器、主加熱實驗段、冷凝器和背壓閥，然後返回儲(chu) 液罐。
背壓閥用於(yu) 控製從(cong) 泵出口到閥前部的工作壓力變頻器可以控製柱塞泵的轉速來實現流量調節，但隻能通過變頻器調節(5 ~ 50Hz)來獲得的流量範圍是有限的。因此，在該試驗裝置中，流量控製是通過變頻器調節柱塞泵的轉速和調節旁路的開度來實現的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱係統通過在試驗段上直接施加數百至數千安培的大電流，在試驗段的壁麵上形成恒定熱流邊界條件該子係統由電位器、可控矽調壓器、低壓大電流互感器、電流互感器和電壓互感器組成這個(ge) 子係統的原理如圖2所示。可控矽調節器的輸入端是380伏單相交流電。可控矽調節器的輸出電壓(一次側(ce) )U1可以通過調節電位器來控製，然後由低壓大電流變壓器變換後輸出測試段的負載電壓(二次側(ce) )U2。負載電流和電壓分別由電流和電壓互感器測量該試驗裝置中使用的試驗段是不鏽鋼管。試驗段的兩(liang) 端通過釺焊(使用含30%銀的銅銀電極)與(yu) 銅基底焊接，並通過銅基底與(yu) 電加熱係統連接。試驗段兩(liang) 端連接絕緣法蘭(lan) ，實現與(yu) 外部管道的電絕緣。凸緣的結構如圖3所示。法蘭(lan) 采用三層結構，兩(liang) 個(ge) 大直徑法蘭(lan) 分別與(yu) 兩(liang) 側(ce) 管道焊接。兩(liang) 個(ge) 法蘭(lan) 中間用膠木墊電絕緣，膠木墊中心嵌套聚四氟乙烯，通過聚四氟乙烯和法蘭(lan) 的榫槽麵實現高壓密封

圖2電加熱係統

圖3絕緣法蘭(lan) 結構示意圖
(6)數據采集係統，用於(yu) 測試係統中溫度、流量、壓力、壓差、電壓和電流數據的采集和計算機存儲(chu) 。該子係統主要由傳(chuan) 感器、變送器、數據采集儀(yi) 器和計算機組成如圖4所示，流量、壓力和壓力差變送器可以直接測量試驗段兩(liang) 端的流量、壓力和壓力差。溫度由t型熱電偶測量，電流和電壓由電流和電壓互感器測量。通過發射機後，它們(men) 被轉換成1-5號。zui後，數據由數據采集器Agilent34970A采集，並傳(chuan) 輸至計算機進行進一步的數據分析。

圖4數據采集係統示意圖
本裝置中的流量測量采用DMF-1-3b/dx科裏奧利質量流量計(精度+脈衝(chong) ；0.2%)；溫度傳(chuan) 感器是銅-康銅t型熱電偶(精密和脈衝(chong) ；0.5%)；壓力變送器為(wei) 羅斯蒙特3051智能壓力變送器(精密和脈衝(chong) ；0.1%)；差壓變送器為(wei) 羅斯蒙特1151係列差壓變送器(精度和脈衝(chong) ；0.05%)
3、係統調試和試運行
本文構建的實驗台用於(yu) 單相、兩(liang) 相和超臨(lin) 界CO2傳(chuan) 熱研究。在實驗台投入運行之前，必須對整個(ge) 裝置進行壓力測試、係統穩定性測試和熱平衡檢查。< br/ > 3.1係統耐壓試驗
整個(ge) 試驗裝置施工完成後，需要先對整個(ge) 係統進行耐壓試驗，以確保安全運行試壓前，用丙酮清洗管道，去除管道上的汙漬。用去離子水填充整個(ge) 係統，連接液壓測試壓機，並將測試壓機設置為(wei) 所需的測試壓力。該試驗台用於(yu) 開展CO2的單相、兩(liang) 相和超臨(lin) 界傳(chuan) 熱研究。設計壓力範圍為(wei) 4 ~ 12兆帕。為(wei) 確保安全，采用液壓測試壓機將整個(ge) 係統回路加壓至15MPa，並對係統壓力信號進行實時監控。2小時後，觀察到采集的壓力信號沒有衰減，表明整個(ge) 測試裝置的耐壓和密封性能良好，滿足實驗要求。< br/ > 3.2抽真空和注入液體(ti)
由於(yu) 不凝性氣體(ti) 的存在會(hui) 顯著影響CO2的熱交換，因此在注入CO2之前，必須將係統中的不凝性氣體(ti) 去除本文采用以下方法衝(chong) 洗真空進樣:首先將整個(ge) 測試係統抽真空，然後將CO2衝(chong) 洗至1br/> MPa，保持充氣閥的開度和充氣壓力不變，打開係統的排氣閥，用CO2衝(chong) 洗整個(ge) 係統，半小時後關(guan) 閉充氣閥和排氣閥係統第二次抽真空，然後再次填充並吹出。抽真空後，進行第二次充注和吹掃，排除係統中的不凝性氣體(ti) 。啟動冰箱並設置冰箱的出口溫度。儲(chu) 液罐中CO2的溫度和壓力可以通過設定出口溫度來控製。< br/ > 3.3係統穩定性調試
在測試過程中，必須保證各測試條件的穩定運行測試控製參數包括流量、入口壓力、入口溫度和加熱功率。流量通過變頻器控製柱塞泵的轉速和調節旁通閥的開度來實現。試驗段的入口壓力由背壓閥控製。入口溫度通過改變製冷機組的設定溫度和預熱器的電加熱功率來實現。柱塞泵為(wei) 三柱塞往複增壓泵，出口流量和壓力脈動，需要增加緩衝(chong) 罐來消除流量和壓力的波動。係統運行前，保持緩衝(chong) 罐與(yu) 係統之間連接管道上的閥門處於(yu) 關(guan) 閉狀態。係統穩定運行後，打開充氣閥向緩衝(chong) 罐充氮氣，充壓為(wei) 係統工作壓力的40% ~ 60%。達到充氣壓力後，關(guan) 閉充氣閥，打開緩衝(chong) 罐與(yu) 係統之間的連接閥，罐內(nei) 氮氣被壓縮到緩衝(chong) 罐的上部，通過壓縮氣體(ti) 消除流量和壓力的波動緩衝(chong) 罐對消除係統中工作介質的波動有顯著效果。如圖5所示，緩衝(chong) 罐打開前，試驗段壓差波動可達30% ~ 40%。緩衝(chong) 罐打開後，係統的整體(ti) 穩定性大大提高，壓力波動幅度小於(yu) 2%

圖5穩壓罐閥門開啟前後的壓差變化< br/ > 3.4熱平衡檢查
電加熱係統產(chan) 生的熱量大部分被測試段的工作介質帶走，另一小部分與(yu) 環境進行熱交換，產(chan) 生熱量損失。為(wei) 了獲得傳(chuan) 熱係數的大小，必須檢查設備的熱效率。熱效率通過使用公式(1)來計算:

當考慮實際測試係統中的熱損失時，&η；應小於(yu) 1，但在熱平衡數據檢查中發現&η；> 1，即管道中流體(ti) 的焓升大於(yu) 加到管壁上的熱量，這顯然違反了能量守恒定律因此，通過稱重方法重新校準流量計，結果如圖6所示。

圖6使用稱重法校準流量計結果
使用校準的流量數據進行熱平衡檢查，並且仍然找到& eta> 1，然後用高速示波器(恒和DL750)進一步分析電壓信號。當電位計調整率分別為(wei) 17%和85%時，對應於(yu) SCR電壓調節器的電壓輸出波形如圖7所示。根據波形可以推斷，調壓器采用相控調壓，並且該調壓電路的輸出電壓含有較多的諧波成分(非標準正弦波)。基於(yu) 平均值的電壓電流傳(chuan) 感器無法獲得其真實有效值，因此用真實有效值變送器代替了原有的電壓電流傳(chuan) 感器，解決(jue) 了熱平衡問題。計算表明，該測試裝置的熱效率在90%以上

(a)電位計調整率為(wei) 17%

(b)電位計調整率為(wei) 85%
圖7不同電位計調整率下的電壓波形< br/ > 3.5誤差分析
本次試驗的直接測量參數分別為(wei) :溫度、壓力、壓降、流量，相應的測量不確定度為(wei) & plusmn0.5%、& plusmn0.1%、& plusmn0.05%、& plusmn0.2%，試驗中獲得的間接測量值為(wei) 摩擦係數f和無量綱傳(chuan) 熱係數Nu對於(yu) 間接摩擦係數f和無量綱傳(chuan) 熱係數Nu，不確定度由誤差傳(chuan) 遞函數確定如果因變量r隨著自變量
的變化而變化，則r的不確定度可由公式
(3)求得:

本文中摩擦係數f和無量綱傳(chuan) 熱係數Nu的計算公式為(wei) :

。將公式(4)和(5)代入公式(3)，f和Nu的不確定度分別為(wei) 0.28%和0.89%本文設計並搭建了CO2高壓傳(chuan) 熱實驗台。基於(yu) 該實驗台，可以進行CO2的單相、兩(liang) 相和超臨(lin) 界傳(chuan) 熱實驗。介紹了實驗台搭建、係統調試和誤差分析的詳細過程，解決(jue) 了電壓真有效值測量帶來的流量、壓力脈動和熱平衡問題。
係統穩定可靠，誤差在可接受範圍內(nei) 。可用於(yu) 開展超臨(lin) 界壓力下CO2傳(chuan) 熱的相關(guan) 實驗研究。該實驗平台的搭建和調試過程也可為(wei) 其他傳(chuan) 熱實驗平台的搭建提供參考。

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