CN107314567A - 一种测量超临界co2回热器和冷却器性能的装置和方法 - Google Patents

一种测量超临界co2回热器和冷却器性能的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法和装置，包括高压低温***和低压高温***，两个***对CO2进行加压加热后得到高压低温CO2和低压高温CO2，进入被测回热器进行换热，高压低温***的CO2经回热器换热后进行减压冷却回收入储液罐，低压高温***的CO2经回热器换热后经过被测冷却器进行冷却，而后减压冷却回收入储液罐。该装置能够同时测量超临界CO2***中回热器和冷却器性能，又可以单独测量回热器或冷却器性能。

Description

一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置和方法，可以用于研究超临界CO2在回热器和冷却器内的流动与换热特性。
背景技术
超临界CO2布雷顿循环***结构简单，效率远高于其他循环***，因而具有广阔的应用前景。循环过程中，透平出口的超临界CO2仍具有很高温度，通过回热器将其与低温侧的超临界CO2进行换热，可显著提高整个***的循环效率。另外，由于临界点附近CO2具有良好的可压缩性和较大的比热容，压缩机耗功明显降低且具有良好的换热性能，因此需要冷却器将透平入口处的CO2冷却至临界点附近温度。
目前，针对超临界CO2布雷顿循环***回热器和冷却器方面，已经展开了大量的理论研究，但还缺少对超临界CO2回热器和冷却器性能进行研究的装置和方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法和装置，以期解决上述问题。
(二)技术方案
一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置，包括高压低温***和低压高温***；
所述高压低温***包括第一加压加热单元和第一冷却减压单元，第一加压加热单元出口连接被测回热器第一进口，被测回热器第一出口连接第一冷却减压单元进口；
所述低压高温***包括第二加压加热单元和第二冷却减压单元，第二加压加热单元出口连接被测回热器第二进口，被测冷却器设置在被测回热器第二出口和第二冷却减压单元进口之间。
优选地，所述第一加压加热单元用于将CO2加压并加热至第一压力和第一温度，所述第二加压加热单元用于将CO2加压并加热至第二压力和第二温度，第二温度低于第一温度，且第二压力高于第一压力，所述第一冷却减压单元和第二冷却减压单元用于将CO2减压并冷却。
优选地，所述第二加压加热单元包括依次设置的压缩机或柱塞泵、第二稳压罐和第二中频炉，所述第二加压加热单元出口为第二中频炉出口；
所述第二冷却减压单元包括依次设置的第二风冷冷凝器、第二减压阀和第二乙二醇冷凝器，第二冷却减压单元进口为第二风冷冷凝器进口；
被测冷却器设置在第二风冷冷凝器出口和第二减压阀进口之间。
优选地，所述第一加压加热单元包括依次连接的柱塞泵、第一稳压罐和第一中频炉，所述第一加压加热单元出口为第一中频炉出口；
所述第一冷却减压单元包括依次连接的第一减压阀、第一风冷冷凝器、水冷冷凝器和第一乙二醇冷凝器，所述第一冷却减压单元进口为第一减压阀进口。
优选地，所述高压低温***还包括第一储液罐，所述第一储液罐两端分别连接第一加压加热单元和第一冷却减压单元；所述低压高温***还包括第二储液罐，所述第二储液罐两端分别连接第二加压加热单元和第二冷却减压单元；和/或，
所述测量装置还包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵用于对高压低温***进行抽真空，所述第二真空泵用于对低压高温***进行抽真空；
优选地，还包括第一CO2充注***和第二CO2充注***，所述第一CO2充注***用于将CO2充注到第一储液罐中，所述第二CO2充注***用于将CO2充注到第二储液罐中；
所述第一CO2充注***和第二CO2充注***均包括气瓶、输送泵、过滤器和冷箱；所述气瓶内的CO2通过输送泵送到过滤器进行过滤，然后经过冷箱冷却后，充注到所述第一储液罐或第二储液罐中。
优选地，还包括数据采集存储***，所述数据采集存储***包括温度传感器、压力变送器、流量计和数据采集仪；
所述温度传感器和压力变送器至少设置在被测回热器和被测冷却器的进出口，用于测量进出口的温度和压力；
所述流量计用于测量高压低温***和低压高温***的CO2流量；
所述数据采集仪用于采集温度传感器、压力变送器和流量计的数据。
一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法，应用于上述的测量装置，包括以下步骤：
对高压低温***和低压高温***进行抽真空和CO2充注；
高压低温***和低压高温***对CO2进行加压加热后进入回热器进行换热；
换热后的CO2通过第一冷却减压单元、第二冷却减压单元以及冷却器进行减压冷却；
采集被测回热器和被测冷却器进出口的温度和压力。
优选地，所述高压低温***中对CO2进行加压加热及减压冷却的过程包括：第一储液罐内的CO2经过柱塞泵加压后，通过第一稳压罐后进入第一中频炉进行加热，之后进入回热器进行换热，然后通过第一减压阀对CO2进行降压，进入第一风冷冷凝器开始初步冷却，再经过第一水冷冷凝器冷却，最后经过第一乙二醇冷凝器冷却，回至第一储液罐；
所述低压高温***中对CO2进行加压加热及减压冷却的过程包括：第二储液罐内的CO2经过CO2压缩机加压，通过第二稳压罐后进入第二中频炉进行加热，之后进入回热器进行换热，然后进入第二风冷冷凝器开始初步冷却，再经过冷却器进行冷却，然后通过第二减压阀对CO2进行降压，最后经过第二乙二醇冷凝器冷却，回至储液罐。
一种测量超临界CO2冷却器性能的装置，包括沿气体流动方向依次设置的加压装置、加热装置、减压装置和冷却装置；
被测冷却器设置在加热装置和减压装置之间。
优选地，所述加压装置为压缩机或柱塞泵；所述加热装置为中频炉；所述减压装置为减压阀、所述冷却装置为乙二醇冷凝器；和/或，
所述装置还包括风冷冷凝器，所述风冷冷凝器设置在中频炉和减压阀之间，被测冷却器设置在风冷冷凝器和减压阀之间；和/或，
所述装置还包括稳压罐，用于减弱加压装置出口处CO2波动幅度；和/或，
所述装置还包括储液罐和CO2充注***，所述储液罐设置在冷却装置和加压装置之间，用于给加压装置提供CO2并接收冷却装置输入的CO2；和/或，
所述装置还包括测量装置，用于测量***温度、压力或流量。
一种测量超临界CO2冷却器性能的方法，应用于上述的测量装置，包括以下步骤：
对测量装置进行抽真空和CO2充注；
CO2经过加压装置和加热装置进行加压加热后经过风冷冷凝器预冷后进入被测冷却器进行冷却；
利用减压装置和冷却装置对CO2进一步冷却和降压；
采集被测冷却器进出口的温度和压力。
(三)有益效果
本发明提供的测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法和装置，能够同时测量超临界CO2***中回热器和冷却器性能，又可以单独测量冷却器的性能。
附图说明
图1是本发明第一实施例的测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置的结构示意图。
图2为本发明第二实施例的测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法流程图。
图3为本发明第三实施例的测量超临界CO2冷却器性能的装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明第一实施例提供一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置，图1为该测量装置的结构示意图，如图1所示，装置包括高压低温***、低温高压***、抽真空***、CO2充注***、数据采集存储***五部分组成。
高压低温***包括：第一柱塞泵，第一稳压罐，第一中频炉，第一减压阀，第一风冷冷凝器，水冷冷凝器，第一乙二醇冷凝器，第一乙二醇冷水机组，和第一储液罐。第一柱塞泵用于将CO2加压至第一压力，第一稳压罐用于减弱第一柱塞泵出口处CO2波动幅度，第一中频炉用于将CO2加热至第一温度，第一减压阀用于将CO2减压，第一风冷冷凝器，水冷冷凝器和第一乙二醇冷凝器用于冷却CO2，第一储液罐用于收集冷却减压后的CO2并为第一柱塞泵提供CO2。低压高温***包括：CO2压缩机，第二稳压罐，第二中频炉，第二风冷冷凝器，第二减压阀，第二乙二醇冷凝器，第二乙二醇冷水机组，和第二储液罐。CO2压缩机用于将CO2加压至第二压力，CO2压缩机也可以用柱塞泵代替；第二稳压罐用于减弱CO2压缩机出口处CO2波动幅度，第二中频炉用于将CO2加热至第二温度，第二风冷冷凝器用于将CO2预冷，第二减压阀用于将CO2减压，第二乙二醇冷凝器用于进一步冷却CO2，第二储液罐用于收集冷却减压后的CO2并为CO2压缩机提供CO2。
第一压力高于第二压力且第一温度低于第二温度，第一压力的范围为CO2临界压力～20MPa，第二压力的范围为CO2临界压力～8MPa，第一温度的范围为0～300℃，第二温度的范围为0～500℃，第二风冷冷凝器可将CO2预冷至120℃，第一减压阀和第二减压阀可将CO2减压至4～5MPa，CO2经过减压冷却后回到储液罐的温度为0～5℃。
被测回热器包含两个进口及两个出口，其第一进口和第一出口分别连接第一中频炉和第一减压阀，被测回热器的第二进口和第二出口分别连接第二中频炉和第二风冷冷凝器，两个***中高压低温的CO2和低温高压的CO2在回热器内进行换热。
被测冷却器设置在第二风冷冷凝器和第二减压阀之间，冷却器出口的CO2温度为CO2临界点附近温度。
抽真空***包括：第一真空泵和第二真空泵，第一真空泵连接高压低温***，设置在第一乙二醇冷凝器和第一储液罐之间，用于将该***进行抽真空；第二真空泵连接低压高温***，设置在第二乙二醇冷凝器和第二储液罐之间，用于将该***进行抽真空。
CO2充注***用于对第一储液罐及第二储液罐进行CO2充注，包括第一CO2充注***和第二CO2充注***，每个CO2充注***均包含：CO2气瓶，输送泵，过滤器，冷箱。
数据采集存储***包括：温度传感器，压力变送器，流量计，NI数据采集仪。在高压低温***和低温高压***中，每个设备的进出口均布置温度传感器和压力变送器，在储液罐的出口设置流量计。所有的温度变送器、压力变送器、流量计均通过信号线连接至NI数据采集仪，测量时动态采集温度、压力、流量信号。
上述装置均通过304不锈钢管道连接，管道均由保温棉进行包裹保温，防止热量散失。
本发明第二实施例提供一种利用上述装置进行超临界CO2回热器和冷却器性能测量的方法，图2为该方法的流程图，如图2所示：
S1：对高压低温***和低压高温***进行抽真空和CO2充注。
通过真空泵对高压低温***和低压高温***进行抽真空，然后对高压低温***和低压高温***进行CO2充注。第一和第二CO2充注***中的气瓶内的CO2，通过输送泵输送到过滤器进行过滤，然后经过冷箱冷却到0～5℃后，充注到第一和第二储液罐中；S2：高压低温***和低温高压***对CO2进行加压加热后进入回热器进行换热，然后对CO2进行减压冷却。
子步骤S21：高压低温***的CO2通过第一加压加热装置进行加压加热至第一温度和第一压力，然后进入回热器进行换热，最后通过第一减压冷却装置进行减压冷却。
高压低温***中：第一储液罐内的CO2经过第一柱塞泵加压到20MPa后，通过第一稳压罐后进入第一中频炉，低温CO2在第一中频炉被加热到300℃，进入回热器进行换热，然后通过第一减压阀将CO2压力降低至4～5MPa，进入第一风冷冷凝器开始初步冷却，再经过第一水冷冷凝器冷却，第一水冷冷凝器为一级水冷冷凝器，最后经过第一乙二醇冷凝器冷却至0～5℃，乙二醇冷凝器为二级乙二醇冷凝器，回至第一储液罐。其中，一级水冷冷凝器用常温自来水作为冷却介质，二级乙二醇冷凝器用乙二醇冷水机组提供的乙二醇作为冷却介质。
子步骤S22：低温高压***的CO2通过第二加压加热装置进行加压加热至第二温度和第二压力，第二温度低于第一温度，且第二压力高于第一压力，然后CO2进入回热器进行换热，然后经过冷却器进行冷却，最后通过经过第二减压冷却装置进行减压冷却。
低压高温***中：第二储液罐内的CO2经过CO2压缩机加压到8MPa后，通过第二稳压罐后进入第二中频炉，低温CO2在第二中频炉被加热到500℃，进入回热器进行换热，然后进入第二风冷冷凝器开始初步冷却至120℃，再经过冷却器进行冷却至40℃左右，然后通过第二减压阀将CO2压力降低至4～5MPa，最后经过第二乙二醇冷凝器冷却至0～5℃，回至第二储液罐。其中，冷却器用常温自来水作为冷却介质，第二乙二醇冷凝器用乙二醇冷水机组提供的乙二醇作为冷却介质。
S3：采集被测回热器和冷却器进出口的温度和压力。
通过NI数据采集仪采集回热器和冷却器进出口温度传感器和压力变送器的数据，分析回热器和冷却器的进出口温差和压差，从而获得超临界CO2回热器和冷却器的性能。
如仅需要测量超临界CO2冷却器性能时，可以关闭高压低温回路，执行上述步骤S1、S22和S3即可。
本发明第三实施例提供一种测量超临界CO2冷却器性能的装置，图3为该测量装置的结构示意图，如图3所示，装置包括：CO2压缩机，稳压罐，中频炉，回热器，风冷冷凝器，减压阀，乙二醇冷凝器，乙二醇冷水机组、储液罐、真空泵、CO2充注***以及数据采集存储***。
被测冷却器连接在风冷冷凝器与减压阀之间。
CO2充注***包括：CO2气瓶，输送泵，过滤器，冷箱，冷水机组。
数据采集存储***包括：温度传感器，压力变送器，流量计，NI数据采集仪。每个设备的出口均布置温度传感器和压力变送器，在储液罐的出口设置流量计。所有的温度变送器、压力变送器、流量计均通过信号线连接至NI数据采集仪，实验时动态采集温度、压力、流量信号。
该冷却器测量装置的测量方法包括：通过真空泵对测量装置进行抽真空，然后对其进行CO2充注。CO2充注***中的气瓶内的CO2，通过输送泵输送到过滤器进行过滤，然后经过冷箱冷却到0～5℃后，充注到储液罐中；储液罐内的CO2经过CO2压缩机加压到8MPa后，通过缓冲罐后进入中频炉，低温CO2在中频炉被加热到500℃，然后进入风冷冷凝器开始初步冷却至120℃，再经过冷却器进行冷却至40℃左右，然后通过减压阀将CO2压力降低至4～5MPa，最后经过乙二醇冷凝器冷却至0～5℃，回至储液罐。其中，冷却器用常温自来水作为冷却介质，乙二醇冷凝器用乙二醇冷水机组提供的乙二醇作为冷却介质；通过NI数据采集仪采集回热器和冷却器进出口温度传感器和压力变送器的数据，分析冷却器的进出口温差和压差，从而获得超临界CO2冷却器的性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的装置，包括高压低温***和低压高温***；
所述高压低温***包括第一加压加热单元和第一冷却减压单元，第一加压加热单元出口连接被测回热器第一进口，被测回热器第一出口连接第一冷却减压单元进口；
所述低压高温***包括第二加压加热单元和第二冷却减压单元，第二加压加热单元出口连接被测回热器第二进口，被测冷却器设置在被测回热器第二出口和第二冷却减压单元进口之间。
2.如权利要求1所述的测量装置，其中，所述第一加压加热单元用于将CO2加压并加热至第一压力和第一温度，所述第二加压加热单元用于将CO2加压并加热至第二压力和第二温度，第二温度低于第一温度，且第二压力高于第一压力，所述第一冷却减压单元和第二冷却减压单元用于将CO2减压并冷却。
3.如权利要求1所述的测量装置，其中，
所述第二加压加热单元包括依次设置的压缩机或柱塞泵、第二稳压罐和第二中频炉，所述第二加压加热单元出口为第二中频炉出口；
所述第二冷却减压单元包括依次设置的第二风冷冷凝器、第二减压阀和第二乙二醇冷凝器，第二冷却减压单元进口为第二风冷冷凝器进口；
被测冷却器设置在第二风冷冷凝器出口和第二减压阀进口之间。
4.如权利要求1所述的测量装置，其中，
所述第一加压加热单元包括依次连接的柱塞泵、第一稳压罐和第一中频炉，所述第一加压加热单元出口为第一中频炉出口；
所述第一冷却减压单元包括依次连接的第一减压阀、第一风冷冷凝器、水冷冷凝器和第一乙二醇冷凝器，所述第一冷却减压单元进口为第一减压阀进口。
5.如权利要求1所述的测量装置，其中，
所述高压低温***还包括第一储液罐，所述第一储液罐两端分别连接第一加压加热单元和第一冷却减压单元；所述低压高温***还包括第二储液罐，所述第二储液罐两端分别连接第二加压加热单元和第二冷却减压单元；和/或，
所述测量装置还包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵用于对高压低温***进行抽真空，所述第二真空泵用于对低压高温***进行抽真空。
6.如权利要求5所述的测量装置，其中，还包括第一CO2充注***和第二CO2充注***，所述第一CO2充注***用于将CO2充注到第一储液罐中，所述第二CO2充注***用于将CO2充注到第二储液罐中；
所述第一CO2充注***和第二CO2充注***均包括气瓶、输送泵、过滤器和冷箱；所述气瓶内的CO2通过输送泵送到过滤器进行过滤，然后经过冷箱冷却后，充注到所述第一储液罐或第二储液罐中。
7.如权利要求1-6任一项所述的测量装置，其中，还包括数据采集存储***，所述数据采集存储***包括温度传感器、压力变送器、流量计和数据采集仪；
所述温度传感器和压力变送器至少设置在被测回热器和被测冷却器的进出口，用于测量进出口的温度和压力；
所述流量计用于测量高压低温***和低压高温***的CO2流量；
所述数据采集仪用于采集温度传感器、压力变送器和流量计的数据。
8.一种测量超临界CO2回热器和冷却器性能的方法，应用于权利要求1-7任一项所述的测量装置，包括以下步骤：
对高压低温***和低压高温***进行抽真空和CO2充注；
高压低温***和低压高温***对CO2进行加压加热后进入回热器进行换热；
换热后的CO2通过第一冷却减压单元、第二冷却减压单元以及冷却器进行减压冷却；
采集被测回热器和被测冷却器进出口的温度和压力。
9.如权利要求8所述的测量方法，其中，
所述高压低温***中对CO2进行加压加热及减压冷却的过程包括：第一储液罐内的CO2经过柱塞泵加压后，通过第一稳压罐后进入第一中频炉进行加热，之后进入回热器进行换热，然后通过第一减压阀对CO2进行降压，进入第一风冷冷凝器开始初步冷却，再经过第一水冷冷凝器冷却，最后经过第一乙二醇冷凝器冷却，回至第一储液罐；
所述低压高温***中对CO2进行加压加热及减压冷却的过程包括：第二储液罐内的CO2经过CO2压缩机加压，通过第二稳压罐后进入第二中频炉进行加热，之后进入回热器进行换热，然后进入第二风冷冷凝器开始初步冷却，再经过冷却器进行冷却，然后通过第二减压阀对CO2进行降压，最后经过第二乙二醇冷凝器冷却，回至储液罐。
10.一种测量超临界CO2冷却器性能的装置，包括沿气体流动方向依次设置的加压装置、加热装置、减压装置和冷却装置；
被测冷却器设置在加热装置和减压装置之间。
11.如权利要求10所述的装置，其中，
所述加压装置为压缩机或柱塞泵；所述加热装置为中频炉；所述减压装置为减压阀、所述冷却装置为乙二醇冷凝器；和/或，
所述装置还包括风冷冷凝器，所述风冷冷凝器设置在中频炉和减压阀之间，被测冷却器设置在风冷冷凝器和减压阀之间；和/或，
所述装置还包括稳压罐，用于减弱加压装置出口处CO2波动幅度；和/或，
所述装置还包括储液罐和CO2充注***，所述储液罐设置在冷却装置和加压装置之间，用于给加压装置提供CO2并接收冷却装置输入的CO2；和/或，
所述装置还包括测量装置，用于测量***温度、压力或流量。
12.一种测量超临界CO2冷却器性能的方法，应用于权利要求10或11所述的测量装置，包括以下步骤：
对测量装置进行抽真空和CO2充注；
CO2经过加压装置和加热装置进行加压加热后经过风冷冷凝器预冷后进入被测冷却器进行冷却；
利用减压装置和冷却装置对CO2进一步冷却和降压；
采集被测冷却器进出口的温度和压力。
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