二氧化碳传热实验台设备的设计分析

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1，引言
自20世纪初以来，二氧化碳已被广泛用作制冷剂。随着科学技术的发展，一些合成制冷剂如氟氯化碳和氟氯烃已经进入了历史阶段。然而，以下是这些合成制冷剂给全球环境带来的严重后果，世界各国都在积极寻找替代品。美国和日本倾向于使用新的氟氯烃作为替代品，而一些欧洲国家认为新的氟氯烃的替代品也意味着不可预测的潜在风险。因此，他们强烈主张使用自然物质作为制冷剂，包括NH3、CO2、碳氢化合物、空气和水等。
与其他制冷剂相比二氧化碳因其臭氧消耗潜能值=0(臭氧破坏指数)和GWP=1(温室气体效应指数)而受到人们的青睐。然而，考虑到所使用的大部分CO2是化学副产品，当其用作制冷剂以回收较初排放到大气中的废物时，其GWP值为0。同时，它还具有无毒、无害、化学性质稳定、价格低廉、使用后无需回收、单位体积制冷量大、粘度小、导热性好等优点。CO2换热器是以CO2为工质的各种热力循环系统中的关键部件之一。因此，构建稳定可靠的CO2传热实验研究平台，对于CO2换热器的设计和以CO2为工质的各种热力循环系统的优化具有重要意义。本文将详细介绍CO2传热实验台的结构。
2。二氧化碳高压传热实验台的构建二氧化碳高压传热实验装置如图1所示

图1CO2高压传热试验装置
整个CO2高压传热试验台包括六个子系统:
(1)由CO2气瓶、母线和真空泵组成的抽真空注液系统，用于对整个试验回路抽真空并充入CO2工质，较大限度地消除回路中不凝性气体对传热的影响
(2)制冷系统由工业制冷机、板式换热器和循环泵组成，用于冷却高压柱塞泵的泵头，维持CO2储液罐的低温环境和系统的背压制冷系统分为两路:一路流经储液罐，用于冷却储液罐中的CO2，使其处于饱和状态。由于CO2的饱和温度对应于饱和压力，所以也可以通过控制冷却系统的温度(设定冰箱的温度)来控制储液罐中CO2的压力，从而实现系统背压的控制。
(3)冷却系统，即试验段后的冷凝器系统，冷凝管内是从试验段流出的高温CO2，管外是室温水。通过该冷凝系统，可以降低流回液体储罐的CO2的温度，从而降低冰箱的热负荷。
(4)循环液体供应系统用于为测试系统提供稳定的工作流体流。液体供应系统的稳定性直接影响测试数据的准确性。循环供液系统包括以下核心部分:储液罐、柱塞泵、变频器、缓冲罐、背压阀和旁路调节阀从储液罐流出的液态CO2由柱塞泵加压至所需值，柱塞泵出口处的缓冲罐用于平衡流量和压力的脉动。从缓冲罐流出的CO2分为两路:一路通过旁路调节阀直接到背压阀入口，与被测试段加热的CO2混合，用室温水预冷，实现直接混合冷却，从而降低流回储液罐的CO2的温度，降低冰箱的热负荷。另一路流经质量流量计、预热器、主加热实验段、冷凝器和背压阀，然后返回储液罐。
背压阀用于控制从泵出口到阀前部的工作压力变频器可以控制柱塞泵的转速来实现流量调节，但只能通过变频器调节(5 ~ 50Hz)来获得的流量范围是有限的。因此，在该试验装置中，流量控制是通过变频器调节柱塞泵的转速和调节旁路的开度来实现的。
(5)30kW低压大电流直接电加热系统通过在试验段上直接施加数百至数千安培的大电流，在试验段的壁面上形成恒定热流边界条件该子系统由电位器、可控硅调压器、低压大电流互感器、电流互感器和电压互感器组成这个子系统的原理如图2所示。可控硅调节器的输入端是380伏单相交流电。可控硅调节器的输出电压(一次侧)U1可以通过调节电位器来控制，然后由低压大电流变压器变换后输出测试段的负载电压(二次侧)U2。负载电流和电压分别由电流和电压互感器测量该试验装置中使用的试验段是不锈钢管。试验段的两端通过钎焊(使用含30%银的铜银电极)与铜基底焊接，并通过铜基底与电加热系统连接。试验段两端连接绝缘法兰，实现与外部管道的电绝缘。凸缘的结构如图3所示。法兰采用三层结构，两个大直径法兰分别与两侧管道焊接。两个法兰中间用胶木垫电绝缘，胶木垫中心嵌套聚四氟乙烯，通过聚四氟乙烯和法兰的榫槽面实现高压密封

图2电加热系统

图3绝缘法兰结构示意图
(6)数据采集系统，用于测试系统中温度、流量、压力、压差、电压和电流数据的采集和计算机存储。该子系统主要由传感器、变送器、数据采集仪器和计算机组成如图4所示，流量、压力和压力差变送器可以直接测量试验段两端的流量、压力和压力差。温度由t型热电偶测量，电流和电压由电流和电压互感器测量。通过发射机后，它们被转换成1-5号。zui后，数据由数据采集器Agilent34970A采集，并传输至计算机进行进一步的数据分析。

图4数据采集系统示意图
本装置中的流量测量采用DMF-1-3b/dx科里奥利质量流量计(精度+脉冲；0.2%)；温度传感器是铜-康铜t型热电偶(精密和脉冲；0.5%)；压力变送器为罗斯蒙特3051智能压力变送器(精密和脉冲；0.1%)；差压变送器为罗斯蒙特1151系列差压变送器(精度和脉冲；0.05%)
3、系统调试和试运行
本文构建的实验台用于单相、两相和超临界CO2传热研究。在实验台投入运行之前，必须对整个装置进行压力测试、系统稳定性测试和热平衡检查。< br/ > 3.1系统耐压试验
整个试验装置施工完成后，需要先对整个系统进行耐压试验，以确保安全运行试压前，用丙酮清洗管道，去除管道上的污渍。用去离子水填充整个系统，连接液压测试压机，并将测试压机设置为所需的测试压力。该试验台用于开展CO2的单相、两相和超临界传热研究。设计压力范围为4 ~ 12兆帕。为确保安全，采用液压测试压机将整个系统回路加压至15MPa，并对系统压力信号进行实时监控。2小时后，观察到采集的压力信号没有衰减，表明整个测试装置的耐压和密封性能良好，满足实验要求。< br/ > 3.2抽真空和注入液体
由于不凝性气体的存在会显著影响CO2的热交换，因此在注入CO2之前，必须将系统中的不凝性气体去除本文采用以下方法冲洗真空进样:首先将整个测试系统抽真空，然后将CO2冲洗至1br/> MPa，保持充气阀的开度和充气压力不变，打开系统的排气阀，用CO2冲洗整个系统，半小时后关闭充气阀和排气阀系统第二次抽真空，然后再次填充并吹出。抽真空后，进行第二次充注和吹扫，排除系统中的不凝性气体。启动冰箱并设置冰箱的出口温度。储液罐中CO2的温度和压力可以通过设定出口温度来控制。< br/ > 3.3系统稳定性调试
在测试过程中，必须保证各测试条件的稳定运行测试控制参数包括流量、入口压力、入口温度和加热功率。流量通过变频器控制柱塞泵的转速和调节旁通阀的开度来实现。试验段的入口压力由背压阀控制。入口温度通过改变制冷机组的设定温度和预热器的电加热功率来实现。柱塞泵为三柱塞往复增压泵，出口流量和压力脉动，需要增加缓冲罐来消除流量和压力的波动。系统运行前，保持缓冲罐与系统之间连接管道上的阀门处于关闭状态。系统稳定运行后，打开充气阀向缓冲罐充氮气，充压为系统工作压力的40% ~ 60%。达到充气压力后，关闭充气阀，打开缓冲罐与系统之间的连接阀，罐内氮气被压缩到缓冲罐的上部，通过压缩气体消除流量和压力的波动缓冲罐对消除系统中工作介质的波动有显著效果。如图5所示，缓冲罐打开前，试验段压差波动可达30% ~ 40%。缓冲罐打开后，系统的整体稳定性大大提高，压力波动幅度小于2%

图5稳压罐阀门开启前后的压差变化< br/ > 3.4热平衡检查
电加热系统产生的热量大部分被测试段的工作介质带走，另一小部分与环境进行热交换，产生热量损失。为了获得传热系数的大小，必须检查设备的热效率。热效率通过使用公式(1)来计算:

当考虑实际测试系统中的热损失时，&η；应小于1，但在热平衡数据检查中发现&η；> 1，即管道中流体的焓升大于加到管壁上的热量，这显然违反了能量守恒定律因此，通过称重方法重新校准流量计，结果如图6所示。

图6使用称重法校准流量计结果
使用校准的流量数据进行热平衡检查，并且仍然找到& eta> 1，然后用高速示波器(恒和DL750)进一步分析电压信号。当电位计调整率分别为17%和85%时，对应于SCR电压调节器的电压输出波形如图7所示。根据波形可以推断，调压器采用相控调压，并且该调压电路的输出电压含有较多的谐波成分(非标准正弦波)。基于平均值的电压电流传感器无法获得其真实有效值，因此用真实有效值变送器代替了原有的电压电流传感器，解决了热平衡问题。计算表明，该测试装置的热效率在90%以上

(a)电位计调整率为17%

(b)电位计调整率为85%
图7不同电位计调整率下的电压波形< br/ > 3.5误差分析
本次试验的直接测量参数分别为:温度、压力、压降、流量，相应的测量不确定度为& plusmn0.5%、& plusmn0.1%、& plusmn0.05%、& plusmn0.2%，试验中获得的间接测量值为摩擦系数f和无量纲传热系数Nu对于间接摩擦系数f和无量纲传热系数Nu，不确定度由误差传递函数确定如果因变量r随着自变量
的变化而变化，则r的不确定度可由公式
(3)求得:

本文中摩擦系数f和无量纲传热系数Nu的计算公式为:

。将公式(4)和(5)代入公式(3)，f和Nu的不确定度分别为0.28%和0.89%本文设计并搭建了CO2高压传热实验台。基于该实验台，可以进行CO2的单相、两相和超临界传热实验。介绍了实验台搭建、系统调试和误差分析的详细过程，解决了电压真有效值测量带来的流量、压力脉动和热平衡问题。
系统稳定可靠，误差在可接受范围内。可用于开展超临界压力下CO2传热的相关实验研究。该实验平台的搭建和调试过程也可为其他传热实验平台的搭建提供参考。

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