1、引言
CO2早在20世紀(jì)初就已經(jīng)作為一種制冷劑被廣泛采用。隨著科技的發(fā)展，一些人工合成制冷劑如CFCs，HCFCs走上歷史舞臺(tái)。但隨之而來(lái)的是這些人工合成制冷劑對(duì)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重后果，世界各國(guó)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(guó)家則認(rèn)為用新型化合物替代物同樣會(huì)隱含著不可預(yù)知的潛在危險(xiǎn)，因此極力主張采用天然物質(zhì)作制冷劑，包括NH3、CO2、碳?xì)浠衔铩⒖諝夂退取?br />與其他幾種制冷劑相比。CO2因其ODP=0( 臭氧破壞指數(shù)) ，GWP=1(溫室氣體效應(yīng)指數(shù)，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，其GWP=0) ，同時(shí)具有無(wú)毒、無(wú)害、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(dǎo)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(tǒng)中，CO2換熱器都是關(guān)鍵部件之一，因此，構(gòu)建穩(wěn)定可靠的CO2傳熱實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，對(duì)于CO2換熱器的設(shè)計(jì)以及各類以CO2為工質(zhì)的熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化都具有重要意義。本文將詳細(xì)介紹CO2傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建。
2、二氧化碳高壓傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建
CO2高壓傳熱試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 CO2高壓傳熱試驗(yàn)裝置
整個(gè)CO2高壓傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括6個(gè)子系統(tǒng):
(1)抽真空注液系統(tǒng)，由CO2氣瓶，匯流排，真空泵組成，用于對(duì)整個(gè)試驗(yàn)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(duì)傳熱的影響。
(2)冷凍系統(tǒng)，由工業(yè)冷凍機(jī)、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(chǔ)液罐的低溫環(huán)境及系統(tǒng)的背壓。冷凍系統(tǒng)分成兩路: 一路流經(jīng)儲(chǔ)液罐，用于冷卻儲(chǔ)液罐內(nèi)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(duì)應(yīng)，通過(guò)控制冷卻系統(tǒng)的溫度(設(shè)定冷凍機(jī)的溫度) 還可以控制儲(chǔ)液罐內(nèi)CO2的壓力，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)背壓的控制。
( 3)冷卻系統(tǒng)，即試驗(yàn)段后的冷凝器系統(tǒng)，冷凝器的管內(nèi)側(cè)為從試驗(yàn)段流出的高溫CO2，管外側(cè)為室溫水，通過(guò)該冷凝系統(tǒng)可以降低流回儲(chǔ)液罐的CO2溫度，從而減小冷凍機(jī)的熱負(fù)荷。
(4)循環(huán)供液系統(tǒng)，用于為試驗(yàn)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工質(zhì)流動(dòng)，供液系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。循環(huán)供液系統(tǒng)包括以下幾個(gè)核心部分: 儲(chǔ)液罐、柱塞泵、變頻器、緩沖罐、背壓閥、旁路調(diào)節(jié)閥。從儲(chǔ)液罐流出的液體CO2經(jīng)柱塞泵增壓到實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)閥直接到背壓閥入口，與經(jīng)試驗(yàn)段加熱、后經(jīng)室溫水預(yù)冷的CO2混合，實(shí)現(xiàn)直接混合冷卻，從而降低其流回儲(chǔ)液罐的溫度，減小冷凍機(jī)熱負(fù)荷; 另一路流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱器、主加熱實(shí)驗(yàn)段、冷凝器、背壓閥后返回儲(chǔ)液罐。
背壓閥用于控制從泵出口到閥前的運(yùn)行壓力。變頻器可以控制柱塞泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，但僅靠變頻器調(diào)節(jié)(5～50Hz) 可獲得的流量范圍有限，因此，在本試驗(yàn)裝置中，流量控制是通過(guò)變頻調(diào)節(jié)柱塞泵轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)旁路的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
(5)30kW低壓大電流直接電加熱系統(tǒng)，通過(guò)直接在試驗(yàn)段上施加幾百到上千安培的大電流從而在實(shí)驗(yàn)段壁面上形成常熱流邊界條件。該子系統(tǒng)由電位器、可控硅調(diào)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(tǒng)的原理如圖2 所示，可控硅調(diào)壓器輸入端為380V 單相交流電，通過(guò)調(diào)整電位器可實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)壓器的輸出電壓(一次側(cè))U1的控制，再通過(guò)低壓大電流變壓器變壓后輸出試驗(yàn)段負(fù)載電壓(二次側(cè))U2，負(fù)載電流和電壓分別通過(guò)電流和電壓互感器測(cè)量。本試驗(yàn)裝置中采用的試驗(yàn)段為不銹鋼管，試驗(yàn)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(tǒng)連接。試驗(yàn)段兩端采用絕緣法蘭連接實(shí)現(xiàn)與外部管路的電絕緣，法蘭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該法蘭采用三層結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為高徑法蘭盤，分別與兩側(cè)的管路焊接，兩個(gè)法蘭盤中間用膠木墊實(shí)現(xiàn)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(xiàn)高壓密封。

圖2 電加熱系統(tǒng)

圖3 絕緣法蘭結(jié)構(gòu)示意
(6) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于試驗(yàn)系統(tǒng)中溫度、流量、壓力、壓差和電壓電流數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，該子系統(tǒng)主要由傳感器、變送器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)組成。如圖4 所示，流量、壓力和試驗(yàn)段兩端的壓差可直接通過(guò)流量、壓力、壓差變送器測(cè)量，溫度采用T型熱電偶測(cè)量，電流和電壓通過(guò)電流電壓互感器測(cè)量，經(jīng)變送器后轉(zhuǎn)換為1－5號(hào)，zui后由數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A 采集數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意
本裝置中的流量測(cè)量采用首科石化自動(dòng)化設(shè)備有限公司的DMF－1－3B/DX科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(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(tǒng)調(diào)試與試運(yùn)行
本文構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于單相、兩相及超臨界CO2傳熱研究，實(shí)驗(yàn)臺(tái)投入運(yùn)行前，必須對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行耐壓測(cè)試、系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試、熱平衡校核等。
3．1系統(tǒng)耐壓測(cè)試
整個(gè)試驗(yàn)裝置建設(shè)完成后，首先需要對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行試壓，以確保運(yùn)行安全。試壓前，用丙酮對(duì)管路進(jìn)行清洗，去除管道中的污漬。在整個(gè)系統(tǒng)中充注去離子水，連接水壓試壓機(jī)，將試壓機(jī)設(shè)定到所需的試驗(yàn)壓力。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)要進(jìn)行CO2的單相、兩相和超臨界的換熱研究，設(shè)計(jì)使用壓力范圍為4～12MPa，為確保安全，用水壓試壓機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)回路打壓至15 MPa，并對(duì)系統(tǒng)的壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，2h后觀察到采集到的壓力信號(hào)并無(wú)衰減，可見(jiàn)整個(gè)試驗(yàn)裝置耐壓性和密封性良好，滿足實(shí)驗(yàn)要求。
3．2抽真空注液
由于不凝性氣體的存在會(huì)顯著影響CO2的換熱，必須在充注CO2之前，排除系統(tǒng)內(nèi)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(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)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(tǒng)排氣閥，利用CO2對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行吹除，半小時(shí)后關(guān)閉充氣閥和排氣閥。對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)不凝性氣體被排除。開啟冷凍機(jī)，設(shè)定冷凍機(jī)的出口溫度，通過(guò)出口溫度的設(shè)定可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液罐內(nèi)CO2溫度和壓力的控制。
3．3系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)試
試驗(yàn)過(guò)程中，需確保每個(gè)試驗(yàn)工況穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)控制參數(shù)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(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)旁路閥開度實(shí)現(xiàn)，測(cè)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(jī)組的設(shè)定溫度和預(yù)熱器的電加熱功率實(shí)現(xiàn)。柱塞泵為三柱塞往復(fù)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(tǒng)運(yùn)行前，保持緩沖罐與系統(tǒng)連接管路上的閥門為關(guān)閉狀態(tài)，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，開啟充氣閥向緩沖罐內(nèi)充裝氮?dú)?，充裝壓力為系統(tǒng)運(yùn)行壓力的40%～60%，達(dá)到充裝壓力后，關(guān)閉充氣閥，開啟緩沖罐與系統(tǒng)連接的閥門，罐內(nèi)氮?dú)獗粔嚎s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(duì)系統(tǒng)消除工質(zhì)的波動(dòng)*，如圖5所示，緩沖罐開啟前，試驗(yàn)段壓差波動(dòng)可達(dá)30%～40%，緩沖罐開啟后，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性獲得大幅提高，其壓力脈動(dòng)幅度小于2%。

圖5 穩(wěn)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(tǒng)產(chǎn)生的熱量大部分被試驗(yàn)段內(nèi)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(shù)的大小，必須對(duì)該裝置的熱效率進(jìn)行校核，熱效率采用式(1)計(jì)算:

在實(shí)際的試驗(yàn)系統(tǒng)中，考慮熱損失時(shí)，η應(yīng)小于1，但在熱平衡數(shù)據(jù)校核中卻發(fā)現(xiàn)η＞1，即出現(xiàn)了管內(nèi)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(duì)流量計(jì)采用稱重法進(jìn)行了重新標(biāo)定，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 采用稱重法標(biāo)定流量計(jì)結(jié)果
利用標(biāo)定后的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了熱平衡校核，仍然發(fā)現(xiàn)η＞1，繼而采用高速示波器(橫河DL750) 對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行了進(jìn)一步分析，當(dāng)電位器調(diào)節(jié)比例分別為17%和85%時(shí)，可控硅調(diào)壓器對(duì)應(yīng)的電壓輸出波形如圖7所示，根據(jù)波形可以推斷該調(diào)壓器采用的是相位控制調(diào)壓，該種調(diào)壓電路輸出電壓包含較多的諧波分量(非標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算表明，本試驗(yàn)裝置的熱效率在90%以上。

(a) 電位器調(diào)節(jié)比例為17%

(b) 電位器調(diào)節(jié)比例為85%
圖7 不同電位器調(diào)節(jié)比例下的電壓波形
3．5誤差分析
本試驗(yàn)中直接測(cè)量參數(shù)為: 溫度、壓力、壓降、流量，對(duì)應(yīng)的測(cè)量不確定度分別為±0．5%、±0．1%、±0．05%、±0．2%，試驗(yàn)中需獲取的間接測(cè)量為摩擦因子f和無(wú)量綱傳熱系數(shù)Nu。對(duì)于間接量摩擦因子f和無(wú)量綱傳熱系數(shù)Nu，其不確定度通過(guò)誤差傳遞函數(shù)來(lái)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(wú)量綱傳熱系數(shù)Nu的計(jì)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(shè)計(jì)并搭建了CO2高壓傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于該實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可進(jìn)行CO2的單相、兩相和超臨界換熱的試驗(yàn)研究。文中介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建、系統(tǒng)調(diào)試、誤差分析的詳細(xì)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(cè)定導(dǎo)致的熱平衡問(wèn)題。
該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，誤差在可接受范圍之內(nèi)，可進(jìn)行超臨界壓力下CO2傳熱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建和調(diào)試過(guò)程也可為其他傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)提供參考。