二氧化碳傳熱實驗臺設備的設計分析文章由優(yōu)質實驗設備廠家為您提供，歡迎咨詢有關二氧化碳傳熱實驗臺設備的設計分析周邊問題，或實驗設備的批發(fā)報價安裝設計成套咨詢。

1，引言
自20世紀初以來，二氧化碳已被廣泛用作制冷劑。隨著科學技術的發(fā)展，一些合成制冷劑如氟氯化碳和氟氯烴已經進入了歷史階段。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，而一些歐洲國家認為新的氟氯烴的替代品也意味著不可預測的潛在風險。因此，他們強烈主張使用自然物質作為制冷劑，包括NH3、CO2、碳氫化合物、空氣和水等。
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是化學副產品，當其用作制冷劑以回收較初排放到大氣中的廢物時，其GWP值為0。同時，它還具有無毒、無害、化學性質穩(wěn)定、價格低廉、使用后無需回收、單位體積制冷量大、粘度小、導熱性好等優(yōu)點。CO2換熱器是以CO2為工質的各種熱力循環(huán)系統(tǒng)中的關鍵部件之一。因此，構建穩(wěn)定可靠的CO2傳熱實驗研究平臺，對于CO2換熱器的設計和以CO2為工質的各種熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。本文將詳細介紹CO2傳熱實驗臺的結構。
2。二氧化碳高壓傳熱實驗臺的構建二氧化碳高壓傳熱實驗裝置如圖1所示

圖1CO2高壓傳熱試驗裝置
整個CO2高壓傳熱試驗臺包括六個子系統(tǒng):
(1)由CO2氣瓶、母線和真空泵組成的抽真空注液系統(tǒng)，用于對整個試驗回路抽真空并充入CO2工質，較大限度地消除回路中不凝性氣體對傳熱的影響
(2)制冷系統(tǒng)由工業(yè)制冷機、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:一路流經儲液罐，用于冷卻儲液罐中的CO2，使其處于飽和狀態(tài)。由于CO2的飽和溫度對應于飽和壓力，所以也可以通過控制冷卻系統(tǒng)的溫度(設定冰箱的溫度)來控制儲液罐中CO2的壓力，從而實現(xiàn)系統(tǒng)背壓的控制。
(3)冷卻系統(tǒng)，即試驗段后的冷凝器系統(tǒng)，冷凝管內是從試驗段流出的高溫CO2，管外是室溫水。通過該冷凝系統(tǒng)，可以降低流回液體儲罐的CO2的溫度，從而降低冰箱的熱負荷。
(4)循環(huán)液體供應系統(tǒng)用于為測試系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作流體流。液體供應系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響測試數(shù)據(jù)的準確性。循環(huán)供液系統(tǒng)包括以下核心部分:儲液罐、柱塞泵、變頻器、緩沖罐、背壓閥和旁路調節(jié)閥從儲液罐流出的液態(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。從緩沖罐流出的CO2分為兩路:一路通過旁路調節(jié)閥直接到背壓閥入口，與被測試段加熱的CO2混合，用室溫水預冷，實現(xiàn)直接混合冷卻，從而降低流回儲液罐的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，然后返回儲液罐。
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速來實現(xiàn)流量調節(jié)，但只能通過變頻器調節(jié)(5 ~ 50Hz)來獲得的流量范圍是有限的。因此，在該試驗裝置中，流量控制是通過變頻器調節(jié)柱塞泵的轉速和調節(jié)旁路的開度來實現(xiàn)的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱系統(tǒng)通過在試驗段上直接施加數(shù)百至數(shù)千安培的大電流，在試驗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子系統(tǒng)的原理如圖2所示?？煽毓枵{節(jié)器的輸入端是380伏單相交流電?？煽毓枵{節(jié)器的輸出電壓(一次側)U1可以通過調節(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載電壓(二次側)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銹鋼管。試驗段的兩端通過釬焊(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。試驗段兩端連接絕緣法蘭，實現(xiàn)與外部管道的電絕緣。凸緣的結構如圖3所示。法蘭采用三層結構，兩個大直徑法蘭分別與兩側管道焊接。兩個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現(xiàn)高壓密封

圖2電加熱系統(tǒng)

圖3絕緣法蘭結構示意圖
(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)的采集和計算機存儲。該子系統(tǒng)主要由傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集儀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)射機后，它們被轉換成1-5號。zui后，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A采集，并傳輸至計算機進行進一步的數(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科里奧利質量流量計(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)調試和試運行
本文構建的實驗臺用于單相、兩相和超臨界CO2傳熱研究。在實驗臺投入運行之前，必須對整個裝置進行壓力測試、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
整個試驗裝置施工完成后，需要先對整個系統(tǒng)進行耐壓試驗，以確保安全運行試壓前，用丙酮清洗管道，去除管道上的污漬。用去離子水填充整個系統(tǒng)，連接液壓測試壓機，并將測試壓機設置為所需的測試壓力。該試驗臺用于開展CO2的單相、兩相和超臨界傳熱研究。設計壓力范圍為4 ~ 12兆帕。為確保安全，采用液壓測試壓機將整個系統(tǒng)回路加壓至15MPa，并對系統(tǒng)壓力信號進行實時監(jiān)控。2小時后，觀察到采集的壓力信號沒有衰減，表明整個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
由于不凝性氣體的存在會顯著影響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樣:首先將整個測試系統(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沖洗整個系統(tǒng)，半小時后關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，進行第二次充注和吹掃，排除系統(tǒng)中的不凝性氣體。啟動冰箱并設置冰箱的出口溫度。儲液罐中CO2的溫度和壓力可以通過設定出口溫度來控制。< br/ > 3.3系統(tǒng)穩(wěn)定性調試
在測試過程中，必須保證各測試條件的穩(wěn)定運行測試控制參數(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速和調節(jié)旁通閥的開度來實現(xiàn)。試驗段的入口壓力由背壓閥控制。入口溫度通過改變制冷機組的設定溫度和預熱器的電加熱功率來實現(xiàn)。柱塞泵為三柱塞往復增壓泵，出口流量和壓力脈動，需要增加緩沖罐來消除流量和壓力的波動。系統(tǒng)運行前，保持緩沖罐與系統(tǒng)之間連接管道上的閥門處于關閉狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，打開充氣閥向緩沖罐充氮氣，充壓為系統(tǒng)工作壓力的40% ~ 60%。達到充氣壓力后，關閉充氣閥，打開緩沖罐與系統(tǒng)之間的連接閥，罐內氮氣被壓縮到緩沖罐的上部，通過壓縮氣體消除流量和壓力的波動緩沖罐對消除系統(tǒng)中工作介質的波動有顯著效果。如圖5所示，緩沖罐打開前，試驗段壓差波動可達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)產生的熱量大部分被測試段的工作介質帶走，另一小部分與環(huán)境進行熱交換，產生熱量損失。為了獲得傳熱系數(shù)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:

當考慮實際測試系統(tǒng)中的熱損失時，&η；應小于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(shù)據(jù)進行熱平衡檢查，并且仍然找到& eta> 1，然后用高速示波器(恒和DL750)進一步分析電壓信號。當電位計調整率分別為17%和85%時，對應于SCR電壓調節(jié)器的電壓輸出波形如圖7所示。根據(jù)波形可以推斷，調壓器采用相控調壓，并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)?；谄骄档碾妷弘娏鱾鞲衅鳠o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感器，解決了熱平衡問題。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17%

(b)電位計調整率為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(shù)分別為:溫度、壓力、壓降、流量，相應的測量不確定度為& plusmn0.5%、& plusmn0.1%、& plusmn0.05%、& plusmn0.2%，試驗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%本文設計并搭建了CO2高壓傳熱實驗臺?；谠搶嶒炁_，可以進行CO2的單相、兩相和超臨界傳熱實驗。介紹了實驗臺搭建、系統(tǒng)調試和誤差分析的詳細過程，解決了電壓真有效值測量帶來的流量、壓力脈動和熱平衡問題。
系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，誤差在可接受范圍內?？捎糜陂_展超臨界壓力下CO2傳熱的相關實驗研究。該實驗平臺的搭建和調試過程也可為其他傳熱實驗平臺的搭建提供參考。

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