水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台及方法与流程

本发明属于新型动力转换技术研究的技术领域，涉及实现超临界二氧化碳冷却器性能试验，具体而言，涉及一种水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台及方法。

背景技术：

超临界二氧化碳动力转换技术具有系统简化、效率高的技术优势，是一种具有良好应用前景的新型动力转换技术。冷却器是超临界二氧化碳动力转换系统的核心设备，该设备是基于光化学蚀刻和扩散焊接技术的新型换热器，该冷却器高低温侧分别为超临界二氧化碳和冷却介质。冷却器设计方法的可靠性和性能指标可达性，设备运行特性均需开展实验测试，但目前已有的冷却器试验装置功率规模很小，通常不具备同时开展逆流工况和顺流工况冷却器试验能力，二氧化碳回路存在被润滑油杂质或稳压器稳压气体杂质污染的可能，试验回路冷却水温度调节范围小。

有鉴于此，本发明提出了一种超临界二氧化碳-超临界二氧化碳回热器性能试验平台及方法，可覆盖高低不同功率规模需求，同时具备开展逆流工况和顺流工况冷却器试验能力，具有冷却介质进口温度宽参数范围调节能力，且二氧化碳回路无润滑油杂质或稳压器稳压气体杂质污染。

技术实现要素：

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台及方法以达到验证冷却器设计方法和性能指标可达性，获得超临界二氧化碳冷却器运行特性，可有效加快超临界二氧化碳冷却器研发进程的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台，包括冷却器实验本体，还包括第一回路系统和第二回路系统且分别设于冷却器实验本体的高温侧和低温侧，所述第一回路系统内工质为超临界二氧化碳，第二回路系统内工质为冷却介质，且第一回路系统和第二回路系统中分别设有对其介质稳压的第一稳压器和第二稳压器；还包括锅炉，所述锅炉内设有二氧化碳换热管和冷却介质换热管，且二氧化碳换热管和冷却介质换热管分别与第一回路系统和第二回路系统连通。

进一步地，所述第一回路系统包括共用串联管路，所述共用串联管路与冷却器实验本体的高温侧串联形成顺流回路或逆流回路，且顺流回路和逆流回路均与所述第一稳压器连通。

进一步地，所述共用串联管路包括依次串联的第一泵、第二调节阀和二氧化碳换热管，所述二氧化碳换热管的出口端通过第一截止阀和第三截止阀分别连接至所述冷却器实验本体的高温侧两端，第一泵的进口端通过第二截止阀和第四截止阀分别连接至所述冷却器实验本体的高温侧两端。

进一步地，所述第一泵的进口端与出口端之间设有第一调节管路且第一调节管路上设有第一调节阀。

进一步地，所述第一泵为隔膜泵驱，且第一稳压器内充入有二氧化碳。

进一步地，所述第一稳压器包括承压壳体和电加热元件，所述承压壳体内为密封腔且电加热元件伸入至该密封腔内，密封腔与所述第一泵的进口端之间连通。

进一步地，所述第二回路系统包括混合器、泵冷却器和第二泵，所述混合器、冷却器实验本体的低温侧、泵冷却器、第二泵和冷却介质换热管串联形成回路，且混合器的热侧进口和出口分别与冷却介质换热管和冷却器实验本体的低温侧连通；所述第二泵的出口端通过第四调节阀和第五调节阀分别连通至混合器的冷侧进口和冷却介质换热管。

进一步地，所述第二泵的进口端和出口端之间设有第二调节管路且第二调节管路上设有第三调节阀。

进一步地，所述第二泵的出口端连通有第二稳压器，第二稳压器内充入有稳压介质，稳压介质设为氮气或者氦气。

在本发明中还提供了一种水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验方法，该方法应用于上述的水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台，该方法包括：

(1)采用高纯二氧化碳对第一回路系统进行吹扫，检测第一回路系统内二氧化碳纯度，当二氧化碳纯度达到预定值时，向第一回路系统中持续注入二氧化碳，直至回路压力达到预定值；

(2)调节第一回路系统所在的第一稳压器，保持压力稳定；

(3)启动并调节第一回路系统，使得进入锅炉的二氧化碳流量达到预定值；

(4)调节第二回路系统所在的第二稳压器，使第二回路系统的压力达到目标值；

(5)启动并调节第二回路系统，使得进入锅炉的冷却介质流量达到预定值；

(6)启动锅炉，并调节第一回路系统中二氧化碳和第二回路系统中冷却介质的出口温度；

(7)在第二回路系统中布置混合器，调节第二回路系统中混合器的冷侧进口和热侧进口流量，使得冷却器实验本体中低温侧冷却介质的进口温度达到预定值；

(8)当主要热工参数达到控制目标时，开展相关试验。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所提供的水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台及方法，系统中应用了锅炉进行加热，采用隔离泵驱动二氧化碳流体，设置二氧化碳流动方向控制管路，设置混合器调节冷却器冷却介质进口温度，采用不同的稳压器针对不同的回路系统进行稳压调节，使其可覆盖高低不同功率规模需求，同时具备开展逆流工况和顺流工况冷却器试验能力，具有冷却介质进口温度宽参数范围调节能力，且二氧化碳回路无润滑油杂质或稳压器稳压气体杂质污染，可开展不同功率规模、不同流向工况、宽冷却介质温度范围内水-超临界二氧化碳冷却器的性能测试，验证冷却器的设计方法和性能指标可达性，对推动超临界二氧化碳布雷顿循环动力转换技术实现工程应用有重大意义。

附图说明

图1是本发明提供的水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台的整体架构示意图；

图2是本发明提供的水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台中第一稳压器的结构示意图；

图3是本发明提供的水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台中第二稳压器的结构示意图；

附图中标注如下：

1-第一泵，2-第一调节阀，3-第二调节阀，4-锅炉，5-第一稳压器，6-冷却器实验本体，7-第二泵，8-第三调节阀，9-第二稳压器，10-第四调节阀，11-第五调节阀，12-混合器，13-泵冷却器，14-第一截止阀，15-第二截止阀，16-第三截止阀，17-第四截止阀，18-承压壳体，19-电加热元件，20-进出水管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图1所示，在本实施例中提供了一种水-二氧化碳换热的高效紧凑换热器性能实验平台，以开展不同功率规模、不同流向工况、宽冷却介质温度范围内水-超临界二氧化碳冷却器的性能测试，还包括第一回路系统和第二回路系统且分别设于冷却器实验本体6的高温侧和低温侧，即将冷却器实验本体6的高温侧串接于第一回路系统所在的回路中，冷却器实验本体6的低温侧串接于第二回路系统所在的回路中。在所述第一回路系统内的工质为超临界二氧化碳，第二回路系统内的工质为冷却介质，在本实施例中，冷却介质采用为冷却水，且第一回路系统和第二回路系统中分别设有对其介质稳压的第一稳压器5和第二稳压器9，以通过第一稳压器5对第一回路系统所在的回路中二氧化碳进行稳压，以通过第二稳压器9对第二回路系统所在的回路中冷却介质进行稳压。在对冷却器实验本体6进行性能实验中需要对工质进行加热，还包括锅炉4，所述锅炉4内设有二氧化碳换热管和冷却介质换热管，且二氧化碳换热管和冷却介质换热管分别与第一回路系统和第二回路系统连通，通过锅炉4同时为其内部的二氧化碳换热管和冷却介质换热管进行加热，进而对二氧化碳和冷却水进行加热。在本实施例中，所述锅炉4包括燃烧室，所述燃烧室内布置有二氧化碳换热管和冷却介质换热管，且燃烧室内采用液化气加热，由于采用液化气进行加热，以能够对二氧化碳换热管和冷却介质换热管进行更大的加热功率。

在上述中所述第一回路系统包括共用串联管路，所述共用串联管路与冷却器实验本体的高温侧串联形成顺流回路或逆流回路，即通过第一回路系统中各个截止阀的启闭配合实现切换成顺流回路或逆流回路，以通过顺流回路和逆流回路之间的切换对冷却器实验本体进行顺流工况试验和逆流工况试验。在顺流回路和逆流回路中均与所述第一稳压器5连通，以实现无论在顺流工况试验中，还是在逆流工况试验中，第一稳压器5能够对顺流回路和逆流回路中的二氧化碳进行稳压，以确保试验的顺利进行。所述共用串联管路包括依次串联的第一泵1、第二调节阀3和二氧化碳换热管，所述二氧化碳换热管的出口端通过第一截止阀14和第三截止阀16分别连接至所述冷却器实验本体的高温侧两端，第一泵1的进口端通过第二截止阀15和第四截止阀17分别连接至所述冷却器实验本体6的高温侧两端。在所述第一泵1的进口端与出口端之间设有第一调节管路且第一调节管路上设有第一调节阀2，通过第一调节阀2以调控第一回路系统中的流量大小。在实施应用过程中，所述第一泵为隔膜泵驱，且第一稳压器内仅充入有二氧化碳，采用隔膜泵驱解决了常规柱塞泵长期运行后润滑油杂质，且在第一稳压器5仅充入有二氧化碳，避免氮气进入第一回路系统污染二氧化碳气体的问题。

在实际应用过程中，在上述的第一回路系统中设置有第一截止阀14、第二截止阀15、第三截止阀16以及第四截止阀17，通过上述四台截止阀的配合可实现顺流工况和逆流工况冷却器实验。其中，当第一截止阀14和第二截止阀15关闭，且第三截止阀16和第四截止阀17开启时，冷却器实验本体可进行逆流工况实验，即冷却器实验本体中高温侧与低温侧内的流体流动方向相反；当第一截止阀14和第二截止阀15开启，且第三截止阀16和第四截止阀17关闭时，冷却器实验本体进行顺流工况实验，即冷却器实验本体中高温侧与低温侧内的流体流动方向相同。通过四台截止阀的配合对第一回路系统的结构转换，第一回路系统内二氧化碳可从冷却器实验本体中高温侧的左侧流进右侧流出(即逆流工况)，也从冷却器实验本体中高温侧的右侧流进左侧流出(即顺流工况)，即该实验平台可开展顺流形式和逆流形式高效紧凑换热器性能实验。

为实现对第一回路系统所在回路中二氧化碳进行稳压，如图2所示，采用如下方式设计：第一稳压器5包括承压壳体11和电加热元件13，所述承压壳体11内为密封腔且电加热元件13伸入至该密封腔内，电加热元件13用于加热位于密封腔内的超临界二氧化碳，以通过对超临界二氧化碳进行加热产生的作用进行稳压。

在上述中所述第二回路系统包括混合器12、泵冷却器13和第二泵7，混合器12上设有热侧进口、冷侧进口以及出口，所述混合器12、冷却器实验本体6的低温侧、泵冷却器13、第二泵7和冷却介质换热管串联形成回路，且混合器12的热侧进口和出口分别与冷却介质换热管和冷却器实验本体6的低温侧连通；所述第二泵7的出口端通过第四调节阀10和第五调节阀11分别连通至混合器12的冷侧进口和冷却介质换热管，通过第四调节阀10和第五调节阀11调节混合器中冷侧进口和热侧进口的流量，进而调节混合器13的出口温度，以实现对冷却器实验本体6的低温侧进口处冷却水的温度调节。在实际应用过程中，以冷却水作为冷却介质，并在所述第二泵7的进口端和出口端之间设有第二调节管路且第二调节管路上设有第三调节阀8，以通过第三调节阀8调控第二回路系统中的流量大小。

如图3所示，为实现能够对第二回路系统所在回路中冷却水的所述第二稳压器9也包括承压壳体，所述承压壳体的底部设有进出水管20，且承压壳体内充入有稳压介质，在实际的应用过程中，所述稳压介质设为氮气或者氦气，通过所充入的氮气或者氦气压力，以对第二回路系统所在回路中冷却水的压力进行调节。

实施例2

在实施例1的基础上，为实现能够开展不同功率规模、不同流向工况、宽冷却介质温度范围内水-超临界二氧化碳冷却器的性能测试，超临界二氧化碳冷却器实验本体6的性能测试，采用如下方法进行实验，具体包括如下步骤：

(1)采用高纯二氧化碳对第一回路系统所在回路进行吹扫，并采用微量气体浓度检测仪检测第一回路系统内二氧化碳纯度，当二氧化碳纯度达到预定值(如99.95％)时，向第一回路系统所在回路中持续注入二氧化碳，直至该回路的压力达到预定值；

(2)调节第一回路系统所在的第一稳压器5，保持压力稳定；具体为：调节电加热元件19加热功率，以保证第一回路系统所在回路中二氧化碳的压力稳定；

(3)在第一回路系统的回路中串接有第一泵1和第二调节阀3，且第一泵1的进口端和出口端之间连通有第一调节阀2，启动第一泵1达到预定工作频率，并通过第一调节阀2和第二调节阀3对第一回路系统中二氧化碳流量进行调节，使得进入锅炉4的二氧化碳流量达到预定值；

a)若需对冷却器实验本体进行逆流工况实验(即冷却器实验本体中高温侧与低温侧内的流体流动方向相反)，将第一截止阀14和第二截止阀15关闭，且第三截止阀16和第四截止阀17开启；

b)若需对冷却器实验本体进行顺流工况实验(即冷却器实验本体中高温侧与低温侧内的流体流动方向相同)，将第一截止阀14和第二截止阀15开启，且第三截止阀16和第四截止阀17关闭；

(4)调节第二回路系统所在的第二稳压器9，使第二回路系统的压力达到目标值；具体为：向第二稳压器9内注入氦气或氮气，在氦气或氮气的压力作用下使第二回路系统所在回路的压力达到目标值；

(5)在第二回路系统的回路中串接有第二泵7，且第二泵7的进口端和出口端之间连通有第三调节阀8，启动第二泵7达到预定工作频率，通过第三调节阀8对第二回路系统所在回路中冷却介质流量进行调节，使得进入锅炉4的冷却介质流量达到预定值；

(6)启动锅炉4并采用液化气加热，调节锅炉4以控制第一回路系统中二氧化碳和第二回路系统中冷却介质的出口温度；

(7)进一步调节第四调节阀10和第五调节阀11，使得冷却器实验本体6在低温侧的冷却水进口温度达到实验预定值；

(8)当主要热工参数达到控制目标时，开展相关试验。

采用本实验方法可开展不同功率规模、不同流向工况、宽冷却介质温度范围内水-超临界二氧化碳回热器性能测试，运行在二氧化碳临界点以上。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。