一種測量超臨界CO2回熱器和冷卻器性能的裝置和方法與流程
2023-05-30 07:08:21
本發明涉及一種測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的裝置和方法，可以用於研究超臨界co2在回熱器和冷卻器內的流動與換熱特性。
背景技術：
超臨界co2布雷頓循環系統結構簡單，效率遠高於其他循環系統，因而具有廣闊的應用前景。循環過程中，透平出口的超臨界co2仍具有很高溫度，通過回熱器將其與低溫側的超臨界co2進行換熱，可顯著提高整個系統的循環效率。另外，由於臨界點附近co2具有良好的可壓縮性和較大的比熱容，壓縮機耗功明顯降低且具有良好的換熱性能，因此需要冷卻器將透平入口處的co2冷卻至臨界點附近溫度。
目前，針對超臨界co2布雷頓循環系統回熱器和冷卻器方面，已經展開了大量的理論研究，但還缺少對超臨界co2回熱器和冷卻器性能進行研究的裝置和方法。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
鑑於上述問題，本發明的目的在於提供一種測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的方法和裝置，以期解決上述問題。
(二)技術方案
一種測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的裝置，包括高壓低溫系統和低壓高溫系統；
所述高壓低溫系統包括第一加壓加熱單元和第一冷卻減壓單元，第一加壓加熱單元出口連接被測回熱器第一進口，被測回熱器第一出口連接第一冷卻減壓單元進口；
所述低壓高溫系統包括第二加壓加熱單元和第二冷卻減壓單元，第二加壓加熱單元出口連接被測回熱器第二進口，被測冷卻器設置在被測回熱器第二出口和第二冷卻減壓單元進口之間。
優選地，所述第一加壓加熱單元用於將co2加壓並加熱至第一壓力和第一溫度，所述第二加壓加熱單元用於將co2加壓並加熱至第二壓力和第二溫度，第二溫度低於第一溫度，且第二壓力高於第一壓力，所述第一冷卻減壓單元和第二冷卻減壓單元用於將co2減壓並冷卻。
優選地，所述第二加壓加熱單元包括依次設置的壓縮機或柱塞泵、第二穩壓罐和第二中頻爐，所述第二加壓加熱單元出口為第二中頻爐出口；
所述第二冷卻減壓單元包括依次設置的第二風冷冷凝器、第二減壓閥和第二乙二醇冷凝器，第二冷卻減壓單元進口為第二風冷冷凝器進口；
被測冷卻器設置在第二風冷冷凝器出口和第二減壓閥進口之間。
優選地，所述第一加壓加熱單元包括依次連接的柱塞泵、第一穩壓罐和第一中頻爐，所述第一加壓加熱單元出口為第一中頻爐出口；
所述第一冷卻減壓單元包括依次連接的第一減壓閥、第一風冷冷凝器、水冷冷凝器和第一乙二醇冷凝器，所述第一冷卻減壓單元進口為第一減壓閥進口。
優選地，所述高壓低溫系統還包括第一儲液罐，所述第一儲液罐兩端分別連接第一加壓加熱單元和第一冷卻減壓單元；所述低壓高溫系統還包括第二儲液罐，所述第二儲液罐兩端分別連接第二加壓加熱單元和第二冷卻減壓單元；和/或，
所述測量裝置還包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵用於對高壓低溫系統進行抽真空，所述第二真空泵用於對低壓高溫系統進行抽真空；
優選地，還包括第一co2充注系統和第二co2充注系統，所述第一co2充注系統用於將co2充注到第一儲液罐中，所述第二co2充注系統用於將co2充注到第二儲液罐中；
所述第一co2充注系統和第二co2充注系統均包括氣瓶、輸送泵、過濾器和冷箱；所述氣瓶內的co2通過輸送泵送到過濾器進行過濾，然後經過冷箱冷卻後，充注到所述第一儲液罐或第二儲液罐中。
優選地，還包括數據採集存儲系統，所述數據採集存儲系統包括溫度傳感器、壓力變送器、流量計和數據採集儀；
所述溫度傳感器和壓力變送器至少設置在被測回熱器和被測冷卻器的進出口，用於測量進出口的溫度和壓力；
所述流量計用於測量高壓低溫系統和低壓高溫系統的co2流量；
所述數據採集儀用於採集溫度傳感器、壓力變送器和流量計的數據。
一種測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的方法，應用於上述的測量裝置，包括以下步驟：
對高壓低溫系統和低壓高溫系統進行抽真空和co2充注；
高壓低溫系統和低壓高溫系統對co2進行加壓加熱後進入回熱器進行換熱；
換熱後的co2通過第一冷卻減壓單元、第二冷卻減壓單元以及冷卻器進行減壓冷卻；
採集被測回熱器和被測冷卻器進出口的溫度和壓力。
優選地，所述高壓低溫系統中對co2進行加壓加熱及減壓冷卻的過程包括：第一儲液罐內的co2經過柱塞泵加壓後，通過第一穩壓罐後進入第一中頻爐進行加熱，之後進入回熱器進行換熱，然後通過第一減壓閥對co2進行降壓，進入第一風冷冷凝器開始初步冷卻，再經過第一水冷冷凝器冷卻，最後經過第一乙二醇冷凝器冷卻，回至第一儲液罐；
所述低壓高溫系統中對co2進行加壓加熱及減壓冷卻的過程包括：第二儲液罐內的co2經過co2壓縮機加壓，通過第二穩壓罐後進入第二中頻爐進行加熱，之後進入回熱器進行換熱，然後進入第二風冷冷凝器開始初步冷卻，再經過冷卻器進行冷卻，然後通過第二減壓閥對co2進行降壓，最後經過第二乙二醇冷凝器冷卻，回至儲液罐。
一種測量超臨界co2冷卻器性能的裝置，包括沿氣體流動方向依次設置的加壓裝置、加熱裝置、減壓裝置和冷卻裝置；
被測冷卻器設置在加熱裝置和減壓裝置之間。
優選地，所述加壓裝置為壓縮機或柱塞泵；所述加熱裝置為中頻爐；所述減壓裝置為減壓閥、所述冷卻裝置為乙二醇冷凝器；和/或，
所述裝置還包括風冷冷凝器，所述風冷冷凝器設置在中頻爐和減壓閥之間，被測冷卻器設置在風冷冷凝器和減壓閥之間；和/或，
所述裝置還包括穩壓罐，用於減弱加壓裝置出口處co2波動幅度；和/或，
所述裝置還包括儲液罐和co2充注系統，所述儲液罐設置在冷卻裝置和加壓裝置之間，用於給加壓裝置提供co2並接收冷卻裝置輸入的co2；和/或，
所述裝置還包括測量裝置，用於測量系統溫度、壓力或流量。
一種測量超臨界co2冷卻器性能的方法，應用於上述的測量裝置，包括以下步驟：
對測量裝置進行抽真空和co2充注；
co2經過加壓裝置和加熱裝置進行加壓加熱後經過風冷冷凝器預冷後進入被測冷卻器進行冷卻；
利用減壓裝置和冷卻裝置對co2進一步冷卻和降壓；
採集被測冷卻器進出口的溫度和壓力。
(三)有益效果
本發明提供的測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的方法和裝置，能夠同時測量超臨界co2系統中回熱器和冷卻器性能，又可以單獨測量冷卻器的性能。
附圖說明
圖1是本發明第一實施例的測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的裝置的結構示意圖。
圖2為本發明第二實施例的測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的方法流程圖。
圖3為本發明第三實施例的測量超臨界co2冷卻器性能的裝置的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
本發明第一實施例提供一種測量超臨界co2回熱器和冷卻器性能的裝置，圖1為該測量裝置的結構示意圖，如圖1所示，裝置包括高壓低溫系統、低溫高壓系統、抽真空系統、co2充注系統、數據採集存儲系統五部分組成。
高壓低溫系統包括：第一柱塞泵，第一穩壓罐，第一中頻爐，第一減壓閥，第一風冷冷凝器，水冷冷凝器，第一乙二醇冷凝器，第一乙二醇冷水機組，和第一儲液罐。第一柱塞泵用於將co2加壓至第一壓力，第一穩壓罐用於減弱第一柱塞泵出口處co2波動幅度，第一中頻爐用於將co2加熱至第一溫度，第一減壓閥用於將co2減壓，第一風冷冷凝器，水冷冷凝器和第一乙二醇冷凝器用於冷卻co2，第一儲液罐用於收集冷卻減壓後的co2並為第一柱塞泵提供co2。低壓高溫系統包括：co2壓縮機，第二穩壓罐，第二中頻爐，第二風冷冷凝器，第二減壓閥，第二乙二醇冷凝器，第二乙二醇冷水機組，和第二儲液罐。co2壓縮機用於將co2加壓至第二壓力，co2壓縮機也可以用柱塞泵代替；第二穩壓罐用於減弱co2壓縮機出口處co2波動幅度，第二中頻爐用於將co2加熱至第二溫度，第二風冷冷凝器用於將co2預冷，第二減壓閥用於將co2減壓，第二乙二醇冷凝器用於進一步冷卻co2，第二儲液罐用於收集冷卻減壓後的co2並為co2壓縮機提供co2。
第一壓力高於第二壓力且第一溫度低於第二溫度，第一壓力的範圍為co2臨界壓力～20mpa，第二壓力的範圍為co2臨界壓力～8mpa，第一溫度的範圍為0～300℃，第二溫度的範圍為0～500℃，第二風冷冷凝器可將co2預冷至120℃，第一減壓閥和第二減壓閥可將co2減壓至4～5mpa，co2經過減壓冷卻後回到儲液罐的溫度為0～5℃。
被測回熱器包含兩個進口及兩個出口，其第一進口和第一出口分別連接第一中頻爐和第一減壓閥，被測回熱器的第二進口和第二出口分別連接第二中頻爐和第二風冷冷凝器，兩個系統中高壓低溫的co2和低溫高壓的co2在回熱器內進行換熱。
被測冷卻器設置在第二風冷冷凝器和第二減壓閥之間，冷卻器出口的co2溫度為co2臨界點附近溫度。
抽真空系統包括：第一真空泵和第二真空泵，第一真空泵連接高壓低溫系統，設置在第一乙二醇冷凝器和第一儲液罐之間，用於將該系統進行抽真空；第二真空泵連接低壓高溫系統，設置在第二乙二醇冷凝器和第二儲液罐之間，用於將該系統進行抽真空。
co2充注系統用於對第一儲液罐及第二儲液罐進行co2充注，包括第一co2充注系統和第二co2充注系統，每個co2充注系統均包含：co2氣瓶，輸送泵，過濾器，冷箱。
數據採集存儲系統包括：溫度傳感器，壓力變送器，流量計，ni數據採集儀。在高壓低溫系統和低溫高壓系統中，每個設備的進出口均布置溫度傳感器和壓力變送器，在儲液罐的出口設置流量計。所有的溫度變送器、壓力變送器、流量計均通過信號線連接至ni數據採集儀，測量時動態採集溫度、壓力、流量信號。
上述裝置均通過304不鏽鋼管道連接，管道均由保溫棉進行包裹保溫，防止熱量散失。
本發明第二實施例提供一種利用上述裝置進行超臨界co2回熱器和冷卻器性能測量的方法，圖2為該方法的流程圖，如圖2所示：
s1：對高壓低溫系統和低壓高溫系統進行抽真空和co2充注。
通過真空泵對高壓低溫系統和低壓高溫系統進行抽真空，然後對高壓低溫系統和低壓高溫系統進行co2充注。第一和第二co2充注系統中的氣瓶內的co2，通過輸送泵輸送到過濾器進行過濾，然後經過冷箱冷卻到0～5℃後，充注到第一和第二儲液罐中；s2：高壓低溫系統和低溫高壓系統對co2進行加壓加熱後進入回熱器進行換熱，然後對co2進行減壓冷卻。
子步驟s21：高壓低溫系統的co2通過第一加壓加熱裝置進行加壓加熱至第一溫度和第一壓力，然後進入回熱器進行換熱，最後通過第一減壓冷卻裝置進行減壓冷卻。
高壓低溫系統中：第一儲液罐內的co2經過第一柱塞泵加壓到20mpa後，通過第一穩壓罐後進入第一中頻爐，低溫co2在第一中頻爐被加熱到300℃，進入回熱器進行換熱，然後通過第一減壓閥將co2壓力降低至4～5mpa，進入第一風冷冷凝器開始初步冷卻，再經過第一水冷冷凝器冷卻，第一水冷冷凝器為一級水冷冷凝器，最後經過第一乙二醇冷凝器冷卻至0～5℃，乙二醇冷凝器為二級乙二醇冷凝器，回至第一儲液罐。其中，一級水冷冷凝器用常溫自來水作為冷卻介質，二級乙二醇冷凝器用乙二醇冷水機組提供的乙二醇作為冷卻介質。
子步驟s22：低溫高壓系統的co2通過第二加壓加熱裝置進行加壓加熱至第二溫度和第二壓力，第二溫度低於第一溫度，且第二壓力高於第一壓力，然後co2進入回熱器進行換熱，然後經過冷卻器進行冷卻，最後通過經過第二減壓冷卻裝置進行減壓冷卻。
低壓高溫系統中：第二儲液罐內的co2經過co2壓縮機加壓到8mpa後，通過第二穩壓罐後進入第二中頻爐，低溫co2在第二中頻爐被加熱到500℃，進入回熱器進行換熱，然後進入第二風冷冷凝器開始初步冷卻至120℃，再經過冷卻器進行冷卻至40℃左右，然後通過第二減壓閥將co2壓力降低至4～5mpa，最後經過第二乙二醇冷凝器冷卻至0～5℃，回至第二儲液罐。其中，冷卻器用常溫自來水作為冷卻介質，第二乙二醇冷凝器用乙二醇冷水機組提供的乙二醇作為冷卻介質。
s3：採集被測回熱器和冷卻器進出口的溫度和壓力。
通過ni數據採集儀採集回熱器和冷卻器進出口溫度傳感器和壓力變送器的數據，分析回熱器和冷卻器的進出口溫差和壓差，從而獲得超臨界co2回熱器和冷卻器的性能。
如僅需要測量超臨界co2冷卻器性能時，可以關閉高壓低溫迴路，執行上述步驟s1、s22和s3即可。
本發明第三實施例提供一種測量超臨界co2冷卻器性能的裝置，圖3為該測量裝置的結構示意圖，如圖3所示，裝置包括：co2壓縮機，穩壓罐，中頻爐，回熱器，風冷冷凝器，減壓閥，乙二醇冷凝器，乙二醇冷水機組、儲液罐、真空泵、co2充注系統以及數據採集存儲系統。
被測冷卻器連接在風冷冷凝器與減壓閥之間。
co2充注系統包括：co2氣瓶，輸送泵，過濾器，冷箱，冷水機組。
數據採集存儲系統包括：溫度傳感器，壓力變送器，流量計，ni數據採集儀。每個設備的出口均布置溫度傳感器和壓力變送器，在儲液罐的出口設置流量計。所有的溫度變送器、壓力變送器、流量計均通過信號線連接至ni數據採集儀，實驗時動態採集溫度、壓力、流量信號。
該冷卻器測量裝置的測量方法包括：通過真空泵對測量裝置進行抽真空，然後對其進行co2充注。co2充注系統中的氣瓶內的co2，通過輸送泵輸送到過濾器進行過濾，然後經過冷箱冷卻到0～5℃後，充注到儲液罐中；儲液罐內的co2經過co2壓縮機加壓到8mpa後，通過緩衝罐後進入中頻爐，低溫co2在中頻爐被加熱到500℃，然後進入風冷冷凝器開始初步冷卻至120℃，再經過冷卻器進行冷卻至40℃左右，然後通過減壓閥將co2壓力降低至4～5mpa，最後經過乙二醇冷凝器冷卻至0～5℃，回至儲液罐。其中，冷卻器用常溫自來水作為冷卻介質，乙二醇冷凝器用乙二醇冷水機組提供的乙二醇作為冷卻介質；通過ni數據採集儀採集回熱器和冷卻器進出口溫度傳感器和壓力變送器的數據，分析冷卻器的進出口溫差和壓差，從而獲得超臨界co2冷卻器的性能。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。