一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统和方法技术方案

一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统和方法，测试系统包括闪蒸工况调节测试模块、工质输入模块、工质输出模块以及数据采集组件；闪蒸工况调节测试模块包括依次相连的定容闪蒸腔、质量流量计、压力调节阀和真空罐；数据采集组件包括布置在定容闪蒸腔内用于测量气相和液相状态的压力传感器和温度传感器；定容闪蒸腔的内部布置有与各种类型膨胀机几何相似的固体边界，固体边界在定容闪蒸腔的带动下做旋转运动，提供与实际膨胀机运动相似及几何相似的边界扰动。本发明专利技术的测试方法简洁有效，解决了以往两相膨胀试验研究关键参数难以测量、改变变速扩容曲线和固体边界扰动形式的成本高、周期长的难题。成本高、周期长的难题。成本高、周期长的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统和方法


[0001]本专利技术属于膨胀测试领域，具体涉及一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统和方法。

技术介绍

[0002]作为我国能源战略的重要组成部分，提高体量巨大的地热、工业余热以及太阳能等低品位热能的利用率已经迫在眉睫。两相膨胀机是三角形闪蒸循环回收余热以及制冷系统节流损失回收中的关键设备。但其实测效率水平低、增效技术手段缺乏，这是制约两相膨胀机推广应用的瓶颈技术问题。膨胀机内部的两相膨胀过程，属于非平衡闪蒸相变过程。
[0003]膨胀机效率受制于闪蒸相变强度。受结构参数限制，膨胀机膨胀腔容积是变速扩大的，约束了两相膨胀过程的压降速率及液体过热度变化。两相膨胀机的膨胀腔是一扭变空间，其固体边界扭转扰动会显著影响闪蒸速率和膨胀效率。膨胀腔变速扩容和转子扭转扰动对膨胀机内闪蒸相变的作用机理不清，导致两相膨胀机效率低、增效技术手段匮乏。
[0004]目前，针对膨胀机内闪蒸相变过程的测试研究很少，测试方法并不成熟。已有测试大都通过传统测试方法，在样机或模拟样机上直接进行测试，存在以下不足：(1)受转子运动约束，难以在膨胀腔内部直接布置温度传感器，很难准确获取工质温度；(2)膨胀腔为变速扩容的封闭腔体，无法直接测量闪蒸速率；(3)改变变速扩容曲线和固体边界扰动形式的成本高、周期长，影响因素复杂。这些问题导致两相膨胀机非平衡闪蒸过程机理研究难以深入。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中样机测试过程难以直接测量闪蒸相变等关键物理参数，同时改变变速扩容曲线和固体边界扰动形式成本高、周期长的问题，提供一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统和方法，摆脱了膨胀机的结构与运行特性限制，能够适用于各种类型、各种工质的两相膨胀机内部过程测试研究。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0007]一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，包括闪蒸工况调节测试模块、工质输入模块、工质输出模块以及数据采集组件；所述的闪蒸工况调节测试模块包括依次相连的定容闪蒸腔、质量流量计、压力调节阀和真空罐，工质输入模块为闪蒸工况调节测试模块提供符合运行工况初始状态的工质，工质输出模块用于将测试工质进行排放或回收；所述的数据采集组件包括布置在定容闪蒸腔内用于测量气相和液相状态的压力传感器和温度传感器；定容闪蒸腔的内部布置有与各种类型膨胀机几何相似的固体边界，固体边界在定容闪蒸腔的带动下做旋转运动，提供与实际膨胀机运动相似及几何相似的边界扰动。
[0008]优选的，所述的定容闪蒸腔沿液面不同高度布置有多个用于测量液相状态的温度传感器。
[0009]优选的，所述的定容闪蒸腔通过在底面中心安装的扰动器驱动旋转。
[0010]优选的，工质输入模块包括依次相连的过滤器、储液罐、工质泵和工质加热组件，所述的工质加热组件为连接管路上的工质加热罐或者设置在定容闪蒸腔中的加热模块；所述的数据采集组件还包括布置在真空罐、储液罐以及工质加热罐上的压力传感器和温度传感器，各个压力传感器和温度传感器的数据通过NI数据采集系统进行采集。
[0011]优选的，所述的工质输出模块采用开式或闭式两种形式；开式工质输出模块将对环境无污染的工质直接排出；闭式工质输出模块采用管路将真空罐与工质输入模块连接，管路上设置有压缩机和冷凝器。
[0012]优选的，所述定容闪蒸腔的底面设置热工质进口与冷工质进口，定容闪蒸腔的顶面上设置工质出口，定容闪蒸腔的侧面设置有可视窗，数据采集组件还包括能够通过可视窗观测定容闪蒸腔内相变过程的高速摄像机。
[0013]本专利技术同时提供一种基于所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统的测试方法，包括以下步骤：工质输入模块给闪蒸工况调节测试模块充注工质；充注过程完成后，定容闪蒸腔内发生闪蒸过程，闪蒸蒸汽依次通过质量流量计和压力调节阀，最终膨胀至真空罐；所述的真空罐内假设存在一个能维持内部压力与定容闪蒸腔同步的虚拟膜，则在闪蒸蒸汽进入真空罐后，被虚拟膜包裹，体积发生膨胀；所述质量流量计获得的瞬时流量为m
t
，按下式计算虚拟膜内的工质质量：
[0014][0015]依据定容闪蒸腔内测得的蒸汽压力P
v
和温度T
v
，获得虚拟膜内的容积，为：
[0016]V
d
＝f(P
v
,T
v
,M
d
)
[0017]通过对压力调节阀的开度进行控制，使虚拟膜内的容积逼近两相膨胀机膨胀腔的变速扩容曲线，即得到与实际膨胀机几何相似的研究模型。
[0018]优选的，若采用开式工质输出模块，操作步骤如下：使用真空泵将测试系统抽成真空；将工质加热至初始温度；再将工质引入定容闪蒸腔，同时引入冷工质，并结合定容闪蒸腔与真空罐之间的阀门对初始状态进行调节；将工质引入定容闪蒸腔后，观察工质状态，测量工质的充注量；打开质量流量计与真空罐之间的压力调节阀，使用压力传感器和温度传感器测量定容闪蒸腔内气液两相的工质状态，并利用质量流量计测量闪蒸质量；闪蒸结束后，将真空罐连通自然环境，排放工质；
[0019]若采用闭式工质输出模块，操作步骤如下：先将定容闪蒸腔的温度加热至初始温度，使用真空泵将测试系统抽成真空；再将工质引入定容闪蒸腔；加热工质，并结合定容闪蒸腔与真空罐之间的阀门对初始状态进行调节；观察工质状态，并测量工质的充注量；打开质量流量计与真空罐之间的压力调节阀，使用压力传感器和温度传感器测量定容闪蒸腔内气液两相的工质状态，并利用质量流量计测量闪蒸质量；闪蒸过程结束，工质经压缩机加压和冷凝器冷却后，回到储液罐。
[0020]优选的，若采用无动部件循环，操作步骤如下：
[0021]测试开始前，使真空罐最低点高于储液罐的最高点，储液罐的最低点高于定容闪蒸腔的最高点；开始测试后，使用真空泵将测试系统抽成真空；连通储液罐和定容闪蒸腔，两容器内热力状态一致，靠重力作用，工质自流进入定容闪蒸腔；加热工质，并结合定容闪蒸腔与真空罐之间的阀门对初始状态进行调节；观察工质状态，并测量工质的充注量；打开
质量流量计与真空罐之间的压力调节阀，使用压力传感器和温度传感器测量定容闪蒸腔内气液两相的工质状态，并利用质量流量计测量闪蒸质量；闪蒸过程结束，靠重力作用，工质自流回到储液罐。
[0022]优选的，若采用双循环，操作步骤如下：
[0023]同时使用两个定容闪蒸腔进行工作；
[0024]测试开始前，使真空罐的最低点高于定容闪蒸腔最高点；
[0025]开始测试后，使用真空泵将测试系统抽成真空；打开两个定容闪蒸腔，工质自流进入两个定容闪蒸腔；其中一个定容闪蒸腔先加热工质，并结合该定容闪蒸腔与真空罐之间的阀门对初始状态进行调节；观察工质状态，并测量工质的充注量；打开该定容闪蒸腔对应的质量流量计与真空罐之间的压力调节阀，使用压力传感器和温度传感器测量该定容闪蒸腔内气液两相的工质状态，并利用对应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：包括闪蒸工况调节测试模块、工质输入模块、工质输出模块以及数据采集组件；所述的闪蒸工况调节测试模块包括依次相连的定容闪蒸腔(4)、质量流量计(6)、压力调节阀(7)和真空罐(8)，工质输入模块为闪蒸工况调节测试模块提供符合运行工况初始状态的工质，工质输出模块用于将测试工质进行排放或回收；所述的数据采集组件包括布置在定容闪蒸腔(4)内用于测量气相和液相状态的压力传感器和温度传感器；定容闪蒸腔(4)的内部布置有与各种类型膨胀机几何相似的固体边界，固体边界在定容闪蒸腔(4)的带动下做旋转运动，提供与实际膨胀机运动相似及几何相似的边界扰动。2.根据权利要求1所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：所述的定容闪蒸腔(4)沿液面不同高度布置有多个用于测量液相状态的温度传感器。3.根据权利要求1所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：所述的定容闪蒸腔(4)通过在底面中心安装的扰动器(5)驱动旋转。4.根据权利要求1所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：工质输入模块包括依次相连的过滤器(12)、储液罐(1)、工质泵(2)和工质加热组件，所述的工质加热组件为连接管路上的工质加热罐(3)或者设置在定容闪蒸腔(4)中的加热模块；所述的数据采集组件还包括布置在真空罐(8)、储液罐(1)以及工质加热罐(3)上的压力传感器和温度传感器，各个压力传感器和温度传感器的数据通过NI数据采集系统进行采集。5.根据权利要求1所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：所述的工质输出模块采用开式或闭式两种形式；开式工质输出模块将对环境无污染的工质直接排出；闭式工质输出模块采用管路将真空罐(8)与工质输入模块连接，管路上设置有压缩机(10)和冷凝器(11)。6.根据权利要求1所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统，其特征在于：所述定容闪蒸腔(4)的底面设置热工质进口(24)与冷工质进口(25)，定容闪蒸腔(4)的顶面上设置工质出口(28)，定容闪蒸腔(4)的侧面设置有可视窗(23)，数据采集组件还包括能够通过可视窗(23)观测定容闪蒸腔(4)内相变过程的高速摄像机。7.一种基于权利要求1
‑
6中任意一项所述研究两相膨胀过程的等效膨胀测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：工质输入模块给闪蒸工况调节测试模块充注工质；充注过程完成后，定容闪蒸腔(4)内发生闪蒸过程，闪蒸蒸汽依次通过质量流量计(6)和压力调节阀(7)，最终膨胀至真空罐(8)；所述的真空罐(8)内假设存在一个能维持内部压力与定容闪蒸腔(4)同步的虚拟膜，则在闪蒸蒸汽进入真空罐(8)后，被虚拟膜包裹，体积发生膨胀；所述质量流量计(6)获得的瞬时流量为m
t
，按下式计算虚拟膜内的工质质量：依据定容闪蒸腔(4)内测得的蒸汽压力P
v
和温度T
v
，获得虚拟膜内的容积，为：V
d
＝f(P
v
,T
v
,M
d
)通过对压力调节阀(7)的开度进行控制，使虚拟膜内的容积逼近两相膨胀机膨胀腔的变速扩容曲线，即得到与实际膨胀机几何相似的研究模型。8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：若采用开式工质输出模块，操作步骤如下：使用真...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴伟烽，李晓然，张寅，李程翊，王江峰，何志龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：