一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于CO2传热检测设备技术领域，涉及一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置及其方法，包括CO2气瓶、流体蓄能稳压系统、高温水浴换热器、低温水浴换热器、地热水模拟系统、盘管对流传热测试装置、低压回收罐；CO2气瓶输出端与流体蓄能稳压系统连接，流体蓄能稳压系统输出端并联有高温水浴换热器和低温水浴换热器，高温、低温水浴换热器的输出端分别与盘管对流传热测试装置的盘管输入端连接，盘管对流传热测试装置内腔并接有地热水模拟系统，盘管对流传热测试装置的盘管输出端和低压回收罐连接；该装置实现了高压液态CO2的稳压输出、CO2的恒压差快速流动控制，能够实现地热水与CO2的盘管换热模拟实验，有助于地热利用、碳利用和碳减排的一体化研究。减排的一体化研究。减排的一体化研究。

【技术实现步骤摘要】
一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置及其方法

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[0001]本专利技术属于CO2传热检测设备
，涉及一种以蓄能气体作为稳压来源、测试螺旋盘管内外超临界CO2、地热水间传热特性的实验装置和方法，特别涉及一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置及其方法，能够用于满足双工质地热开采中科研单位及工业生产对CO2传热性能检测及应用的研发需求，实验原料循环利用，绿色低耗。

技术介绍
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[0002]中国在第七十五届联合国大会提出了2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”的目标。因此，加强地热能、太阳能等可再生能源的开采利用成为整个社会的共识。地热能具有储量大、分布广、清洁环保等优势，将在替代传统化石燃料能源中发挥不可或缺的作用。然而，我国地热资源以150℃以下的中、低温地热资源为主，而采用常规的蒸汽汽轮机利用效率太低，因此我国地热发电装机容量落后于其他大多数地热资源丰富的国家。双工质循环发电是利用中、低温地热资源的理想途径，目前应用较多的是有机朗肯(ORC)循环发电，其原理是利用沸点更低的有机质吸收地热水热量、转变为高温高压蒸汽，进而推动涡轮机做功发电。与传统有机质热工质相比，超临界CO2在吸热后降压推动涡轮机做功时不会发生相变，因而减少了设备复杂性、提高了地热能利用率，超临界CO2热循环在第四代先进核能系统、太阳能热发电以及燃煤发电等领域具有巨大的应用潜力。因此，采用超临界CO2—地热水的双工质循环发电是利用中、低温地热资源的有效途径。采用超临界CO2—地热水的双工质循环发电的前提是需要通过模拟实验确定CO2螺旋盘管换热性能。<br/>[0003]在现有专利技术中，公开号为CN102411863B的中国专利，公开了一种测量微管两相对流传热系数的教学实验装置。微注射泵经连接管件与易拆卸混相器的进口相连，储气罐经连接管件与易拆卸混相器的另一进口相连，易拆卸混相器的出口与玻璃连接管、微米级不锈钢管、流型观察器、连接管件一端顺次相连；微米级不锈钢管外设有绝热黑腔体，不锈钢管进口端和出口端设有热电偶，同时还连接有加热导线并与功率可调型加热单元相连，并在不锈钢管相对应处设有在线红外热检测仪；热电偶通过数据采集单元与计算机相连，在线红外热检测仪与功率可调型加热单元与计算机相连。公开号为CN109709134A的中国专利，公开了一种井筒自循环热交换实验装置与方法；实验装置包括热交换系统、注采系统、加热保温系统、数据采集系统等；热交换系统用于模拟地热储层中的井筒，为携热流体与地热储层之间的热交换提供流动通道；注采系统用于将低温携热流体经增压泵注入热交换系统以及收集产出的热流体并冷却存储；加热保温系统用于对井筒及填砂筒进行加热保温，塑造地热储层的高温环境、模拟稳定的热源供给；数据采集系统用于监测和记录热交换系统、注采系统以及加热保温系统等关键位置处的温度、压力数据。
[0004]目前的超临界CO2—地热水的双工质循环发电换热性能实验模拟研究，遇到以下问题：(1)地热水循环到地面时，压力降低、其中溶解的气体会析出，地热水变成气液混合相；(2)由于CO2压缩比大、临界压力在7.38MPa，室内实验时CO2增压和稳压困难；(3)螺旋盘管可增加传热效率并容易满足CO2超临界压力的要求，但超临界CO2在受热螺旋盘管内流动
时，会受到离心力、浮升力、二次流的多重作用以及经历假临界温度附近的物性剧变，传热与流动机理非常复杂。

技术实现思路
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[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有超临界CO2—地热水的双工质循环发电换热性能模拟实验中CO2增压和稳压困难、气液混合相模拟不便、传热性能难检测等问题；以蓄能气体作为稳压来源，兼顾螺旋盘管的强化传热特性，设计一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置及方法，测试螺旋盘管内外超临界CO2、地热水间传热特性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术涉及的一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其主体结构包括CO2气瓶、流体蓄能稳压系统、高温水浴换热器、低温水浴换热器、地热水模拟系统、盘管对流传热测试装置、电磁溢流阀和低压回收罐；CO2气瓶输出端与流体蓄能稳压系统连接，CO2气瓶驱动流体蓄能稳压系统实现稳压在30MPa
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50MPa范围的CO2流体输出；流体蓄能稳压系统输出端并联有高温水浴换热器和低温水浴换热器，通过高温水浴换热器或低温水浴换热器进一步实现恒定温度的CO2流体输出；高温水浴换热器和低温水浴换热器的输出端分别与盘管对流传热测试装置的盘管输入端连接，盘管对流传热测试装置内腔并接有地热水模拟系统，地热水模拟系统实现地热水在地面的两相流状态模拟；盘管对流传热测试装置的盘管输出端、电磁溢流阀和低压回收罐依次连接；盘管对流传热测试装置17中盘管内CO2的恒压差流动，盘管外内腔中气液两相流体流动，能够模拟CO2与地热水的盘管对流换热过程。
[0007]本专利技术所述的CO2气瓶有10
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15个体积为40L、压力为6MPa
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7MPa的国家标准CO2气罐组成，CO2气瓶作为CO2气体来源；CO2气瓶的输出端连接有气瓶第一支管和气瓶第二支管，气瓶第一支管前部设置有第一泵前截止阀，气瓶第一支管后部设置第一气液增压泵，第一气液增压泵后侧连接高压截止阀，高压截止阀后侧管路与流体蓄能稳压系统内部的高压腔连通；气瓶第二支管后侧设置有低压截止阀，低压截止阀后侧管路与流体蓄能稳压系统内部的低压腔连通。
[0008]本专利技术所述的流体蓄能稳压系统包括高压腔、壳体、低压腔和活塞，壳体呈凸字形结构，壳体内设置有高压腔和低压腔，高压腔容积在80
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100L，高压腔容积小于低压腔，上部的高压腔和下部的低压腔构成凸字形腔体，腔体内安装有活塞，活塞是由下部的粗柱和上部的细柱组合构成倒“T”字型的活塞结构，活塞的粗柱与细柱驱动面的面积比为10：1
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15：1，活塞对高压腔进行30MPa
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50MPa的增压和稳压输出；CO2气瓶首先在第一气液增压泵作用下将高压腔充满液态CO2，然后CO2气瓶剩余的、压力为3MPa的气态CO2作用于低压腔；低压腔的上部与安装在壳体外侧的通气截止阀连通；高压腔的上侧分别与安装在壳体上侧的第一温压传感器和第一安全阀相连接，高压腔通过传液管与外部连接，传液管后端并接有第一传液支管和第二传液支管，第一传液支管上安装有减压阀，减压阀的后端连接输液截止阀，输液截止阀后端并连有第一输液支管和第二输液支管。
[0009]本专利技术所述的第一输液支管上安装有高温截止阀，高温截止阀输出侧后端安装第二温压传感器，第一输液支管与高温水浴换热器内部安装的螺旋盘管输入端连接，高温水浴换热器的螺旋盘管输出端与流体传输管连接；高温水浴换热器内装有加热器和循环水，高温水浴换热器用来实现螺旋盘管内流体最高温度100℃的升温。
注入到高压腔5中；
[0017](2)关闭第一泵前截止阀和高压截止阀，打开通气截止阀和低压截止阀，将低压腔与CO2气瓶中3MPa的气态CO2连通，通过活塞对高压腔实现30MPa
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：包括CO2气瓶、流体蓄能稳压系统、高温水浴换热器、低温水浴换热器、地热水模拟系统、盘管对流传热测试装置、电磁溢流阀和低压回收罐；CO2气瓶输出端与流体蓄能稳压系统连接，CO2气瓶驱动流体蓄能稳压系统实现稳压在30MPa
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50MPa范围的CO2流体输出；流体蓄能稳压系统输出端并联有高温水浴换热器和低温水浴换热器，通过高温水浴换热器或低温水浴换热器进一步实现恒定温度的CO2流体输出；高温水浴换热器和低温水浴换热器的输出端分别与盘管对流传热测试装置的盘管输入端连接，盘管对流传热测试装置内腔并接有地热水模拟系统，地热水模拟系统实现地热水在地面的两相流状态模拟；盘管对流传热测试装置的盘管输出端、电磁溢流阀和低压回收罐依次连接；盘管对流传热测试装置中盘管内CO2的恒压差流动，盘管外内腔中气液两相流动，能够模拟CO2与地热水的盘管对流换热过程。2.根据权利要求1所述的CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：所述CO2气瓶有10
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15个体积为40L、压力为6MPa
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7MPa的国家标准CO2气罐组成，CO2气瓶作为CO2气体来源；CO2气瓶的输出端连接有气瓶第一支管和气瓶第二支管，气瓶第一支管前部设置有第一泵前截止阀，气瓶第一支管后部设置第一气液增压泵，第一气液增压泵后侧连接高压截止阀，高压截止阀后侧管路与流体蓄能稳压系统内部的高压腔连通；气瓶第二支管后侧设置有低压截止阀，低压截止阀后侧管路与流体蓄能稳压系统内部的低压腔连通。3.根据权利要求2所述的CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：所述流体蓄能稳压系统包括高压腔、壳体、低压腔和活塞，壳体呈凸字形结构，壳体内设置有高压腔和低压腔，高压腔容积在80
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100L，高压腔容积小于低压腔，上部的高压腔和下部的低压腔构成凸字形腔体，腔体内安装有活塞，活塞是由下部的粗柱和上部的细柱组合构成倒“T”字型的活塞结构，活塞的粗柱与细柱驱动面的面积比为10：1
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15：1，活塞对高压腔进行30MPa
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50MPa的增压和稳压输出；CO2气瓶首先在第一气液增压泵作用下将高压腔充满液态CO2，然后CO2气瓶剩余的、压力为3MPa的气态CO2作用于低压腔；低压腔的上部与安装在壳体外侧的通气截止阀连通；高压腔的上侧分别与安装在壳体上侧的第一温压传感器和第一安全阀相连接，高压腔通过传液管与外部连接，传液管后端并接有第一传液支管和第二传液支管，第一传液支管上安装有减压阀，减压阀的后端连接输液截止阀，输液截止阀后端并连有第一输液支管和第二输液支管。4.根据权利要求3所述的CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：所述第一输液支管上安装有高温截止阀，高温截止阀输出侧后端安装第二温压传感器，第一输液支管与高温水浴换热器内部安装的螺旋盘管输入端连接，高温水浴换热器的螺旋盘管输出端与流体传输管连接；高温水浴换热器内装有加热器和循环水，高温水浴换热器用来实现螺旋盘管内流体最高温度100℃的升温。5.根据权利要求4所述的CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：所述第二输液支管上安装有低温截止阀，低温截止阀输出侧后端安装第三温压传感器，第二输液支管与低温水浴换热器内部安装的输液螺旋盘管输入端连接，低温水浴换热器的输液螺旋盘管输出端与流体传输管连接；低温水浴换热器内装有制冷机和50％浓度的乙二醇溶液，用来实现螺旋盘管内流体最低温度
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20℃的降温；第二传液支管上安装有回流截至阀，回流截止阀后侧与第二气液增压泵连接，第二传液支管与低温水浴换热器内部安装的回收螺旋盘管输出端连接，低温水浴换热器的回收螺旋盘管输入端与流体回收管连接。
6.根据权利要求5所述的CO2螺旋盘管换热性能检测装置，其特征在于：所述流体传输管的后侧设置有第五温压传感器，流体传输管的输出端与盘管对流传热测试装置中换热螺旋盘管输入端连通，流传热测试装置外接地热水模拟系统，盘管对流传热测试装置中换热螺旋盘管输出端与换热输出管连接，换热输出管上安装有第七温压传感器，第七温压传感器后侧连接有第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘健，孙自强，孟祥军，马彦，孙希奎，王立才，李木坤，范建国，胡兆峰，刘强，关天举，隋建才，辛爽，辛林，梁宝成，张庆振，程卫民，王刚，陈绍杰，宋长勇，邓雪翔，王忠密，李国臣，刘宝银，牛茂斐，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
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