二氧化碳傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)分析文章由優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠家為您提供，歡迎咨詢有關(guān)二氧化碳傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)分析周邊問題，或?qū)嶒?yàn)設(shè)備的批發(fā)報(bào)價(jià)安裝設(shè)計(jì)成套咨詢。

1，引言
自20世紀(jì)初以來，二氧化碳已被廣泛用作制冷劑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些合成制冷劑如氟氯化碳和氟氯烴已經(jīng)進(jìn)入了歷史階段。然而，以下是這些合成制冷劑給全球環(huán)境帶來的嚴(yán)重后果，世界各國都在積極尋找替代品。美國和日本傾向于使用新的氟氯烴作為替代品，而一些歐洲國家認(rèn)為新的氟氯烴的替代品也意味著不可預(yù)測的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，他們強(qiáng)烈主張使用自然物質(zhì)作為制冷劑，包括NH3、CO2、碳?xì)浠衔铩⒖諝夂退取?br/>與其他制冷劑相比二氧化碳因其臭氧消耗潛能值=0(臭氧破壞指數(shù))和GWP=1(溫室氣體效應(yīng)指數(shù))而受到人們的青睞。然而，考慮到所使用的大部分CO2是化學(xué)副產(chǎn)品，當(dāng)其用作制冷劑以回收較初排放到大氣中的廢物時(shí)，其GWP值為0。同時(shí)，它還具有無毒、無害、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉、使用后無需回收、單位體積制冷量大、粘度小、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。CO2換熱器是以CO2為工質(zhì)的各種熱力循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一。因此，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的CO2傳熱實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，對(duì)于CO2換熱器的設(shè)計(jì)和以CO2為工質(zhì)的各種熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。本文將詳細(xì)介紹CO2傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)。
2。二氧化碳高壓傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建二氧化碳高壓傳熱實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示

圖1CO2高壓傳熱試驗(yàn)裝置
整個(gè)CO2高壓傳熱試驗(yàn)臺(tái)包括六個(gè)子系統(tǒng):
(1)由CO2氣瓶、母線和真空泵組成的抽真空注液系統(tǒng)，用于對(duì)整個(gè)試驗(yàn)回路抽真空并充入CO2工質(zhì)，較大限度地消除回路中不凝性氣體對(duì)傳熱的影響
(2)制冷系統(tǒng)由工業(yè)制冷機(jī)、板式換熱器和循環(huán)泵組成，用于冷卻高壓柱塞泵的泵頭，維持CO2儲(chǔ)液罐的低溫環(huán)境和系統(tǒng)的背壓制冷系統(tǒng)分為兩路:一路流經(jīng)儲(chǔ)液罐，用于冷卻儲(chǔ)液罐中的CO2，使其處于飽和狀態(tài)。由于CO2的飽和溫度對(duì)應(yīng)于飽和壓力，所以也可以通過控制冷卻系統(tǒng)的溫度(設(shè)定冰箱的溫度)來控制儲(chǔ)液罐中CO2的壓力，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)背壓的控制。
(3)冷卻系統(tǒng)，即試驗(yàn)段后的冷凝器系統(tǒng)，冷凝管內(nèi)是從試驗(yàn)段流出的高溫CO2，管外是室溫水。通過該冷凝系統(tǒng)，可以降低流回液體儲(chǔ)罐的CO2的溫度，從而降低冰箱的熱負(fù)荷。
(4)循環(huán)液體供應(yīng)系統(tǒng)用于為測試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作流體流。液體供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。循環(huán)供液系統(tǒng)包括以下核心部分:儲(chǔ)液罐、柱塞泵、變頻器、緩沖罐、背壓閥和旁路調(diào)節(jié)閥從儲(chǔ)液罐流出的液態(tài)CO2由柱塞泵加壓至所需值，柱塞泵出口處的緩沖罐用于平衡流量和壓力的脈動(dòng)。從緩沖罐流出的CO2分為兩路:一路通過旁路調(diào)節(jié)閥直接到背壓閥入口，與被測試段加熱的CO2混合，用室溫水預(yù)冷，實(shí)現(xiàn)直接混合冷卻，從而降低流回儲(chǔ)液罐的CO2的溫度，降低冰箱的熱負(fù)荷。另一路流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱器、主加熱實(shí)驗(yàn)段、冷凝器和背壓閥，然后返回儲(chǔ)液罐。
背壓閥用于控制從泵出口到閥前部的工作壓力變頻器可以控制柱塞泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，但只能通過變頻器調(diào)節(jié)(5 ~ 50Hz)來獲得的流量范圍是有限的。因此，在該試驗(yàn)裝置中，流量控制是通過變頻器調(diào)節(jié)柱塞泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)旁路的開度來實(shí)現(xiàn)的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱系統(tǒng)通過在試驗(yàn)段上直接施加數(shù)百至數(shù)千安培的大電流，在試驗(yàn)段的壁面上形成恒定熱流邊界條件該子系統(tǒng)由電位器、可控硅調(diào)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(gè)子系統(tǒng)的原理如圖2所示?？煽毓枵{(diào)節(jié)器的輸入端是380伏單相交流電?？煽毓枵{(diào)節(jié)器的輸出電壓(一次側(cè))U1可以通過調(diào)節(jié)電位器來控制，然后由低壓大電流變壓器變換后輸出測試段的負(fù)載電壓(二次側(cè))U2。負(fù)載電流和電壓分別由電流和電壓互感器測量該試驗(yàn)裝置中使用的試驗(yàn)段是不銹鋼管。試驗(yàn)段的兩端通過釬焊(使用含30%銀的銅銀電極)與銅基底焊接，并通過銅基底與電加熱系統(tǒng)連接。試驗(yàn)段兩端連接絕緣法蘭，實(shí)現(xiàn)與外部管道的電絕緣。凸緣的結(jié)構(gòu)如圖3所示。法蘭采用三層結(jié)構(gòu)，兩個(gè)大直徑法蘭分別與兩側(cè)管道焊接。兩個(gè)法蘭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的榫槽面實(shí)現(xiàn)高壓密封

圖2電加熱系統(tǒng)

圖3絕緣法蘭結(jié)構(gòu)示意圖
(6)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于測試系統(tǒng)中溫度、流量、壓力、壓差、電壓和電流數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。該子系統(tǒng)主要由傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集儀器和計(jì)算機(jī)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(yàn)段兩端的流量、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(fā)射機(jī)后，它們被轉(zhuǎn)換成1-5號(hào)。zui后，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

圖4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖
本裝置中的流量測量采用DMF-1-3b/dx科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(精度+脈沖；0.2%)；溫度傳感器是銅-康銅t型熱電偶(精密和脈沖；0.5%)；壓力變送器為羅斯蒙特3051智能壓力變送器(精密和脈沖；0.1%)；差壓變送器為羅斯蒙特1151系列差壓變送器(精度和脈沖；0.05%)
3、系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行
本文構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于單相、兩相和超臨界CO2傳熱研究。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)投入運(yùn)行之前，必須對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行壓力測試、系統(tǒng)穩(wěn)定性測試和熱平衡檢查。< br/ > 3.1系統(tǒng)耐壓試驗(yàn)
整個(gè)試驗(yàn)裝置施工完成后，需要先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，以確保安全運(yùn)行試壓前，用丙酮清洗管道，去除管道上的污漬。用去離子水填充整個(gè)系統(tǒng)，連接液壓測試壓機(jī)，并將測試壓機(jī)設(shè)置為所需的測試壓力。該試驗(yàn)臺(tái)用于開展CO2的單相、兩相和超臨界傳熱研究。設(shè)計(jì)壓力范圍為4 ~ 12兆帕。為確保安全，采用液壓測試壓機(jī)將整個(gè)系統(tǒng)回路加壓至15MPa，并對(duì)系統(tǒng)壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2小時(shí)后，觀察到采集的壓力信號(hào)沒有衰減，表明整個(gè)測試裝置的耐壓和密封性能良好，滿足實(shí)驗(yàn)要求。< br/ > 3.2抽真空和注入液體
由于不凝性氣體的存在會(huì)顯著影響CO2的熱交換，因此在注入CO2之前，必須將系統(tǒng)中的不凝性氣體去除本文采用以下方法沖洗真空進(jìn)樣:首先將整個(gè)測試系統(tǒng)抽真空，然后將CO2沖洗至1br/> MPa，保持充氣閥的開度和充氣壓力不變，打開系統(tǒng)的排氣閥，用CO2沖洗整個(gè)系統(tǒng)，半小時(shí)后關(guān)閉充氣閥和排氣閥系統(tǒng)第二次抽真空，然后再次填充并吹出。抽真空后，進(jìn)行第二次充注和吹掃，排除系統(tǒng)中的不凝性氣體。啟動(dòng)冰箱并設(shè)置冰箱的出口溫度。儲(chǔ)液罐中CO2的溫度和壓力可以通過設(shè)定出口溫度來控制。< br/ > 3.3系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)試
在測試過程中，必須保證各測試條件的穩(wěn)定運(yùn)行測試控制參數(shù)包括流量、入口壓力、入口溫度和加熱功率。流量通過變頻器控制柱塞泵的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)旁通閥的開度來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)段的入口壓力由背壓閥控制。入口溫度通過改變制冷機(jī)組的設(shè)定溫度和預(yù)熱器的電加熱功率來實(shí)現(xiàn)。柱塞泵為三柱塞往復(fù)增壓泵，出口流量和壓力脈動(dòng)，需要增加緩沖罐來消除流量和壓力的波動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行前，保持緩沖罐與系統(tǒng)之間連接管道上的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，打開充氣閥向緩沖罐充氮?dú)?，充壓為系統(tǒng)工作壓力的40% ~ 60%。達(dá)到充氣壓力后，關(guān)閉充氣閥，打開緩沖罐與系統(tǒng)之間的連接閥，罐內(nèi)氮?dú)獗粔嚎s到緩沖罐的上部，通過壓縮氣體消除流量和壓力的波動(dòng)緩沖罐對(duì)消除系統(tǒng)中工作介質(zhì)的波動(dòng)有顯著效果。如圖5所示，緩沖罐打開前，試驗(yàn)段壓差波動(dòng)可達(dá)30% ~ 40%。緩沖罐打開后，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性大大提高，壓力波動(dòng)幅度小于2%

圖5穩(wěn)壓罐閥門開啟前后的壓差變化< br/ > 3.4熱平衡檢查
電加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量大部分被測試段的工作介質(zhì)帶走，另一小部分與環(huán)境進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生熱量損失。為了獲得傳熱系數(shù)的大小，必須檢查設(shè)備的熱效率。熱效率通過使用公式(1)來計(jì)算:

當(dāng)考慮實(shí)際測試系統(tǒng)中的熱損失時(shí)，&η；應(yīng)小于1，但在熱平衡數(shù)據(jù)檢查中發(fā)現(xiàn)&η；> 1，即管道中流體的焓升大于加到管壁上的熱量，這顯然違反了能量守恒定律因此，通過稱重方法重新校準(zhǔn)流量計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6使用稱重法校準(zhǔn)流量計(jì)結(jié)果
使用校準(zhǔn)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行熱平衡檢查，并且仍然找到& eta> 1，然后用高速示波器(恒和DL750)進(jìn)一步分析電壓信號(hào)。當(dāng)電位計(jì)調(diào)整率分別為17%和85%時(shí)，對(duì)應(yīng)于SCR電壓調(diào)節(jié)器的電壓輸出波形如圖7所示。根據(jù)波形可以推斷，調(diào)壓器采用相控調(diào)壓，并且該調(diào)壓電路的輸出電壓含有較多的諧波成分(非標(biāo)準(zhǔn)正弦波)。基于平均值的電壓電流傳感器無法獲得其真實(shí)有效值，因此用真實(shí)有效值變送器代替了原有的電壓電流傳感器，解決了熱平衡問題。計(jì)算表明，該測試裝置的熱效率在90%以上

(a)電位計(jì)調(diào)整率為17%

(b)電位計(jì)調(diào)整率為85%
圖7不同電位計(jì)調(diào)整率下的電壓波形< br/ > 3.5誤差分析
本次試驗(yàn)的直接測量參數(shù)分別為:溫度、壓力、壓降、流量，相應(yīng)的測量不確定度為& plusmn0.5%、& plusmn0.1%、& plusmn0.05%、& plusmn0.2%，試驗(yàn)中獲得的間接測量值為摩擦系數(shù)f和無量綱傳熱系數(shù)Nu對(duì)于間接摩擦系數(shù)f和無量綱傳熱系數(shù)Nu，不確定度由誤差傳遞函數(shù)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:

本文中摩擦系數(shù)f和無量綱傳熱系數(shù)Nu的計(jì)算公式為:

。將公式(4)和(5)代入公式(3)，f和Nu的不確定度分別為0.28%和0.89%本文設(shè)計(jì)并搭建了CO2高壓傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)?；谠搶?shí)驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行CO2的單相、兩相和超臨界傳熱實(shí)驗(yàn)。介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建、系統(tǒng)調(diào)試和誤差分析的詳細(xì)過程，解決了電壓真有效值測量帶來的流量、壓力脈動(dòng)和熱平衡問題。
系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，誤差在可接受范圍內(nèi)?？捎糜陂_展超臨界壓力下CO2傳熱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和調(diào)試過程也可為其他傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供參考。

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