[发明专利]一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法

权利要求书

1.一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，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：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。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳流动传热特性测量装置，其特征在于：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℃。

6.一种二氧化碳流动传热特性测量方法，其特征在于，采用权利要求1～5任一项所述的测量装置，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Q_CO2和水换热量Q_H2O，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(Q_H2O+Q_CO2)

根据传热方程计算总传热系数U：

U＝Q/A_i/ΔT_LM

其中：A_i为套管实验段内管的内壁面积；ΔT_LM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h_CO2：

其中：D_o和D_i分别为套管实验段内管的外径和内径，L为实验段长度，A_o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；h_H2O为套管实验段环管中水的传热系数，按下式计算：

Re＜4000，

Re≥4000，

其中：Re、Pr、λ_H2O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；d_e为环管的当量直径；

根据下式计算二氧化碳阻力系数f_CO2：

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。