[发明专利]一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法，测量装置由二氧化碳循环回路和水循环回路组成，二氧化碳循环回路包括进气阀、二氧化碳储罐、二氧化碳泵、二氧化碳加热器、二氧化碳实验段和二氧化碳冷却器；水循环回路包括注水阀、水储罐、水泵、水加热器、水实验段和水冷却器；二氧化碳实验段与水回路实验段组成套管结构，二氧化碳在套管内管中流动，水在套管环管中流动；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；二氧化碳循环回路与水循环回路均设有加热器和冷却器；本发明可准确测量冷却、加热两种模式下，亚临界区、拟临界区、超临界区二氧化碳内部强制流动过程的阻力系数和传热系数。

技术领域

本发明涉及一种热工测量装置及方法，具体涉及一种超临界二氧化碳流动传热特性测量装置及方法。

背景技术

二氧化碳(CO₂)无毒性、不可燃、价格低廉、不会危害臭氧层，是一种安全、经济、环保的工质。超临界状态下的二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO₂)还具有比热容高、能量密度大、输运特性优良、压缩功耗低、热源适用范围广、与标准材料相容性好等诸多优点。这些优点使得二氧化碳越来越受到先进动力循环系统、制冷空调系统、供热系统、高效换热系统的青睐，它被认为是紧凑高效能量循环系统中的优质工质。

在实际应用中二氧化碳通常经历跨临界或超临界循环，这些循环系统中的一个重要部件是换热器，它决定了整个系统的效率、紧凑性和初投资。在换热器通道内，在拟临界点附近或者更高参数下，二氧化碳根据工艺要求被加热或者被冷却。反映换热器内二氧化碳流动传热特性的技术参数为阻力系数和传热系数，掌握二氧化碳在拟临界点附近或更高参数下的阻力系数、传热系数数据是成功设计换热器的前提和关键。

热工测量是获得二氧化碳阻力系数、传热系数的主要途径。但二氧化碳在拟临界区附近的热物性随温度、压力变化会发生剧烈的非线性变化，加上二氧化碳在实际换热器中的工作模式又存在冷却与加热之分，使得实际二氧化碳流动、传热过程变得复杂，对其阻力系数、传热系数进行系统性测量研究的难度很大。尽管前人对二氧化碳流动、传热过程已做了一些实验研究，但实验数据不系统且均为整体平均值，而且未能兼顾二氧化碳冷却、加热两种模式，这些零散数据不足以揭示深层机理和规律，难以满足对二氧化碳换热器优化设计的要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述缺点，本发明提供了一种二氧化碳流动传热特性测量装置及方法，该测量装置以流体力学和传热学知识为理论基础，可以准确测量冷却、加热两种模式下，亚临界区、拟临界区、超临界区二氧化碳内部强制流动过程的阻力系数和传热系数，为二氧化碳换热器理论研究和工程设计提供基础数据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

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，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。