二氧化碳传热实验台的设计分析

1、引言
CO2早在20世纪初就已经作为一种制冷剂被广泛采用。随着科技的发展，一些人工合成制冷剂如CFCs，HCFCs走上历史舞台。但随之而来的是这些人工合成制冷剂对环境带来了严重后果，世界各国开始积极寻找替代物。美、日倾向于以HCFCS新型化合物作替代物，而欧洲一些国家则认为用新型化合物替代物同样会隐含着不可预知的潜在危险，因此极力主张采用天然物质作制冷剂，包括NH3、CO2、碳氢化合物、空气和水等。
与其他几种制冷剂相比。CO2因其ODP=0( 臭氧破坏指数) ，GWP=1(温室气体效应指数，但如果考虑到所用CO2大多为化工副产品，用它作制冷剂正好回收了本来要排向大气的废物的话，其GWP=0) ，同时具有无毒、无害、化学性质稳定、价格低廉、用后无需回收、单位容积制冷量大、粘度小，导热性能好等优点，备受人们青睐。在各种以CO2为工质的热力循环系统中，CO2换热器都是关键部件之一，因此，构建稳定可靠的CO2传热实验研究平台，对于CO2换热器的设计以及各类以CO2为工质的热力循环系统的优化都具有重要意义。本文将详细介绍CO2传热实验台的构建。
2、二氧化碳高压传热实验台的构建
CO2高压传热试验装置如图1 所示。

图1 CO2高压传热试验装置
整个CO2高压传热实验台包括6个子系统:
(1)抽真空注液系统，由CO2气瓶，汇流排，真空泵组成，用于对整个试验回路进行抽真空和充注CO2工质，zui大可能的消除回路中不凝性气体对传热的影响。
(2)冷冻系统，由工业冷冻机、板式换热器、循环泵组成，用于冷却高压柱塞泵泵头和维持CO2储液罐的低温环境及系统的背压。冷冻系统分成两路: 一路流经储液罐，用于冷却储液罐内的CO2使之保持饱和状态，因CO2的饱和温度与饱和压力相对应，通过控制冷却系统的温度(设定冷冻机的温度) 还可以控制储液罐内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，冷凝器的管内侧为从试验段流出的高温CO2，管外侧为室温水，通过该冷凝系统可以降低流回储液罐的CO2温度，从而减小冷冻机的热负荷。
(4)循环供液系统，用于为试验系统提供稳定的工质流动，供液系统的稳定性直接影响试验数据的精度。循环供液系统包括以下几个核心部分: 储液罐、柱塞泵、变频器、缓冲罐、背压阀、旁路调节阀。从储液罐流出的液体CO2经柱塞泵增压到实验所需值，柱塞泵出口的缓冲罐用于平衡流量和压力的脉动。从缓冲罐流出的CO2分成
两路: 一路经过旁路调节阀直接到背压阀入口，与经试验段加热、后经室温水预冷的CO2混合，实现直接混合冷却，从而降低其流回储液罐的温度，减小冷冻机热负荷; 另一路流经质量流量计、预热器、主加热实验段、冷凝器、背压阀后返回储液罐。
背压阀用于控制从泵出口到阀前的运行压力。变频器可以控制柱塞泵的转速实现流量调节，但仅靠变频器调节(5～50Hz) 可获得的流量范围有限，因此，在本试验装置中，流量控制是通过变频调节柱塞泵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，通过直接在试验段上施加几百到上千安培的大电流从而在实验段壁面上形成常热流边界条件。该子系统由电位器、可控硅调压器和低压大电流变压器、电流互感器和电压互感器组成。该子系统的原理如图2 所示，可控硅调压器输入端为380V 单相交流电，通过调整电位器可实现可控硅调压器的输出电压(一次侧)U1的控制，再通过低压大电流变压器变压后输出试验段负载电压(二次侧)U2，负载电流和电压分别通过电流和电压互感器测量。本试验装置中采用的试验段为不锈钢管，试验段两端通过钎焊(使用含银30%的铜银焊条) 焊接铜基板，并通过铜基板与电加热系统连接。试验段两端采用绝缘法兰连接实现与外部管路的电绝缘，法兰的结构如图3所示，该法兰采用三层结构，两侧为高径法兰盘，分别与两侧的管路焊接，两个法兰盘中间用胶木垫实现电绝缘，胶木垫中心嵌套聚四氟，并通过聚四氟乙烯与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
(6) 数据采集系统，用于试验系统中温度、流量、压力、压差和电压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、数据采集仪和计算机组成。如图4 所示，流量、压力和试验段两端的压差可直接通过流量、压力、压差变送器测量，温度采用T型热电偶测量，电流和电压通过电流电压互感器测量，经变送器后转换为1－5号，zui后由数据采集仪Agilent 34970A 采集数据并传输给计算机作进一步数据分析。

图4 数据采集系统示意
本装置中的流量测量采用首科石化自动化设备有限公司的DMF－1－3B/DX科里奥利质量流量计(精度为±0．2%) ; 温度传感器为铜－康铜T型热电偶(精度为±0．5%) ; 压力变送器为罗斯蒙特3051智能型压力变送器(精度为± 0．1%) ;压差变送器为罗斯蒙特1151系列压差变送器(精度为±0．05%) 。
3、系统调试与试运行
本文构建的实验台用于单相、两相及超临界CO2传热研究，实验台投入运行前，必须对整个装置进行耐压测试、系统稳定性测试、热平衡校核等。
3．1系统耐压测试
整个试验装置建设完成后，首先需要对全系统进行试压，以确保运行安全。试压前，用丙酮对管路进行清洗，去除管道中的污渍。在整个系统中充注去离子水，连接水压试压机，将试压机设定到所需的试验压力。本实验台要进行CO2的单相、两相和超临界的换热研究，设计使用压力范围为4～12MPa，为确保安全，用水压试压机对整个系统回路打压至15 MPa，并对系统的压力信号进行实时监控，2h后观察到采集到的压力信号并无衰减，可见整个试验装置耐压性和密封性良好，满足实验要求。
3．2抽真空注液
由于不凝性气体的存在会显著影响CO2的换热，必须在充注CO2之前，排除系统内的不凝性气体。本文采用如下方法进行冲真空注液: 首先对整个试验系统抽真空，然后冲入CO2至1
MPa，保持充气阀开度和充气压力恒定，并打开系统排气阀，利用CO2对整个系统进行吹除，半小时后关闭充气阀和排气阀。对系统进行二次抽真空，然后再次充注、吹除，经过两次抽真空、充注和吹除，系统内不凝性气体被排除。开启冷冻机，设定冷冻机的出口温度，通过出口温度的设定可实现储液罐内CO2温度和压力的控制。
3．3系统稳定性调试
试验过程中，需确保每个试验工况稳定运行。试验控制参数包括流量、入口压力、入口温度、加热功率，流量通过变频器控制柱塞泵转速和调节旁路阀开度实现，测试段入口压力通过背压阀来控制; 入口温度通过改变冷冻机组的设定温度和预热器的电加热功率实现。柱塞泵为三柱塞往复增压泵，出口流量和压力具有脉动性，因此需要增加缓冲罐消除流量和压力的波动。系统运行前，保持缓冲罐与系统连接管路上的阀门为关闭状态，待系统运行稳定后，开启充气阀向缓冲罐内充装氮气，充装压力为系统运行压力的40%～60%，达到充装压力后，关闭充气阀，开启缓冲罐与系统连接的阀门，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。缓冲罐对系统消除工质的波动*，如图5所示，缓冲罐开启前，试验段压差波动可达30%～40%，缓冲罐开启后，系统整体稳定性获得大幅提高，其压力脉动幅度小于2%。

图5 稳压罐阀门开启前后压差的变化
3．4热平衡校核
电加热系统产生的热量大部分被试验段内的工质带走，另外一小部分与环境进行热交换产生热损失，为获取传热系数的大小，必须对该装置的热效率进行校核，热效率采用式(1)计算:

在实际的试验系统中，考虑热损失时，η应小于1，但在热平衡数据校核中却发现η＞1，即出现了管内流体的焓升大于管壁加热量的情况，这显然违背能量守恒定律。因此对流量计采用称重法进行了重新标定，结果如图6 所示。

图6 采用称重法标定流量计结果
利用标定后的流量数据进行了热平衡校核，仍然发现η＞1，继而采用高速示波器(横河DL750) 对电压信号进行了进一步分析，当电位器调节比例分别为17%和85%时，可控硅调压器对应的电压输出波形如图7所示，根据波形可以推断该调压器采用的是相位控制调压，该种调压电路输出电压包含较多的谐波分量(非标准正弦波) ，基于平均值的电压、电流变送器无法获取其真有效值，因此将原有的电压、电流变送器均更换为真有效值变送器，从而使热平衡的问题得到解决，计算表明，本试验装置的热效率在90%以上。

(a) 电位器调节比例为17%

(b) 电位器调节比例为85%
图7 不同电位器调节比例下的电压波形
3．5误差分析
本试验中直接测量参数为: 温度、压力、压降、流量，对应的测量不确定度分别为±0．5%、±0．1%、±0．05%、±0．2%，试验中需获取的间接测量为摩擦因子f和无量纲传热系数Nu。对于间接量摩擦因子f和无量纲传热系数Nu，其不确定度通过误差传递函数来确定。若因变量R随着自变量
变化而变化，则由式
(3) 可求得R 的不确定度:

在本文中，摩擦因子f和无量纲传热系数Nu的计算式为:

 

将式(4)、(5)分别代入(3)式，得出f和Nu的不确定度分别为0．28%、0．89%。

本文设计并搭建了CO2高压传热实验台，基于该实验台，可进行CO2的单相、两相和超临界换热的试验研究。文中介绍了实验台搭建、系统调试、误差分析的详细过程，解决了流量和压力脉动问题和电压真有效值测定导致的热平衡问题。
该系统稳定可靠，误差在可接受范围之内，可进行超临界压力下CO2传热的相关实验研究，本实验台的搭建和调试过程也可为其他传热实验台的建设提供参考。