二氧化碳傳熱實驗臺的設計分析

1、引言
CO2早在20世紀初就已經作為一種制冷劑被廣泛采用。隨著科技的發展，一些人工合成制冷劑如CFCs，HCFCs走上歷史舞臺。但隨之而來的是這些人工合成制冷劑對環境帶來了嚴重后果，世界各國開始積極尋找替代物。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隱含著不可預知的潛在危險，因此極力主張采用天然物質作制冷劑，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大多為化工副產品，用它作制冷劑正好回收了本來要排向大氣的廢物的話，其GWP=0) ，同時具有無毒、無害、化學性質穩定、價格低廉、用后無需回收、單位容積制冷量大、粘度小，導熱性能好等優點，備受人們青睞。在各種以CO2為工質的熱力循環系統中，CO2換熱器都是關鍵部件之一，因此，構建穩定可靠的CO2傳熱實驗研究平臺，對于CO2換熱器的設計以及各類以CO2為工質的熱力循環系統的優化都具有重要意義。本文將詳細介紹CO2傳熱實驗臺的構建。
2、二氧化碳高壓傳熱實驗臺的構建
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CO2高壓傳熱實驗臺包括6個子系統:
(1)抽真空注液系統，由CO2氣瓶，匯流排，真空泵組成，用于對整個試驗回路進行抽真空和充注CO2工質，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，由工業冷凍機、板式換熱器、循環泵組成，用于冷卻高壓柱塞泵泵頭和維持CO2儲液罐的低溫環境及系統的背壓。冷凍系統分成兩路: 一路流經儲液罐，用于冷卻儲液罐內的CO2使之保持飽和狀態，因CO2的飽和溫度與飽和壓力相對應，通過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)循環供液系統，用于為試驗系統提供穩定的工質流動，供液系統的穩定性直接影響試驗數據的精度。循環供液系統包括以下幾個核心部分: 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經柱塞泵增壓到實驗所需值，柱塞泵出口的緩沖罐用于平衡流量和壓力的脈動。從緩沖罐流出的CO2分成
兩路: 一路經過旁路調節閥直接到背壓閥入口，與經試驗段加熱、后經室溫水預冷的CO2混合，實現直接混合冷卻，從而降低其流回儲液罐的溫度，減小冷凍機熱負荷; 另一路流經質量流量計、預熱器、主加熱實驗段、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，流量控制是通過變頻調節柱塞泵轉速和調節旁路的開度來實現的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱系統，通過直接在試驗段上施加幾百到上千安培的大電流從而在實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，通過調整電位器可實現可控硅調壓器的輸出電壓(一次側)U1的控制，再通過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，試驗段兩端通過釬焊(使用含銀30%的銅銀焊條) 焊接銅基板，并通過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，分別與兩側的管路焊接，兩個法蘭盤中間用膠木墊實現電絕緣，膠木墊中心嵌套聚四氟，并通過聚四氟乙烯與法蘭的榫槽面實現高壓密封。

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，電流和電壓通過電流電壓互感器測量，經變送器后轉換為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化設備有限公司的DMF－1－3B/DX科里奧利質量流量計(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
本文構建的實驗臺用于單相、兩相及超臨界CO2傳熱研究，實驗臺投入運行前，必須對整個裝置進行耐壓測試、系統穩定性測試、熱平衡校核等。
3．1系統耐壓測試
整個試驗裝置建設完成后，首先需要對全系統進行試壓，以確保運行安全。試壓前，用丙酮對管路進行清洗，去除管道中的污漬。在整個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。本實驗臺要進行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系統回路打壓至15 MPa，并對系統的壓力信號進行實時監控，2h后觀察到采集到的壓力信號并無衰減，可見整個試驗裝置耐壓性和密封性良好，滿足實驗要求。
3．2抽真空注液
由于不凝性氣體的存在會顯著影響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行沖真空注液: 首先對整個試驗系統抽真空，然后沖入CO2至1
MPa，保持充氣閥開度和充氣壓力恒定，并打開系統排氣閥，利用CO2對整個系統進行吹除，半小時后關閉充氣閥和排氣閥。對系統進行二次抽真空，然后再次充注、吹除，經過兩次抽真空、充注和吹除，系統內不凝性氣體被排除。開啟冷凍機，設定冷凍機的出口溫度，通過出口溫度的設定可實現儲液罐內CO2溫度和壓力的控制。
3．3系統穩定性調試
試驗過程中，需確保每個試驗工況穩定運行。試驗控制參數包括流量、入口壓力、入口溫度、加熱功率，流量通過變頻器控制柱塞泵轉速和調節旁路閥開度實現，測試段入口壓力通過背壓閥來控制; 入口溫度通過改變冷凍機組的設定溫度和預熱器的電加熱功率實現。柱塞泵為三柱塞往復增壓泵，出口流量和壓力具有脈動性，因此需要增加緩沖罐消除流量和壓力的波動。系統運行前，保持緩沖罐與系統連接管路上的閥門為關閉狀態，待系統運行穩定后，開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，關閉充氣閥，開啟緩沖罐與系統連接的閥門，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。緩沖罐對系統消除工質的波動*，如圖5所示，緩沖罐開啟前，試驗段壓差波動可達30%～40%，緩沖罐開啟后，系統整體穩定性獲得大幅提高，其壓力脈動幅度小于2%。

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

在實際的試驗系統中，考慮熱損失時，η應小于1，但在熱平衡數據校核中卻發現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重法進行了重新標定，結果如圖6 所示。

圖6 采用稱重法標定流量計結果
利用標定后的流量數據進行了熱平衡校核，仍然發現η＞1，繼而采用高速示波器(橫河DL750) 對電壓信號進行了進一步分析，當電位器調節比例分別為17%和85%時，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和無量綱傳熱系數Nu。對于間接量摩擦因子f和無量綱傳熱系數Nu，其不確定度通過誤差傳遞函數來確定。若因變量R隨著自變量
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高壓傳熱實驗臺，基于該實驗臺，可進行CO2的單相、兩相和超臨界換熱的試驗研究。文中介紹了實驗臺搭建、系統調試、誤差分析的詳細過程，解決了流量和壓力脈動問題和電壓真有效值測定導致的熱平衡問題。
該系統穩定可靠，誤差在可接受范圍之內，可進行超臨界壓力下CO2傳熱的相關實驗研究，本實驗臺的搭建和調試過程也可為其他傳熱實驗臺的建設提供參考。