1 实验系统及数据处理

1.1 实验系统

超临界环己烷流动换热实验系统主要由流体供给、流动管路、压力控制装置、参数测量系统和数据采集系统5部分组成。实验过程中,测试流体由恒流泵加压后以恒定体积流量流入实验管路,其质量流量由高精度质量流量计测量监控,同时,恒流泵和质量流量计入口分别装有过滤器,防止杂质污染;流入实验管路的流体经预热段加热至预设温度后,流体进入测试段;测量后的流体经冷凝器冷却后流出实验系统;整个过程中的系统工作压力由出口处的背压阀进行调节。实验系统简图如图1所示,实验测试参数如表1所示。

图1 超临界环己烷流动换热实验台系统表1 实验测试参数

参数取值范围压力p/MPa4.0～5.5入口温度Tin/℃30～100热流密度q/kW·m-2158～450测试管长l/mm200～890测试管径d/mm1.0,2.0

图2 测试段热电偶的分布

实验过程中,选取一定管长和管径的316不锈钢管为测试管路,维持系统的测试压力与流体入口温度在某一恒定工况。将质量流量由高到代调节,可得到相应测试段下的压降值,进而得到压降随质量流量的变化曲线,即为所研究的水动力学特性曲线。测试压降由安放在管路进出口处的压差传感器(Rosemount 3051CD4)测定,而管路表面的温度由焊接在管外壁的K型热电偶(Omega TJ36)测定。针对不同管长的测试管路,热电偶也采用了不同的分布方式,如图2和表2所示。为了减少测试管路的热量损失,测试管路还包裹玻璃棉作绝热处理。实验过程中严格控制测试管壁的温度不超过540 ℃,流体出口温度Tout不超过420 ℃,以确保测试工质不发生化学反应。

表2 热电偶分布位置l/mmd/mmx0/cmx1/,,,

实验中采用纯度为摩尔分数99.5%的环己烷作为测试工质。

1.2 数据处理

测试段加热管外壁热流密度由下式获得

式中:I、U分别为交流电流与电压;Ql为加热管热损,计算为

1.691××10-10T4

其中T为测试温度。测试温度范围内,Ql控制在总功率的6%以内。

流体焓值计算为

式中:x为热电偶的分布位置;hb,in为流体入口焓值;min为流体质量流量。

在NIST软件中查询管中流体焓值,可以得到对应的主流流体温度Tb。

管内壁温度Twi(x)通过管外壁温度Two(x)及管内热源qv(x)计算得出

式中:λ为管材导热系数;qv(x)的计算公式为

实验过程中系统参数的不确定度如表3所示。表3中,对于可以直接测量的物理量,如流体温度、体积流量、压力和压降,这些物理量的不确定度是由对应测量设备和采集卡的精度共同决定的。对于通过一些计算得到的物理量,如加热功率、热流密度、质量流量和内壁面温度,这些物理量的不确定度是由与之相关的一些基本测量量的不确定度累积而成的。假设物理量F由n个基本测量量Fi(i=1,2,3,…,n)合成,则其不确定度为

因此,热流密度q的不确定度计算为

(7)表3 系统参数的不确定度参数不确定度/%参数不确定度/%流体温度/℃0.76压降/kPa3.83加热功率/W0.20热流密度/kW·m-21.40体积流量/mL·质量流量/g·s-11.91压力/MPa0.42管内壁温度/℃0.76

2 实验结果与讨论

2.1 水动力学多值性的存在

图3给出了在超临界压力(临界压力pcr=4.05 MPa)条件下,不同实验测试参数条件下获得的环己烷水动力学特性曲线,可以看出,水动力学特性曲线存在明显的负斜率区。因此,水动力学多值性在超临界流体中的存在性得到了证实。同时,多值性负斜率区间的斜率以及OFI随着压力p、入口温度Tin、热流密度q、管长l和管径d的不同而呈现出变化趋势。因此,需要针对不同的实验测试参数对超临界流体的水动力学多值性进行进一步详细的研究。

图3 超临界压力环己烷的水动力学特性曲线

2.2 压力对于水动力学多值性的影响

图4展示了水平圆管内水动力学特性曲线随着系统压力的变化规律,可以看出,随着系统压力的增大,水动力学特性曲线负斜率区域减小,即系统更加稳定。当系统压力低于临界压力(4.05 MPa)时,水动力学多值性明显,这是由相变点附近区域工质比体积的剧烈变化造成的[19]。当系统压力为4.5和5.5 MPa时,系统压力大于临界压力,同样存在负斜率区,这是因为与亚临界压力类似,超临界压力下工质在拟临界温度(见图4中所标注的直线288 ℃和303 ℃,这两个温度分别对应于4.5 MPa和5.5 MPa的拟临界温度)附近,密度急剧减小,比体积也受温度变化影响较大,只是程度相对要小一些。在超临界压力下,随着压力的增大,在拟临界温度附近,流体密度的变化趋势越来越平缓[13],同时,随着压力的增大,流体的拟临界温度增大,转变为超临界态点向后延迟,出现OFI对应的质量流量向低质量流量移动。因此,提高压力可以改善超临界压力下流体的水动力稳定性。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0302/537.html

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