本發明涉及超臨界流體，具體涉及一種超臨界co2混合工質傳熱實驗系統及其運行方法。

背景技術：

1、1.1超臨界流體傳熱實驗系統

2、超臨界流體是熱力發電系統、余熱回收利用系統、制冷系統等動力循環運行過程中的能量傳遞和做功流體，超臨界co2混合工質動力循環操作靈活、循環熱效率高，具有良好的發展前景。超臨界流體傳熱實驗用于研究超臨界流體流動與傳熱特性，分析相關傳熱機理，為超臨界流體動力循環系統控制運行和關鍵設備開發設計提供基礎數據。目前，已有的超臨界工質傳熱實驗系統多以純工質為主，而針對co2混合工質的實驗系統較少。與純工質不同，混合工質的各組分物性相差很大，組分不易均勻混合，而且壓力、溫度、組分濃度等參數耦合，微小狀態參數變化會導致流動狀態和物性參數的變化，極易造成傳熱測量數據不準確。對于發展高效混合工質動力循環系統，亟待發明一種研究超臨界co2混合工質傳熱特性的實驗系統和方法，既保證各工質組分充分混合，又保證測試過程中壓力、溫度、流量等參數的穩定和靈活調控。

3、1.2但是，國內外超臨界co2混合工質傳熱特性的實驗系統和方法中，發明人發現還存在著不少缺點：

4、(1)工質混合不均勻

5、現有的實驗系統中，混合工質儲液罐位于實驗系統循環回路中，容易對實驗測量產生影響。當儲液罐中的混合工質未完全液相充滿時，極易出現氣液兩相，對于混合工質，氣相和液相各組分濃度經常不一致，當儲罐溫度和壓力發生變化，氣液兩相比例、液相混合工質組分濃度等跟隨變化，極易導致循環回路上工質組分濃度不一致，影響實驗數據準確性。

6、(2)壓力難調控、穩定性差

7、現有的超臨界混合工質實驗系統，多是通過旁路和背壓閥門聯合調節提升測試實驗段的壓力，任意一個調控不僅改變系統壓力，也會改變測試段流量，極難調控。另外，增壓泵多為容積式泵，本身存在較強的脈動，極易造成系統壓力的不穩定，且泵前的溫度、壓力變化影響泵后高壓測試段流量變化，穩定性差。

8、術語解釋：

9、1.超臨界流體：超臨界流體是一種溫度和壓力高于其臨界值的流體，如水的臨界溫度t＝374℃、臨界壓力p＝22.1mpa，二氧化碳臨界溫度t＝31.26℃，臨界壓力pc＝7.29mpa。當溫度和壓力高于這些值時，就成為超臨界流體。

10、2.超臨界co2混合工質：即co2和其它工質(如r134a、r41、水等)形成的混合物處于超臨界態，該混合工質可以作為新型動力系統或裝備能量或動力轉換工質，具有循環效率高、可操作性強等特點。

技術實現思路

1、有鑒于此，本說明書實施例提供一種超臨界co2混合工質傳熱實驗系統及其運行方法，以解決工質混合不均勻的問題。

2、本說明書實施例提供以下技術方案：一種超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，包括彼此獨立運行的混合工質注入模塊和工質循環換熱模塊，混合工質注入模塊與工質循環換熱模塊連接。

3、進一步地，混合工質注入模塊包括：第一高壓氣瓶；注入器，一端與第一高壓氣瓶連通，且第一高壓氣瓶與注入器之間的連接管路上設置有減壓閥和排氣閥；注入器的另一端與工質循環換熱模塊連接，且注入器的另一端與工質循環換熱模塊的連接管路上設置有氣源截止閥和充注截止閥。

4、進一步地，工質循環換熱模塊包括循環泵、過濾器、主循環回路和旁路，循環泵的出口分別連接主循環回路和旁路，且主循環回路和旁路與過濾器的入口連通，充注截止閥的出口和過濾器的出口均與循環泵的入口連接。

5、進一步地，主循環回路包括：壓力控制單元，一端與循環泵的出口連接；預熱器，入口與壓力控制單元的另一端連接，預熱器與壓力控制單元之間的連接管路上設置有質量流量計；試驗測試單元，入口與預熱器的出口連接，試驗測試單元的出口與旁路的出口連通并均與過濾器的入口連通。

6、進一步地，壓力控制單元包括：壓力控制器，設置有混合工質進口、混合工質出口和氣體連接口，混合工質進口與循環泵的出口連接，混合工質出口與預熱器的入口連接，氣體連接口置于壓力控制器的頂端；第二高壓氣瓶，與氣體連接口連接，且第二高壓氣瓶與氣體連接口之間的連接管路上設置有減壓閥和排氣閥。

7、進一步地，壓力控制器包括：筒體，具有內腔；第二移動活塞，置于筒體的內部，并將筒體分為高壓氣體腔和混合工質腔，混合工質進口和混合工質出口均與混合工質腔連接，氣體連接口與高壓氣體腔連接。

8、進一步地，混合工質腔中設置有止落環，位于混合工質進口和混合工質出口的上方。

9、進一步地，試驗測試單元包括：測試管路，與直流電源連接，測試管路的入口與預熱器的出口連接，測試管路的出口與旁路的出口連通并均與過濾器的入口連通；絕緣法蘭，對稱設置在測試管路的入口與出口處。

10、進一步地，超臨界co2混合工質傳熱實驗系統還包括：冷卻器，冷卻器的入口與測試管路的出口和旁路的出口連接；緩沖器，入口與冷卻器的出口連接，緩沖器的出口與過濾器的入口連接。

11、進一步地，注入器的外部設置有冷卻夾套；冷卻器通過冷水機與冷卻夾套連接換熱。

12、本發明還提供了一種運行方法，采用上述超臨界co2混合工質傳熱實驗系統進行，運行方法包括以下步驟：

13、步驟一、將氣體工質在注入器中液化形成混合工質；

14、步驟二、將混合工質注入工質循環換熱模塊；

15、步驟三、進行預冷循環，使混合工質依次經過循環泵、壓力控制單元、質量流量計、預熱器、試驗測試單元、冷卻器和緩沖器后返回循環泵；

16、步驟四、進行預熱器調控、系統壓力調控和實驗工況調控使試驗測試單元中的混合工質達到實驗數值要求，并采集記錄傳熱數據。

17、與現有技術相比，本說明書實施例采用的上述至少一個技術方案能夠達到的有益效果至少包括：混合工質注入模塊用于超臨界co2混合工質制備及充注，工質循環換熱模塊用于混合工質傳熱實驗，兩個模塊獨立運行，互不影響，從而能夠解決現有技術中存在的工質混合不均勻、壓力難調控、流量不穩定問題。

技術特征：

1.一種超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，包括彼此獨立運行的混合工質注入模塊和工質循環換熱模塊，所述混合工質注入模塊與所述工質循環換熱模塊連接。

2.根據權利要求1所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述混合工質注入模塊包括：

3.根據權利要求2所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述工質循環換熱模塊包括循環泵(9)、過濾器(8)、主循環回路和旁路，循環泵(9)的出口分別連接所述主循環回路和所述旁路，且所述主循環回路和所述旁路與過濾器(8)的入口連通，充注截止閥(7)的出口和過濾器(8)的出口均與循環泵(9)的入口連接。

4.根據權利要求3所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述主循環回路包括：

5.根據權利要求4所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述壓力控制單元包括：

6.根據權利要求5所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，壓力控制器(11)包括：

7.根據權利要求6所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述混合工質腔中設置有止落環(118)，位于所述混合工質進口和所述混合工質出口的上方。

8.根據權利要求4所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述試驗測試單元包括：

9.根據權利要求8所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，所述超臨界co2混合工質傳熱實驗系統還包括：

10.根據權利要求9所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統，其特征在于，

11.一種運行方法，采用權利要求1-10中任一項所述的超臨界co2混合工質傳熱實驗系統進行，其特征在于，所述運行方法包括以下步驟：

技術總結
本發明提供一種超臨界CO<subgt;2</subgt;混合工質傳熱實驗系統及其運行方法，其中，超臨界CO<subgt;2</subgt;混合工質傳熱實驗系統包括彼此獨立運行的混合工質注入模塊和工質循環換熱模塊，混合工質注入模塊與工質循環換熱模塊連接。本發明的有益效果為：混合工質注入模塊用于超臨界CO<subgt;2</subgt;混合工質制備及充注，工質循環換熱模塊用于混合工質傳熱實驗，兩個模塊獨立運行，互不影響，從而能夠解決現有技術中存在的工質混合不均勻、壓力難調控、流量不穩定問題。

技術研發人員：陳林,馮永昌
受保護的技術使用者：中國科學院工程熱物理研究所
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28