CN105301047B - 一种超临界氟利昂换热实验系统及其实验方法 - Google Patents

Abstract

一种超临界氟利昂换热实验系统及其实验方法，该系统包括由真空泵、冷媒罐、冷媒回收加注机、阀门和连在主回路上的管道组成的抽真空和氟利昂加注模块，由屏蔽泵和闭式回路管道组成的循环模块，由回热器和旁通管道组成的回热模块，由蛇形预热段和直流电源组成的预热模块，由实验段及相关阀门组成的实验模块，由高压氮气瓶、稳压器、安全阀和减压阀组成的压力调节模块；氟利昂自屏蔽泵出口出发经过回热、预热后流入实验段，之后经冷凝器冷却最后再回到屏蔽泵入口，形成闭式循环；本发明还提供了该系统的实验方法；本发明系统能够承受较高温度工况和压力工况并确保氟利昂能在超临界状态下稳态循环运行，同时又能做到简便快速的调节系统参数。

Description

一种超临界氟利昂换热实验系统及其实验方法

技术领域

本发明属于超临界核反应堆热工水力验证性实验研究技术领域，具体涉及一种超临界氟利昂换热实验系统及其实验方法。

背景技术

超临界水冷核反应堆是第四代国际核能论坛(GIF)巴黎研讨会确定的六种优先发展的第四代核能系统之一，它以超临界水为堆芯冷却剂，具有热效率高、设计结构简单等优点。作为堆芯冷却剂的超临界水的流动换热特性与超临界水冷堆的安全性密切相关，因此对超临界水的热工水力特性的研究十分重要。相关研究结果表明，超临界条件下氟利昂的流动换热特性与超临界水的流动换热特性具有极大相似性，且氟利昂的临界点参数为4.059MPa、101.06℃远低于水的临界参数22.064MPa、363.95℃，因此国内外的相关研究人员大多采用环保型氟利昂(R-134a)作为替代工质来研究流体的超临界换热特性。

超临界换热实验系统，主要研究的是工程领域超临界流体在管道内的流动换热特性，获取流体在超临界情况下与壁面的换热系数，分析超临界流体在流动过程中的换热强弱变化。因实验中工质氟利昂需要被加热加压到超临界状态，因此超临界氟利昂换热实验对实验回路的加热能力、承压能力、流量调节能力、压力调节能力等要求较高，这就需要实验系统具有较完备的系统配置和较高的承压能力以及稳定的调节能力。

例如，中国专利申请号CN103308551A公开了一种超临界二氧化碳表面传热系数的测量实验装置与方法。其实验装置包括超临界二氧化碳循环系统和注入水循环系统，水在测量管线段外管、测量管线段内管之间的环空内流动，超临界二氧化碳在测量管线段内管中进行热交换。但是，其实验装置针对的工质是二氧化碳不适用于氟利昂，另外该实验装置测量的是两流体之间的换热系数应用背景为石油工业，而核反应堆工程中测量的超临界流体换热系数一般是指超临界流体与核燃料包壳(壁面)间的换热系数，因而该实验装置不适用于核反应堆工程热工水力领域。

又如，中国专利申请号CN101413933A公开了一种超临界流体的流动、传热及吸热反应综合测量装置。包括一个碳氢燃料容器，微细通道和加热器及热电偶和热流密度传感器，碳氢燃料流经测试段内部的微细通道以物理热沉与化学热沉的方式带走大量热量达到对测试段进行有效冷却的目的；热裂解后的碳氢燃料至测试仪进行组份分析；利用热电偶和热流密度传感器来采集测试段的温度和热流量。但是，其装置针对的工质为可热裂解的碳氢燃料而不适用于氟利昂，另外该综合测量装置研究的是以航天工业为背景的微通道内的换热，而不适用于核反应堆工程领域中较普遍的管道内超临界流体换热。

再如，美国专利申请号US7216498B2公开了一种测量跨临界热交换器内流体压力的装置和方法。但是其针对的装置为热交换器并且只用来测量压力，不能进行超临界氟利昂的换热实验。

再如，加拿大专利申请号CA2481885C也公开了一种测量热交换器内超临界流体压力的方法和装置。但是其只能测量热交换器内超临界流体的压力，完全无法进行超临界流体的换热实验。

发明内容

本发明的目的是针对上述实验装置或系统不适用或不满足核工程领域内对超临界氟利昂换热的研究需求，提供了一种超临界氟利昂换热实验系统及其实验方法，本发明系统能够承受较高温度工况和压力工况并确保氟利昂能在超临界状态下稳态循环运行，同时又能做到简便快速的调节系统参数，在提高系统的热利用率的同时还能精确地获取大量的温度、压力、压降、流量、壁面热流密度等实验参数能够对超临界氟利昂的流动换热特性进行深入研究。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界氟利昂换热实验系统，包括通过管道与主回路相连的第一阀门401和第一阀门401上游管道连接的真空泵1，第一阀门401连通真空泵抽气口与主回路，组成系统的抽真空模块；冷媒罐2、安装在冷媒罐2顶部管道上的第二阀门402、通过管道连接到第二阀门402下游的冷媒回收加注机3以及其下游管道上的第三阀门403，第三阀门403通过管道与主回路相连进而将冷媒罐2和冷媒回收加注机3与主回路连通，组成系统的氟利昂加注模块；

在主循环回路上，屏蔽泵9上下游管道上各有一个三通，两个三通的垂直分支分别通过管道与第五阀门405两端相连构成一个旁通回路，该旁通回路协助调节泵的流量；

屏蔽泵9上游管道上的第一过滤器801、第一过滤器801上游管道上的第四阀门404、第四阀门404上游管道上的温度传感器701、温度传感器701上游管道上的第一压力传感器601，它们的作用分别是过滤泵入口流体、调节泵入口流量、监测泵入口流体的温度和压力，以上组成了系统的泵入口调节监视模块；

屏蔽泵9下游管道上的三通通过管道与第六阀门406相连，在第六阀门406左端管道一定距离上布置有第二压力传感器602，第二压力传感器602用来测量屏蔽泵9出口处的流体压力；

第二压力传感器602左端管道上连接的回热器10、通过管道与回热器10并联的第七阀门407，第七阀门407通过调节开度控制流入回热器10的冷流体流量，组成系统的回热模块；

安装在回热器10下游管道上的第一电动调节阀501，第一电动调节阀501下游管道上的第二过滤器802、第二过滤器802下游管道上的质量流量计11，组成系统的流量调节模块；

预热段12安装在质量流量计11下游，预热段12的入口、中间和出口处分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第一台直流电源的负极相连，中间的电极板与第一台直流电源的正极相连，预热段12的下游管道上安装有第八阀门408，以上组成系统的预热模块；

第八阀门408的下游管道上安装有一个三通，三通的两个出口分别引出一条管线；其中一条管线上依次安装有第十阀门410、第四压力传感器604、水平实验段14、第六压差传感器606、第十二阀门412，并且水平实验段14的入口、中间和出口处分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第二台直流电源的负极相连，中间的电极板与第二台直流电源的正极相连；另一条管线上依次安装有第九阀门409、第三压力传感器603、竖直实验段13、第五压差传感器605和第十一阀门411，并且竖直实验段13的入口、中间和出口分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第三台直流电源的负极相连，中间的电极板与第三台直流电源的正极相连；同时一个三通将第十二阀门412和第十一阀门411后的管线汇入第十三阀门413，第十四阀门414连通了竖直实验段下端与第十三阀门413的下游管道，以上两条管线及连接阀门和传感器组成系统的实验段模块；

第十三阀门413下游管道连接回热器10的壳程入口，回热器10的壳程出口通过管道与冷凝器15相连；

冷凝器15上游管道预设距离上安装有第二电动调节阀502和冷却泵16，下游管道连接流量计22和冷却塔17，第二电动调节阀502自动调节冷却水流量，以上组成系统的冷却模块；

与冷凝器15并联的管道上安装有第十五阀门415用以调节通过冷凝器的热流体的流量；

第十五阀门415下游管道上安装有一个三通，三通的一个出口直接与屏蔽泵9入口相连，另一个出口通过管道与稳压器20相连，稳压器20的顶部安装有安全阀18，侧上部安装有手动减压阀19，稳压器20的上部通过管道和第十六阀门416与高压氮气瓶21相连，通过开关第十六阀门416控制高压氮气瓶21内的氮气进入稳压器20进而对系统进行升压，当系统压力高于设定的安全极限压力值时，安全阀18自动起跳泄压，当系统压力低于安全极限压力值而又高于工况压力时，通过手动调节减压阀19对回路进行降压，以上组成系统的压力调节模块。

其中第八阀门408下游直至第十五阀门415上游的管道内流动的为热态氟利昂，第十五阀门415下游直至第八阀门408上游的管道内流动的为冷态氟利昂。

所述水平实验段14和竖直实验段13的结构相同，所述竖直实验段13总长1100mm，上下两个负极间距870mm，每块电极板宽50mm，下端负极板安装在距下法兰115mm的位置上，上端负极板安装在距上法兰115mm的位置上，正极板安装在两个负极板正中间；距离下法兰50mm的管道上安装有一根引压管与第三压力传感器603相连。距离下法兰100mm的管道上安装有另一根引压管，在与该引压管对称的上部也有一根引压管，这两根引压管分别连接到第五压差传感器605的两端。在下端负极板上部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv1，之后依次布置贴片式热电偶Tv1-2、贴片式热电偶Tv2、贴片式热电偶Tv2-3、贴片式热电偶Tv3、贴片式热电偶Tv3-4和贴片式热电偶Tv4，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；在上负极板下部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv8，之后依次布置贴片式热电偶Tv7-8、贴片式热电偶Tv7、贴片式热电偶Tv6-7、贴片式热电偶Tv6、贴片式热电偶Tv5-6和贴片式热电偶Tv5，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；贴片式热电偶Tv4和贴片式热电偶Tv5之间的距离是100mm；在距实验段上法兰上方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tout，用来测量出口氟利昂的温度。在距实验段下法兰下方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tin，用来测量入口处氟利昂的温度。实验段上布置的所有热电偶和压力传感器以及压差传感器均通过采集板连接到信号处理器23上，以上组成系统的测量采集模块。

所述实验系统的预热模块和实验段模块的管道表面包覆有保温层。

所述保温层包括用细铁丝固定在预热模块和实验段模块管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

所述硅酸铝板包覆层的平均厚度大于150mm。

上述所述的超临界氟利昂换热实验系统的实验方法，试验开始前对回路进行充水充气加压检漏，确保回路在高压下无泄漏；

对回路进行抽真空操作时，主回路上第四阀门404至第十五阀门415保持开启状态，抽真空支路上打开第一阀门401，关闭第三阀门403，开启真空泵1；

回路加注氟利昂时，用冷媒回收加注机3将储藏在冷媒罐2里的氟利昂R-134a注入到实验系统中，此时应关闭第一阀门401，打开第二阀门402和第三阀门403，保持主回路第四第十五阀门404-415为开启状态；

停止氟利昂加注时，先关闭冷媒回收加注机3，再关闭第二阀门402和第三阀门403；

对回路中的氟利昂进行升压操作时，为让高压氮气瓶21内的氮气进入稳压器20，应打开第十六阀门416；

对回路中的氟利昂进行降压操作时，打开手动减压阀19；

开启冷却模块时，打开第二电动调节阀502，开启冷却泵16；

调节循环流量时，开启屏蔽泵9，根据流量计11上的示数利用第一电动调节阀501调节回路循环流量；

调节屏蔽泵9的旁通流量时，打开第五阀门405，调节其开度；

调节回热器10的旁通流量时，打开第七阀门407，调节其开度；

调节冷凝器15的旁通流量时，打开第十五阀门415，调节其开度；

调节冷却水流量时，根据流量计22的示数调节第二电动调节阀502；

调节预热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；

调节试验段加热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；

进行水平段实验时，打开第十阀门410和第十二阀门412，关闭第九阀门409和第十一阀门411，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408、第十三阀门413和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403、第十四阀门414和第十六阀门416一直处于关闭状态；

进行竖直段自下向上流向实验时，打开第九阀门409和第十一阀门411，关闭第十阀门410和第十二阀门412，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408、第十三阀门413和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403、第十四阀门414和第十六阀门416一直处于关闭状态；

进行竖直段自上向下流动实验时，打开第十阀门410、第十二阀门412、第十一阀门411和第十四阀门414，关闭第九阀门409和第十三阀门413，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第十六阀门416一直处于关闭状态；

待回路稳态运行半小时后打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率的试验数据。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、实验系统包含水平和竖直两套实验段，在只改变阀门开关状态的情况下就可以开展水平管换热实验和竖直管换热实验，系统功能完善，结构简便可靠。

2、竖直试验段内流体可以通过调节不同阀门的开关状态快速转换流向，研究流向对超临界氟利昂换热的影响。当关闭实验部分阀门410、阀门412、阀门414，打开阀门409、阀门411、阀门413时，竖直管内流体自下向上流动；当关闭实验部分阀门409、阀门414，打开阀门410、阀门412、阀门411、阀门414时，竖直管内流体自上向下流动。因此可比较方便地获取竖直管内两种不同流向下的换热数据。

3、实验段预热段均采用三点式直流电加热方法，管道上电压低(0-15V)，该方法安全且易控制加热功率。

4、回路设有回热模块，提高了系统热利用率。实验时，从实验段流出的热态的氟利昂进入回热器10，对流经回热器的冷流体进行加热，提高了预热段入口的温度，降低了预热段加热功率，提高了系统的热利用率。

5、动力循环设备采用屏蔽泵，可以有效防止泄漏。

6、抽真空容易达到，氟利昂加注方便，并发明了一种有效的加速氟利昂加注的方法。在加注氟利昂时适当的利用外部热源给冷媒罐内的氟利昂加热可以加速氟利昂的加注。

7、高压氮气瓶与减压阀结合调压，易于加压泄压，系统设有安全阀18，回路具备超压保护能力，安全性高。

8、系统可调工况多，可进行亚临界、临界、超临界实验工况。通过调节预热段的加热功率可以控制实验段入口处氟利昂的温度，控制温度低于临界温度时可进行亚临界换热工况实验，温度处于临界点温度时可以进行临界换热工况实验，温度高于临界温度时可进行超临界实验工况。

9、温度压力监测点布置合理，易于掌握整个回路中氟利昂的物理状态。

附图说明

图1为本实验系统的系统图。

图2为实验段热电偶和压力压差传感器布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明一种超临界氟利昂换热实验系统，包括通过管道与主回路相连的第一阀门401和第一阀门401上游管道连接的真空泵1，第一阀门401连通真空泵抽气口与主回路，组成系统的抽真空模块；冷媒罐2、安装在冷媒罐2顶部管道上的第二阀门402、通过管道连接到第二阀门402下游的冷媒回收加注机3以及其下游管道上的第三阀门403，第三阀门403通过管道与主回路相连进而将冷媒罐2和冷媒回收加注机3与主回路连通，组成系统的氟利昂加注模块；在主循环回路上，屏蔽泵9上下游管道上各有一个三通，两个三通的垂直分支分别通过管道与第五阀门405两端相连构成一个旁通回路，该旁通回路协助调节泵的流量；屏蔽泵9上游管道上的第一过滤器801、第一过滤器801上游管道上的第四阀门404、第四阀门404上游管道上的温度传感器701、温度传感器701上游管道上的第一压力传感器601，它们的作用分别是过滤泵入口流体、调节泵入口流量、监测泵入口流体的温度和压力，以上组成了系统的泵入口调节监视模块；屏蔽泵9下游管道上的三通通过管道与第六阀门406相连，在第六阀门406左端管道一定距离上布置有第二压力传感器602，第二压力传感器602用来测量屏蔽泵9出口处的流体压力；第二压力传感器602左端管道上连接的回热器10、通过管道与回热器10并联的第七阀门407，第七阀门407通过调节开度控制流入回热器10的冷流体流量，组成系统的回热模块；安装在回热器10下游管道上的第一电动调节阀501，第一电动调节阀501下游管道上的第二过滤器802、第二过滤器802下游管道上的质量流量计11，组成系统的流量调节模块；预热段12安装在质量流量计11下游，预热段12的入口、中间和出口分别布置有夹持住管道的电极板，入口和出口处的电极板与第一台直流电源的负极相连，中间的电流板与第一台直流电源的正极相连，预热段12的下游管道上安装有第八阀门408，以上组成系统的预热模块；第八阀门408的下游管道上安装有一个三通，三通的两个出口分别引出一条管线；其中一条管线上依次安装有第十阀门410、第四压力传感器604、水平实验段14、第六压差传感器606、第十二阀门412，并且水平实验段14的入口、中间和出口处分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板分别与第二台直流电源的负极相连，中间的电极板与第二台直流电源的正极相连；另一条管线上依次安装有第九阀门409、第三压力传感器603、竖直实验段13、第五压差传感器605和第十一阀门411，并且竖直实验段13的入口、中间和出口分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第三台直流电源的负极相连，中间的电极板与第三台直流电源的正极相连；同时一个三通将第十二阀门412和第十一阀门411后的管线汇入第十三阀门413，第十四阀门414连通了竖直实验段下端与第十三阀门413的下游管道，以上两条管线及连接阀门和传感器组成系统的实验段模块；第十三阀门413下游管道连接回热器10的壳程(热流体通道)入口，回热器10的壳程(热流体通道)出口通过管道与冷凝器15相连；冷凝器15上游管道一定距离上安装有第二电动调节阀502和冷却泵16，下游管道连接流量计22和冷却塔17，第二电动调节阀502自动调节冷却水流量，以上组成系统的冷却模块；与冷凝器15并联的管道上安装有第十五阀门415用以调节通过冷凝器的热流体的流量；第十五阀门415下游管道上安装有一个三通，三通的一个出口直接与屏蔽泵9入口相连，另一个出口通过管道与稳压器20相连，稳压器20的顶部安装有安全阀18，侧上部安装有手动减压阀19，稳压器20的上部通过管道和第十六阀门416与高压氮气瓶21相连，通过开关第十六阀门416控制高压氮气瓶21内的氮气进入稳压器20进而对系统进行升压，当系统压力高于设定的安全极限压力值时，安全阀18自动起跳泄压，当系统压力低于安全极限压力值而又高于工况压力时，通过手动调节减压阀19对回路进行降压，以上组成系统的压力调节模块。

图1中箭头标示出了氟利昂的流动方向，其中第八阀门(408)下游直至第十五阀门415上游的管道内流动的为热态氟利昂，第十五阀门415下游直至第八阀门408上游的管道内流动的为冷态氟利昂。

如图2所示，所述水平实验段14和竖直实验段13的结构相同，所述竖直实验段13总长1100mm，上下两个负极间距870mm，每块电极板宽50mm，下端负极板安装在距下法兰115mm的位置上，上端负极板安装在距上法兰115mm的位置上，正极板安装在两个负极板正中间；距离下法兰50mm的管道上安装有一根引压管与第三压力传感器603相连。距离下法兰100mm的管道上安装有另一根引压管，在与该引压管对称的上部也有一根引压管，这两根引压管分别连接到第五压差传感器605的两端。在下端负极板上部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv1，之后依次布置贴片式热电偶Tv1-2、贴片式热电偶Tv2、贴片式热电偶Tv2-3、贴片式热电偶Tv3、贴片式热电偶Tv3-4和贴片式热电偶Tv4，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；在上负极板下部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv8，之后依次布置贴片式热电偶Tv7-8、贴片式热电偶Tv7、贴片式热电偶Tv6-7、贴片式热电偶Tv6、贴片式热电偶Tv5-6和贴片式热电偶Tv5，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；贴片式热电偶Tv4和贴片式热电偶Tv5之间的距离是100mm；在距实验段上法兰上方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tout，用来测量出口氟利昂的温度。在距实验段下法兰下方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tin，用来测量入口处氟利昂的温度。实验段上布置的所有热电偶和压力传感器以及压差传感器均通过采集板连接到信号处理器23上，以上组成系统的测量采集模块。

作为本发明的优选实施方式，所述实验系统的预热模块和实验段模块的管道表面包覆有保温层。

进一步地，所述保温层包括用细铁丝固定在预热模块和实验段模块管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

更进一步地，所述硅酸铝板包覆层的平均厚度大于150mm。

如图1所示，本发明超临界氟利昂换热实验系统的实验方法，试验开始前对回路进行充水充气加压检漏，确保回路在高压下无泄漏；对回路进行抽真空操作时，主回路上第四阀门404至第十五阀门415保持开启状态，抽真空支路上打开第一阀门401，关闭第三阀门403，开启真空泵1；回路加注氟利昂时，用冷媒回收加注机3将储藏在冷媒罐2里的氟利昂R-134a注入到实验系统中，此时应关闭第一阀门401，打开第二阀门402和第三阀门403，保持主回路第四阀门404至第十五阀门415为开启状态；停止氟利昂加注时，先关闭冷媒回收加注机3，再关闭第二阀门402和第三阀门403；对回路中的氟利昂进行升压操作时，为让高压氮气瓶21内的氮气进入稳压器20，应打开第十六阀门416；对回路中的氟利昂进行降压操作时，打开手动减压阀19；开启冷却模块时，打开第二电动调节阀502，开启冷却泵16；调节循环流量时，开启屏蔽泵9，根据流量计11上的示数利用第一电动调节阀501调节回路循环流量；调节屏蔽泵9的旁通流量时，打开第五阀门405，调节其开度；调节回热器10的旁通流量时，打开第七阀门407，调节其开度；调节冷凝器15的旁通流量时，打开第十五阀门415，调节其开度；调节冷却水流量时，根据流量计22的示数调节第二电动调节阀502；调节预热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；调节试验段加热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；进行水平段实验时，打开第十阀门410和第十二阀门412，关闭第九阀门409和第十一阀门411，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408、第十三阀门413和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403、第十四阀门414和第十六阀门416一直处于关闭状态；进行竖直段自下向上流向实验时，打开第九阀门409和第十一阀门411，关闭第十阀门410和第十二阀门412，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408、第十三阀门413和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403、第十四阀门414和第十六阀门416一直处于关闭状态；进行竖直段自上向下流动实验时，打开第十阀门410、第十二阀门412、第十一阀门411和第十四阀门414，关闭第九阀门409和第十三阀门413，第四阀门404、第五阀门405、第六阀门406、第七阀门407、第八阀门408和第十五阀门415一直处于开启状态，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第十六阀门416一直处于关闭状态；待回路稳态运行半小时后打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率的试验数据。

Claims (5)

1.一种超临界氟利昂换热实验系统，其特征在于：包括通过管道与主回路相连的第一阀门(401)和第一阀门(401)上游管道连接的真空泵(1)，第一阀门(401)连通真空泵抽气口与主回路，组成系统的抽真空模块；冷媒罐(2)、安装在冷媒罐(2)顶部管道上的第二阀门(402)、通过管道连接到第二阀门(402)下游的冷媒回收加注机(3)以及其下游管道上的第三阀门(403)，第三阀门(403)通过管道与主回路相连进而将冷媒罐(2)和冷媒回收加注机(3)与主回路连通，组成系统的氟利昂加注模块；

在主循环回路上，屏蔽泵(9)上下游管道上各有一个三通，两个三通的垂直分支分别通过管道与第五阀门(405)两端相连构成一个旁通回路，该旁通回路协助调节泵的流量；

屏蔽泵(9)上游管道上的第一过滤器(801)、第一过滤器(801)上游管道上的第四阀门(404)、第四阀门(404)上游管道上的温度传感器(701)、温度传感器(701)上游管道上的第一压力传感器(601)，它们的作用分别是过滤泵入口流体、调节泵入口流量、监测泵入口流体的温度和压力，以上组成了系统的泵入口调节监视模块；

屏蔽泵(9)下游管道上的三通通过管道与第六阀门(406)相连，在第六阀门(406)左端管道一定距离上布置有第二压力传感器(602)，第二压力传感器(602)用来测量屏蔽泵(9)出口处的流体压力；

第二压力传感器(602)左端管道上连接的回热器(10)、通过管道与回热器(10)并联的第七阀门(407)，第七阀门(407)通过调节开度控制流入回热器(10)的冷流体流量，组成系统的回热模块；

安装在回热器(10)下游管道上的第一电动调节阀(501)，第一电动调节阀(501)下游管道上的第二过滤器(802)、第二过滤器(802)下游管道上的质量流量计(11)，组成系统的流量调节模块；

预热段(12)安装在质量流量计(11)下游，预热段(12)的入口、中间和出口处分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第一台直流电源的负极相连，中间的电极板与第一台直流电源的正极相连，预热段(12)的下游管道上安装有第八阀门(408)，以上组成系统的预热模块；

第八阀门(408)的下游管道上安装有一个三通，三通的两个出口分别引出一条管线；其中一条管线上依次安装有第十阀门(410)、第四压力传感器(604)、水平实验段(14)、第六压差传感器(606)、第十二阀门(412)，并且水平实验段(14)的入口、中间和出口处分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第二台直流电源的负极相连，中间的电极板与第二台直流电源的正极相连；另一条管线上依次安装有第九阀门(409)、第三压力传感器(603)、竖直实验段(13)、第五压差传感器(605)和第十一阀门(411)，并且竖直实验段(13)的入口、中间和出口分别安装有夹持住管道的电极板，入口、出口处的电极板与第三台直流电源的负极相连，中间的电极板与第三台直流电源的正极相连；同时一个三通将第十二阀门(412)和第十一阀门(411)后的管线汇入第十三阀门(413)，第十四阀门(414)连通了竖直实验段下端与第十三阀门(413)的下游管道，以上两条管线及所连接的阀门和传感器组成系统的实验段模块；

第十三阀门(413)下游管道连接回热器(10)的壳程入口，回热器(10)的壳程出口通过管道与冷凝器(15)相连；

冷凝器(15)的冷却水管道上安装有第二电动调节阀(502)和冷却泵(16)，下游管道连接第二流量计(22)和冷却塔(17)，第二电动调节阀(502)自动调节冷却水流量，以上组成系统的冷却模块；

与冷凝器(15)并联的管道上安装有第十五阀门(415)用以调节通过冷凝器的热流体的流量；

第十五阀门(415)下游管道上安装有一个三通，三通的一个支路通过管道与屏蔽泵(9)入口相连，另一个支路通过管道与稳压器(20)相连，稳压器(20)的顶部安装有安全阀(18)，侧上部安装有手动减压阀(19)，稳压器(20)的上部通过管道和第十六阀门(416)与高压氮气瓶(21)相连，通过开关第十六阀门(416)控制高压氮气瓶(21)内的氮气进入稳压器(20)进而对系统进行升压，当系统压力高于设定的安全极限压力值时，安全阀(18)自动起跳泄压，当系统压力低于安全极限压力值而又高于工况压力时，通过手动调节减压阀(19)对回路进行降压，以上组成系统的压力调节模块；

其中第八阀门(408)下游直至第十五阀门(415)上游的管道内流动的为热态氟利昂，第十五阀门(415)下游直至第八阀门(408)上游的管道内流动的为冷态氟利昂；

所述水平实验段(14)和竖直实验段(13)的结构相同，所述竖直实验段(13)总长1100mm，上下两个负极间距870mm，每块电极板宽50mm，下端负极板安装在距下法兰115mm的位置上，上端负极板安装在距上法兰115mm的位置上，正极板安装在两个负极板正中间；距离下法兰50mm的管道上安装有一根引压管与第三压力传感器(603)相连；距离下法兰100mm的管道上安装有另一根引压管，在与该引压管对称的上部也有一根引压管，这两根引压管分别连接到第五压差传感器(605)的两端；在下端负极板上部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv1，之后依次布置贴片式热电偶Tv1-2、贴片式热电偶Tv2、贴片式热电偶Tv2-3、贴片式热电偶Tv3、贴片式热电偶Tv3-4和贴片式热电偶Tv4，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；在上负极板下部35mm处的管道壁面上布置贴片式热电偶Tv8，之后依次布置贴片式热电偶Tv7-8、贴片式热电偶Tv7、贴片式热电偶Tv6-7、贴片式热电偶Tv6、贴片式热电偶Tv5-6和贴片式热电偶Tv5，相邻的两个热电偶之间的距离是50mm；贴片式热电偶Tv4和贴片式热电偶Tv5之间的距离是100mm；在距实验段上法兰上方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tout，用来测量出口氟利昂的温度；在距实验段下法兰下方60mm处安装有一个插入管道内部的铠装热电偶Tin，用来测量入口处氟利昂的温度；实验段上布置的所有热电偶和压力传感器以及压差传感器均通过采集板连接到信号处理器(23)上，以上组成系统的测量采集模块。

2.根据权利要求1所述的超临界氟利昂换热实验系统，其特征在于：所述实验系统的预热模块和实验段模块的管道表面包覆有保温层。

3.根据权利要求2所述的超临界氟利昂换热实验系统，其特征在于：所述保温层包括用细铁丝固定在预热模块和实验段模块管道表面的硅酸铝板包覆层，缠绕在硅酸铝板包覆层外的玻璃丝布，粘贴在玻璃丝布外的铝箔纸。

4.根据权利要求3所述的超临界氟利昂换热实验系统，其特征在于：所述硅酸铝板包覆层的平均厚度大于150mm。

5.权利要求1至4任一项所述的超临界氟利昂换热实验系统的实验方法，其特征在于：试验开始前对回路进行充水充气加压检漏，确保回路在高压下无泄漏；

对回路进行抽真空操作时，主回路上第四至第十五阀门(404-415)保持开启状态，抽真空支路上打开第一阀门(401)，关闭第三阀门(403)，开启真空泵(1)；

回路加注氟利昂时，用冷媒回收加注机(3)将储藏在冷媒罐(2)里的氟利昂R-134a注入到实验系统中，此时应关闭第一阀门(401)，打开第二阀门(402)和第三阀门(403)，保持主回路第四至第十五阀门(404-415)为开启状态；

停止氟利昂加注时，先关闭冷媒回收加注机(3)，再关闭第二阀门(402)和第三阀门(403)；

对回路中的氟利昂进行升压操作时，为让高压氮气瓶(21)内的氮气进入稳压器(20)，应打开第十六阀门(416)；

对回路中的氟利昂进行降压操作时，打开手动减压阀(19)；

开启冷却模块时，打开第二电动调节阀(502)，开启冷却泵(16)；

调节循环流量时，开启屏蔽泵(9)，根据质量流量计(11)上的示数利用第一电动调节阀(501)调节回路循环流量；

调节屏蔽泵(9)的旁通流量时，打开第五阀门(405)，调节其开度；

调节回热器(10)的旁通流量时，打开第七阀门(407)，调节其开度；

调节冷凝器(15)的旁通流量时，打开第十五阀门(415)，调节其开度；

调节冷却水流量时，根据第二流量计(22)的示数调节第二电动调节阀(502)；

调节预热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；

调节实验段加热功率时，直接调节对应的直流电源的电压输出和电流输出；

进行水平段实验时，打开第十阀门(410)和第十二阀门(412)，关闭第九阀门(409)和第十一阀门(411)，第四阀门(404)、第五阀门(405)、第六阀门(406)、第七阀门(407)、第八阀门(408)、第十三阀门(413)和第十五阀门(415)一直处于开启状态，第一阀门(401)、第二阀门(402)、第三阀门(403)、第十四阀门(414)和第十六阀门(416)一直处于关闭状态；

进行竖直段自下向上流向实验时，打开第九阀门(409)和第十一阀门(411)，关闭第十阀门(410)和第十二阀门(412)，第四阀门(404)、第五阀门(405)、第六阀门(406)、第七阀门(407)、第八阀门(408)、第十三阀门(413)和第十五阀门(415)一直处于开启状态，第一阀门(401)、第二阀门(402)、第三阀门(403)、第十四阀门(414)和第十六阀门(416)一直处于关闭状态；

进行竖直段自上向下流动实验时，打开第十阀门(410)、第十二阀门(412)、第十一阀门(411)和第十四阀门(414)，关闭第九阀门(409)和第十三阀门(413)，第四阀门(404)、第五阀门(405)、第六阀门(406)、第七阀门(407)、第八阀门(408)和第十五阀门(415)一直处于开启状态，第一阀门(401)、第二阀门(402)、第三阀门(403)和第十六阀门(416)一直处于关闭状态；

待回路稳态运行半小时后打开测量采集模块开始记录压力、压差、流量、壁面温度、流体温度和加热功率的试验数据。