阅读说明：本技术 并联管内超临界流体流量分配特性测量装置及测量方法 (Device and method for measuring flow distribution characteristics of supercritical fluid in parallel pipes ) 是由 颜建国 白晨光 郭鹏程 郑小波 孙帅辉 刘寿春 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了并联管内超临界流体流量分配特性测量装置及测量方法,测量装置包括储液罐,从储液罐的出口到进口通过管道依次连接过滤器、高压恒流泵、预热段、压力传感器、进口集箱、水平并联支路、出口集箱、第四阀门、第二阀门、水冷管段和背压阀,形成闭环回路；还包括高压气瓶,高压气瓶的出口通过管道依次连接减压阀和第一阀门,第一阀门的出口管路连接在第四阀门和第二阀门之间。储液罐出口和过滤器之间还连接有第三阀门。预热段出口与压力传感器之间连接有第一温度传感器。本发明完善了超临界流体流量分配的测量方法,提升了并联管内超临界流体流量分配测量技术,为超临界流体换热器设计和优化提供支撑。(The invention discloses a device and a method for measuring flow distribution characteristics of supercritical fluid in parallel pipes, wherein the measuring device comprises a liquid storage tank, and a filter, a high-pressure constant flow pump, a preheating section, a pressure sensor, an inlet header, a horizontal parallel branch, an outlet header, a fourth valve, a second valve, a water cooling pipe section and a back pressure valve are sequentially connected from an outlet to an inlet of the liquid storage tank through a pipeline to form a closed loop; the high-pressure gas cylinder is characterized by further comprising a high-pressure gas cylinder, an outlet of the high-pressure gas cylinder is sequentially connected with the pressure reducing valve and the first valve through a pipeline, and an outlet pipeline of the first valve is connected between the fourth valve and the second valve. A third valve is connected between the outlet of the liquid storage tank and the filter. A first temperature sensor is connected between the outlet of the preheating section and the pressure sensor. The invention improves the measuring method of the supercritical fluid flow distribution, improves the measuring technology of the supercritical fluid flow distribution in the parallel pipes and provides support for the design and optimization of the supercritical fluid heat exchanger.)

并联管内超临界流体流量分配特性测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于流体流量分配特性测量技术领域，涉及并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，还涉及该流量分配特性测量装置的测量方法。

背景技术

超临界流体是指温度与压力临界点以上，介于气体和液体之间的特殊的一种流体。流体达到超临界状态，密度接近于液体，黏度与扩散性接近于气体，具有十分优良的能量运输特性，因此在火电、核能、太阳能、地热能、燃料电池等领域有着广阔的发展前景。

由于超临界流体在拟临界点附近存在剧烈的物性波动，且流体的吸热过程大多在并联管路内进行，当并联管路的热流存在一定的偏差时，并联管路中的工质的密度也将出现偏差，密度的偏差导致管路阻力不一致，进而会产生流量分配不均的问题。流量分配不均现象使得管间的换热存在差异，引起热应力，威胁着换热设备的安全稳定运行。因此，提供一个系统简单、运行可靠、能准确测量超临界流体流量分配特性的试验平台及实验方法，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，解决了现有技术中存在的并联管内超临界流体流量分配测量技术不足的问题。

本发明的另一目的是提供上述流量分配特性测量装置的测量方法，解决了现有技术中存在的并联管内超临界流体流量分配测量技术不足的问题。

本发明所采用的技术方案是，并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，包括储液罐，从储液罐的出口到进口通过管道依次连接过滤器、高压恒流泵、预热段、压力传感器、进口集箱、水平并联支路、出口集箱、第四阀门、第二阀门、水冷管段和背压阀，形成闭环回路；还包括高压气瓶，高压气瓶的出口通过管道依次连接减压阀和第一阀门，第一阀门的出口管路连接在第四阀门和第二阀门之间。

本发明的特点还在于：

储液罐出口和过滤器之间还连接有第三阀门。

预热段出口与压力传感器之间连接有第一温度传感器。

水平并联支路包括水平平行设置的第一支路和第二支路，第一支路上通过管道依次连接有第一质量流量计、第一调节阀、第二温度传感器、第一试验加热段和第三温度传感器；第二支路上通过管道依次连接有第二质量流量计、第二调节阀、第四温度传感器、第二试验加热段和第五温度传感器。

第一支路上第一质量流量计进口和第一调节阀出口之间连接有第一压差传感器，第一试验加热段两端之间连接有第二压差传感器；第二支路上第二质量流量计进口和第二调节阀出口之间连接有第三压差传感器，第二试验加热段两端之间连接有第四压差传感器。

第一试验加热段和第二试验加热段两端部均相对设置有交流极板a和交流极板b，交流极板a上端和交流极板b上端之间设置有变压器，变压器通过导线连接调压器和交流电源，第一试验加热段和第二试验加热段壁面上均等间距焊接有六组热电偶丝。

第一温度传感器、压力传感器第一质量流量计、第一压差传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第二质量流量计、第三压差传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第四压差传感器均与数据采集及显示系统电连接；数据采集及显示系统包括数据采集板与操作工控机。

预热段两端相对设置有直流极板a和直流极板b，直流极板a和直流极板b之间通过导线连接直流电源。

进口集箱和出口集箱均采用圆形管道焊接而成，两端采用金属卡套堵头密封。

本发明所采用的另一技术方案是，并联管内超临界流体流量分配特性测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：检查实验台，保证电路无断线、漏电情况，保证管路部件无损坏、漏气现象；打开第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，打开数据采集及显示系统，保证各传感器运行正常；

步骤2：打开高压气瓶的阀门，调节减压阀至所需的进气压力后打开第一阀门，工质由高压气瓶灌入储液罐，进料完毕后，关闭高压气瓶阀门与第一阀门；

步骤3：打开第三阀门、第四阀门，确保整个回路处于联通状态后开启高压恒流泵，设置实验所需的流量后，调节背压阀与直流电源获得实验所需的压力与进口温度，调整第一调节阀与第二调节阀使第一支路和第二支路流量相等；

步骤4：调节第一支路上的调压器控制变压器输出的加热功率，对第一试验加热段施加固定的加热热流密度，调节第二支路上的调压器从零开始控制变压器逐渐增加第二试验加热段加热热流密度，使两支路的受热不一致；在改变第二试验加热段加热热流密度的过程中，使用数据采集及显示系统采集并记录等加热功率间距的热流变化时各传感器的信号；

步骤5：数据采集结束后，关闭交流电源、直流电源，最后关闭数据采集及显示系统。

本发明的有益效果是：

1.本发明并联管路内超临界流体流量分配特性的测量装置，进口集箱、出口集箱采用焊接连接，卡套密封，可根据实验调整集箱形式，大大提高了实验平台的适用范围，减少了测试系统的成本；

2.本发明并联管路内超临界流体流量分配特性的测量装置，预热段，两支路加热段均使用极板连接加热电源的方式进行电加热，加热热流均匀，加热响应时间短、效果好，热流密度高；

3.本发明并联管路内超临界流体流量分配特性的测量装置，数据采集系统同时收集所有的传感器信号，增强了系统的可靠性，提高了试验效率；

4.本发明为超临界流体能量转换系统设计的工程应用提供了可行性。

附图说明

图1是本发明一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置中加热段与极板的连接关系图；

图3是本发明一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置中预热段与极板的连接关系图。

图中，1.高压气瓶，2.减压阀，3.第一阀门，4.第二阀门，5.水冷管段，6.背压阀，7.储液罐，8.第三阀门，9.过滤器，10.高压恒流泵，11.预热段，12.第一温度传感器，13.压力传感器，14.进口集箱，15.第一质量流量计，16.第一调节阀，17.第一压差传感器，18.第二温度传感器，19.第一试验加热段，20.第三温度传感器，21.第二压差传感器，22.第二质量流量计，23.第二调节阀，24.第三压差传感器，25.第四温度传感器，26.第二试验加热段，27.第五温度传感器，28.第四压差传感器，29.出口集箱，30.第四阀门，31.数据采集及显示系统，32.交流电源，33.调压器，34.变压器，35.交流极板a，36.交流极板b，37.热电偶丝，38.直流电源，39.直流极板a，40.直流极板b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，如图1所示，包括储液罐7，从储液罐7的出口到进口通过管道依次连接过滤器9、高压恒流泵10、预热段11、压力传感器13、进口集箱14、水平并联支路、出口集箱29、第四阀门30、第二阀门4、水冷管段5和背压阀6，形成闭环回路；还包括高压气瓶1，高压气瓶1的出口通过管道依次连接减压阀2和第一阀门3，第一阀门3的出口管路连接在第四阀门30和第二阀门4之间。

储液罐7出口和过滤器9之间还连接有第三阀门8，减压阀8用于精确控制储液罐7中的进气压力。

预热段11出口与压力传感器13之间连接有第一温度传感器12。

水平并联支路包括水平平行设置的第一支路和第二支路，第一支路上通过管道依次连接有第一质量流量计15、第一调节阀16、第二温度传感器18、第一试验加热段19和第三温度传感器20；第二支路上通过管道依次连接有第二质量流量计22、第二调节阀23、第四温度传感器25、第二试验加热段26和第五温度传感器27。

第一支路上第一质量流量计15进口和第一调节阀16出口之间连接有第一压差传感器17，第一试验加热段19两端之间连接有第二压差传感器21；第二支路上第二质量流量计22进口和第二调节阀23出口之间连接有第三压差传感器24，第二试验加热段26两端之间连接有第四压差传感器28。

如图2所示，第一试验加热段19和第二试验加热段26两端部均相对设置有交流极板a35和交流极板b36，交流极板a35上端和交流极板b36上端之间设置有变压器34，变压器34通过导线连接调压器33和交流电源32，第一试验加热段19和第二试验加热段26壁面上均等间距焊接有六组热电偶丝37，用于检测第一试验加热段19和第二试验加热段26的壁面温度。

第一温度传感器12、压力传感器13第一质量流量计15、第一压差传感器17、第二温度传感器18、第三温度传感器20、第二质量流量计22、第三压差传感器24、第四温度传感器25、第五温度传感器27、第四压差传感器28均与数据采集及显示系统31电连接；数据采集及显示系统31包括数据采集板与操作工控机。

如图3所示，预热段11两端相对设置有直流极板a39和直流极板b40，直流极板a39和直流极板b40之间通过导线连接直流电源38。

进口集箱14和出口集箱29均采用圆形管道焊接而成，两端采用金属卡套堵头密封。

本发明并联管内超临界流体流量分配特性测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：检查实验台，保证电路无断线、漏电情况，保证管路部件无损坏、漏气现象；打开第二阀门4，关闭第三阀门8和第四阀门30，打开数据采集及显示系统31，保证各传感器运行正常；

步骤2：打开高压气瓶1的阀门，调节减压阀2至所需的进气压力后打开第一阀门3，工质由高压气瓶1灌入储液罐7，进料完毕后，关闭高压气瓶1阀门与第一阀门3；

步骤3：打开第三阀门8、第四阀门30，确保整个回路处于联通状态后开启高压恒流泵10，设置实验所需的流量后，调节背压阀6与直流电源38获得实验所需的压力与进口温度，调整第一调节阀16与第二调节阀23使第一支路和第二支路流量相等；

步骤4：调节第一支路上的调压器33控制变压器34输出的加热功率，对第一试验加热段19施加固定的加热热流密度，调节第二支路上的调压器33从零开始控制变压器34逐渐增加第二试验加热段26加热热流密度，使两支路的受热不一致；在改变第二试验加热段26加热热流密度的过程中，使用数据采集及显示系统31采集并记录等加热功率间距的热流变化时各传感器的信号；

步骤5：数据采集结束后，关闭交流电源32、直流电源38，最后关闭数据采集及显示系统31。

本发明一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，其工作过程如下：高压气瓶1、减压阀2、第一阀门3和减压阀8用于精确控制储液罐7中的进气压力，储液罐7与水冷管段5之间设置背压阀6，背压阀6用以调节试验回路中系统压力；储液罐7出口设置过滤器9用以过滤流体中的杂质，保护高压恒流泵10的稳定运行，高压恒流泵10抽取储液罐7中的试验工质，并为其提供动力；预热段11为工质加热，提供实验所需的进口温度，由大功率直流电源38为预热段11提供加热电流；第一温度传感器12测量预热段11工质出口温度，压力传感器13测量回路的系统压力。

如图1所示，进口集箱14将工质分流至两条水平并联支路，第一支路上设置第一质量流量计15用于测量支路工质质量流量，第一调节阀16用于调节支路工质质量流量以降低误差，第一压差传感器17用于测量第一质量流量计15与第一调节阀16的总压降；第二温度传感器18用于测量第一试验加热段19的进口温度，第一试验加热段19采用电加热，第三温度传感器20测量第一试验加热段19的出口温度，第二压差传感器21用于测量第一试验加热段19的压降；采用对称设计，第二支路上设置第二质量流量计22用于测量支路工质质量流量，第二调节阀23用于调节支路工质质量流量以降低误差，第三压差传感器24用于测量第二质量流量计22和第二调节阀23的总压降；第四温度传感器25用于测量第二试验加热段26的进口温度，第二试验加热段26采用电加热，第五温度传感器27测量第二试验加热段26的出口温度，第四压差传感器28用于测量第二试验加热段26的压降。出口集箱29汇集两支路工质，工质流过第四阀门30和第二阀门4后，由水冷管段5冷却，最后回到储液罐7，形成闭环回路，整个系统所有传感器传输的信号由数据采集及显示系统31采集并显示。

本发明一种并联管内超临界流体流量分配特性测量装置，其优点在于：本发明系统简单，运行可靠，能准确测量超临界流体流量偏差，及考察工况参数对流量偏差的影响，为超临界流体换热器设计提供理论基础，保证换热设备的安全稳定运行。