二氧化碳傳熱實(shí)驗臺的設計分析

1、引言
CO2早在20世紀初就已經(jīng)作為一種制冷劑被廣泛采用。隨著(zhù)科技的發(fā)展，一些人工合成制冷劑如CFCs，HCFCs走上歷史舞臺。但隨之而來(lái)的是這些人工合成制冷劑對環(huán)境帶來(lái)了嚴重后果，世界各國開(kāi)始積極尋找替代物。美、日傾向于以HCFCS新型化合物作替代物，而歐洲一些國家則認為用新型化合物替代物同樣會(huì )隱含著(zhù)不可預知的潛在危險，因此極力主張采用天然物質(zhì)作制冷劑，包括NH3、CO2、碳氫化合物、空氣和水等。
與其他幾種制冷劑相比。CO2因其ODP=0( 臭氧破壞指數) ，GWP=1(溫室氣體效應指數，但如果考慮到所用CO2大多為化工副產(chǎn)品，用它作制冷劑正好回收了本來(lái)要排向大氣的廢物的話(huà)，其GWP=0) ，同時(shí)具有無(wú)毒、無(wú)害、化學(xué)性質(zhì)穩定、價(jià)格低廉、用后無(wú)需回收、單位容積制冷量大、粘度小，導熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，備受人們青睞。在各種以CO2為工質(zhì)的熱力循環(huán)系統中，CO2換熱器都是關(guān)鍵部件之一，因此，構建穩定可靠的CO2傳熱實(shí)驗研究平臺，對于CO2換熱器的設計以及各類(lèi)以CO2為工質(zhì)的熱力循環(huán)系統的優(yōu)化都具有重要意義。本文將詳細介紹CO2傳熱實(shí)驗臺的構建。
2、二氧化碳高壓傳熱實(shí)驗臺的構建
CO2高壓傳熱試驗裝置如圖1 所示。

圖1 CO2高壓傳熱試驗裝置
整個(gè)CO2高壓傳熱實(shí)驗臺包括6個(gè)子系統:
(1)抽真空注液系統，由CO2氣瓶，匯流排，真空泵組成，用于對整個(gè)試驗回路進(jìn)行抽真空和充注CO2工質(zhì)，zui大可能的消除回路中不凝性氣體對傳熱的影響。
(2)冷凍系統，由工業(yè)冷凍機、板式換熱器、循環(huán)泵組成，用于冷卻高壓柱塞泵泵頭和維持CO2儲液罐的低溫環(huán)境及系統的背壓。冷凍系統分成兩路: 一路流經(jīng)儲液罐，用于冷卻儲液罐內的CO2使之保持飽和狀態(tài)，因CO2的飽和溫度與飽和壓力相對應，通過(guò)控制冷卻系統的溫度(設定冷凍機的溫度) 還可以控制儲液罐內CO2的壓力，從而實(shí)現系統背壓的控制。
( 3)冷卻系統，即試驗段后的冷凝器系統，冷凝器的管內側為從試驗段流出的高溫CO2，管外側為室溫水，通過(guò)該冷凝系統可以降低流回儲液罐的CO2溫度，從而減小冷凍機的熱負荷。
(4)循環(huán)供液系統，用于為試驗系統提供穩定的工質(zhì)流動(dòng)，供液系統的穩定性直接影響試驗數據的精度。循環(huán)供液系統包括以下幾個(gè)核心部分: 儲液罐、柱塞泵、變頻器、緩沖罐、背壓閥、旁路調節閥。從儲液罐流出的液體CO2經(jīng)柱塞泵增壓到實(shí)驗所需值，柱塞泵出口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分成
兩路: 一路經(jīng)過(guò)旁路調節閥直接到背壓閥入口，與經(jīng)試驗段加熱、后經(jīng)室溫水預冷的CO2混合，實(shí)現直接混合冷卻，從而降低其流回儲液罐的溫度，減小冷凍機熱負荷; 另一路流經(jīng)質(zhì)量流量計、預熱器、主加熱實(shí)驗段、冷凝器、背壓閥后返回儲液罐。
背壓閥用于控制從泵出口到閥前的運行壓力。變頻器可以控制柱塞泵的轉速實(shí)現流量調節，但僅靠變頻器調節(5～50Hz) 可獲得的流量范圍有限，因此，在本試驗裝置中，流量控制是通過(guò)變頻調節柱塞泵轉速和調節旁路的開(kāi)度來(lái)實(shí)現的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱系統，通過(guò)直接在試驗段上施加幾百到上千安培的大電流從而在實(shí)驗段壁面上形成常熱流邊界條件。該子系統由電位器、可控硅調壓器和低壓大電流變壓器、電流互感器和電壓互感器組成。該子系統的原理如圖2 所示，可控硅調壓器輸入端為380V 單相交流電，通過(guò)調整電位器可實(shí)現可控硅調壓器的輸出電壓(一次側)U1的控制，再通過(guò)低壓大電流變壓器變壓后輸出試驗段負載電壓(二次側)U2，負載電流和電壓分別通過(guò)電流和電壓互感器測量。本試驗裝置中采用的試驗段為不銹鋼管，試驗段兩端通過(guò)釬焊(使用含銀30%的銅銀焊條) 焊接銅基板，并通過(guò)銅基板與電加熱系統連接。試驗段兩端采用絕緣法蘭連接實(shí)現與外部管路的電絕緣，法蘭的結構如圖3所示，該法蘭采用三層結構，兩側為高徑法蘭盤(pán)，分別與兩側的管路焊接，兩個(gè)法蘭盤(pán)中間用膠木墊實(shí)現電絕緣，膠木墊中心嵌套聚四氟，并通過(guò)聚四氟乙烯與法蘭的榫槽面實(shí)現高壓密封。

圖2 電加熱系統

圖3 絕緣法蘭結構示意
(6) 數據采集系統，用于試驗系統中溫度、流量、壓力、壓差和電壓電流數據的采集和計算機存儲，該子系統主要由傳感器、變送器、數據采集儀和計算機組成。如圖4 所示，流量、壓力和試驗段兩端的壓差可直接通過(guò)流量、壓力、壓差變送器測量，溫度采用T型熱電偶測量，電流和電壓通過(guò)電流電壓互感器測量，經(jīng)變送器后轉換為1－5號，zui后由數據采集儀Agilent 34970A 采集數據并傳輸給計算機作進(jìn)一步數據分析。

圖4 數據采集系統示意
本裝置中的流量測量采用首科石化自動(dòng)化設備有限公司的DMF－1－3B/DX科里奧利質(zhì)量流量計(精度為±0．2%) ; 溫度傳感器為銅－康銅T型熱電偶(精度為±0．5%) ; 壓力變送器為羅斯蒙特3051智能型壓力變送器(精度為± 0．1%) ;壓差變送器為羅斯蒙特1151系列壓差變送器(精度為±0．05%) 。
3、系統調試與試運行
本文構建的實(shí)驗臺用于單相、兩相及超臨界CO2傳熱研究，實(shí)驗臺投入運行前，必須對整個(gè)裝置進(jìn)行耐壓測試、系統穩定性測試、熱平衡校核等。
3．1系統耐壓測試
整個(gè)試驗裝置建設完成后，首先需要對全系統進(jìn)行試壓，以確保運行安全。試壓前，用丙酮對管路進(jìn)行清洗，去除管道中的污漬。在整個(gè)系統中充注去離子水，連接水壓試壓機，將試壓機設定到所需的試驗壓力。本實(shí)驗臺要進(jìn)行CO2的單相、兩相和超臨界的換熱研究，設計使用壓力范圍為4～12MPa，為確保安全，用水壓試壓機對整個(gè)系統回路打壓至15 MPa，并對系統的壓力信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，2h后觀(guān)察到采集到的壓力信號并無(wú)衰減，可見(jiàn)整個(gè)試驗裝置耐壓性和密封性良好，滿(mǎn)足實(shí)驗要求。
3．2抽真空注液
由于不凝性氣體的存在會(huì )顯著(zhù)影響CO2的換熱，必須在充注CO2之前，排除系統內的不凝性氣體。本文采用如下方法進(jìn)行沖真空注液: 首先對整個(gè)試驗系統抽真空，然后沖入CO2至1
MPa，保持充氣閥開(kāi)度和充氣壓力恒定，并打開(kāi)系統排氣閥，利用CO2對整個(gè)系統進(jìn)行吹除，半小時(shí)后關(guān)閉充氣閥和排氣閥。對系統進(jìn)行二次抽真空，然后再次充注、吹除，經(jīng)過(guò)兩次抽真空、充注和吹除，系統內不凝性氣體被排除。開(kāi)啟冷凍機，設定冷凍機的出口溫度，通過(guò)出口溫度的設定可實(shí)現儲液罐內CO2溫度和壓力的控制。
3．3系統穩定性調試
試驗過(guò)程中，需確保每個(gè)試驗工況穩定運行。試驗控制參數包括流量、入口壓力、入口溫度、加熱功率，流量通過(guò)變頻器控制柱塞泵轉速和調節旁路閥開(kāi)度實(shí)現，測試段入口壓力通過(guò)背壓閥來(lái)控制; 入口溫度通過(guò)改變冷凍機組的設定溫度和預熱器的電加熱功率實(shí)現。柱塞泵為三柱塞往復增壓泵，出口流量和壓力具有脈動(dòng)性，因此需要增加緩沖罐消除流量和壓力的波動(dòng)。系統運行前，保持緩沖罐與系統連接管路上的閥門(mén)為關(guān)閉狀態(tài)，待系統運行穩定后，開(kāi)啟充氣閥向緩沖罐內充裝氮氣，充裝壓力為系統運行壓力的40%～60%，達到充裝壓力后，關(guān)閉充氣閥，開(kāi)啟緩沖罐與系統連接的閥門(mén)，罐內氮氣被壓縮到緩沖罐的上部，通過(guò)壓縮氣體消除流量和壓力的波動(dòng)。緩沖罐對系統消除工質(zhì)的波動(dòng)*，如圖5所示，緩沖罐開(kāi)啟前，試驗段壓差波動(dòng)可達30%～40%，緩沖罐開(kāi)啟后，系統整體穩定性獲得大幅提高，其壓力脈動(dòng)幅度小于2%。

圖5 穩壓罐閥門(mén)開(kāi)啟前后壓差的變化
3．4熱平衡校核
電加熱系統產(chǎn)生的熱量大部分被試驗段內的工質(zhì)帶走，另外一小部分與環(huán)境進(jìn)行熱交換產(chǎn)生熱損失，為獲取傳熱系數的大小，必須對該裝置的熱效率進(jìn)行校核，熱效率采用式(1)計算:

在實(shí)際的試驗系統中，考慮熱損失時(shí)，η應小于1，但在熱平衡數據校核中卻發(fā)現η＞1，即出現了管內流體的焓升大于管壁加熱量的情況，這顯然違背能量守恒定律。因此對流量計采用稱(chēng)重法進(jìn)行了重新標定，結果如圖6 所示。

圖6 采用稱(chēng)重法標定流量計結果
利用標定后的流量數據進(jìn)行了熱平衡校核，仍然發(fā)現η＞1，繼而采用高速示波器(橫河DL750) 對電壓信號進(jìn)行了進(jìn)一步分析，當電位器調節比例分別為17%和85%時(shí)，可控硅調壓器對應的電壓輸出波形如圖7所示，根據波形可以推斷該調壓器采用的是相位控制調壓，該種調壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量(非標準正弦波) ，基于平均值的電壓、電流變送器無(wú)法獲取其真有效值，因此將原有的電壓、電流變送器均更換為真有效值變送器，從而使熱平衡的問(wèn)題得到解決，計算表明，本試驗裝置的熱效率在90%以上。

(a) 電位器調節比例為17%

(b) 電位器調節比例為85%
圖7 不同電位器調節比例下的電壓波形
3．5誤差分析
本試驗中直接測量參數為: 溫度、壓力、壓降、流量，對應的測量不確定度分別為±0．5%、±0．1%、±0．05%、±0．2%，試驗中需獲取的間接測量為摩擦因子f和無(wú)量綱傳熱系數Nu。對于間接量摩擦因子f和無(wú)量綱傳熱系數Nu，其不確定度通過(guò)誤差傳遞函數來(lái)確定。若因變量R隨著(zhù)自變量
變化而變化，則由式
(3) 可求得R 的不確定度:

在本文中，摩擦因子f和無(wú)量綱傳熱系數Nu的計算式為:

 

將式(4)、(5)分別代入(3)式，得出f和Nu的不確定度分別為0．28%、0．89%。

本文設計并搭建了CO2高壓傳熱實(shí)驗臺，基于該實(shí)驗臺，可進(jìn)行CO2的單相、兩相和超臨界換熱的試驗研究。文中介紹了實(shí)驗臺搭建、系統調試、誤差分析的詳細過(guò)程，解決了流量和壓力脈動(dòng)問(wèn)題和電壓真有效值測定導致的熱平衡問(wèn)題。
該系統穩定可靠，誤差在可接受范圍之內，可進(jìn)行超臨界壓力下CO2傳熱的相關(guān)實(shí)驗研究，本實(shí)驗臺的搭建和調試過(guò)程也可為其他傳熱實(shí)驗臺的建設提供參考。