一种超临界二氧化碳冷却压缩系统的制作方法

1.发明涉及超临界二氧化碳动力系统技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳冷却压缩系统。


背景技术：

2.超临界二氧化碳因为具有高密度粘性比的特性，非常适合用于紧凑型冷却器的换热工质。但是由于在不同热物理参数条件下的超临界二氧化碳热物性变化快，冷却器内结构突变引起的扰动会导致冷却器工作性能不稳定，为准确掌握冷却器内工质的热物性，制定稳定、高效的超临界二氧化碳冷却压缩系统的控制策略具有重要意义。


技术实现要素：

3.（一）要解决的技术问题本发明提出一种超临界二氧化碳冷却压缩系统，用以解决由于在不同热物理参数条件下超临界二氧化碳热物性变化快，冷却器内结构突变引起的扰动会导致冷却器工作性能不稳定的问题，达到提高超临界二氧化碳冷却压缩系统稳定性和热力循环效率的目的。
4.（二）技术方案一种超临界二氧化碳冷却压缩系统，包括：超临界二氧化碳冷却器、超临界二氧化碳压缩机、压缩机进口调节阀、压缩机驱动电机、流量计、密度计、压力传感器、数据处理单元。
5.超临界二氧化碳冷却器设有冷源通道和热流体通道；超临界二氧化碳压缩机的转轴通过联轴器与压缩机驱动电机的电机轴连接，超临界二氧化碳压缩机的转速与压缩机驱动电机的转速相同；流量计安装于超临界二氧化碳冷却器热流体通道出口和压缩机进口调节阀之间，分别通过管道与超临界二氧化碳冷却器的出口和压缩机进口调节阀的进口相连接，设有线缆端输出测量数据；密度计和压力传感器数量均大于等于2，每个密度计与压力传感器均插设于超临界二氧化碳冷却器的热流体通道上，每个密度计和每个压力传感器均设有测量端和线缆端；数据处理单元内预设超临界二氧化碳热物理性质表、超临界二氧化碳流动换热计算程序、压缩机进口调节阀特性表和超临界二氧化碳压缩机特性表，接收密度计传输的超临界二氧化碳密度数据和压力传感器传输的超临界二氧化碳压力数据后，计算获得超临界二氧化碳冷却器热流体通道出口热物理参数，向压缩机进口调节阀发出开度控制信号，向压缩机驱动电机发送转速控制信号；数据处理单元设有数据采集端通过线缆与所述密度计的线缆端、所述压力传感器的线缆端连接、设有信号输出端通过线缆与所述压缩机进口调节阀的接线端子和所述压缩机驱动电机的接线端子连接；
超临界二氧化碳冷却器的冷源通道内流通介质为冷却液，热流体通道内流通介质为超临界二氧化碳，热流体通道出口通过管道与流量计进口连接；每个密度计和压力传感器的测量端与热流体通道内流通介质直接接触，线缆端通过线缆与数据处理单元连接；超临界二氧化碳冷却器的热流体通道出口的超临界二氧化碳热物理参数随压缩机进口调节阀的开度变化而变化；数据处理单元预设的超临界二氧化碳热物理性质表描述了超临界二氧化碳流体密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数之间的关系，根据密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数的其中任意两个参数的值可获得密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等全部参数的值；数据处理单元预设的超临界二氧化碳流动换热计算程序根据冷却液的热物理参数和热流体通道出口的超临界二氧化碳流体流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等超临界二氧化碳热物理参数的数值可计算得到热流体通道出口的超临界二氧化碳流体速度、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数的数值；数据处理单元预设的超临界二氧化碳压缩机特性表描述了超临界二氧化碳压缩机的转速、效率和热流体通道出口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的关系，根据超临界二氧化碳压缩机进口超临界二氧化碳的热物理参数和临界二氧化碳压缩机的转速可得到超临界二氧化碳压缩机的效率，当超临界二氧化碳压缩机进口的超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据超临界二氧化碳压缩机特性表可计算得到最优效率对应的超临界二氧化碳压缩机转速，当超临界二氧化碳压缩机转速一定时，根据超临界二氧化碳压缩机特性表可计算得到最优效率对应的超临界二氧化碳压缩机进口超临界二氧化碳的热物理参数；数据处理单元预设的压缩机进口调节阀特性表描述了压缩机进口调节阀的开度和压缩机进口调节阀进口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的关系，根据压缩机进口调节阀进口的超临界二氧化碳的热物理参数和压缩机进口调节阀的开度可得到压缩机进口调节阀出口的超临界二氧化碳的热物理参数，当压缩机进口调节阀进口超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据压缩机进口调节阀特性表可计算得到超临界二氧化碳压缩机最优效率对应的压缩机进口调节阀的开度；压缩机进口调节阀的开度由数据处理单元的信号输出端输出的开度控制信号控制，压缩机驱动电机的转速由数据处理单元的信号输出端输出的转速控制信号控制。（三）技术效果数据处理单元接收多个密度计和压力传感器通过线缆传输的信号，根据预设的超临界二氧化碳热物理性质表，超临界二氧化碳流动换热计算程序准确地预测超临界二氧化碳冷却器的流动和传热性能，并根据预测结果向压缩机驱动电机发出转速控制信号，向压缩机进口调节阀发出开度控制信号，使超临界二氧化碳压缩机运行在最佳效率工况点，提高了超临界二氧化碳冷却压缩系统的系统稳定性和热力循环效率。
附图说明
6.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
7.图1是本发明实施例提供的超临界二氧化碳冷却压缩系统示意图；图中：1-超临界二氧化碳冷却器，2-超临界二氧化碳压缩机，3-压缩机进口调节阀，4-压缩机驱动电机，5-流量计，61-第一密度计，62-第二密度计，71-第一压力传感器，72-第二压力传感器，8-数据处理单元，9-联轴器，11-冷源通道，12-热流体通道，31-压缩机进口调节阀接线端子，42-压缩机驱动电机接线端子，51-流量计线缆端，611-第一密度计测量端，612-第一密度计线缆端，621-第二密度计测量端，622-第二密度计线缆端，711-第一压力传感器测量端，712-第一压力传感器线缆端，721-第二压力传感器测量端，722-第二压力传感器线缆端，811-第一数据采集端，812-第二数据采集端，813-第三数据采集端，814-第四数据采集端，815-第五数据采集端。
8.图2是本发明一实施例提供的数据处理单元工作流程示意图。
实施方式
9.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
10.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“热物理性质”、“管道”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
11.下面结合图1描述本发明实施例提供的超临界二氧化碳冷却压缩系统，包括：超临界二氧化碳冷却器1、超临界二氧化碳压缩机2、压缩机进口调节阀3、压缩机驱动电机4、流量计5、第一密度计61，第二密度计62、第一压力传感器71，第二压力传感器72、数据处理单元8。
12.超临界二氧化碳冷却器1设有冷源通道11和热流体通道12；超临界二氧化碳压缩机2的进口通过管道与压缩机进口调节阀3的出口连接；超临界二氧化碳压缩机2的转轴21通过联轴器9与压缩机驱动电机4的电机轴41连接，超临界二氧化碳压缩机2的转轴21与压缩机驱动4的电机轴41转速相同；流量计5安装于超临界二氧化碳冷却器1的热流体通道12的出口和压缩机进口调节阀3之间，流量计5通过管道与超临界二氧化碳冷却器1的热流体通道12的出口和压缩机进口调节阀3的进口相连接；第一密度计61，第二密度计62、第一压力传感器71，第二压力传感器72均插设于超临界二氧化碳冷却器1的热流体通道12上，第一密度计61设有第一密度计测量端611和第一
密度计线缆端612，第二密度计62设有第二密度计测量端621和第二密度计线缆端622，第一压力传感器71设有第一压力传感器测量端711和第一压力传感器线缆端712，第二压力传感器72设有第二压力传感器测量端721和第二压力传感器线缆端722；数据处理单元8的第一数据采集端811通过线缆与密度计61的线缆端612连接、第二数据采集端812通过线缆与密度计62的线缆端622连接、第三数据采集端813通过线缆与压力传感器71的线缆端712连接、第四数据采集端814通过线缆与压力传感器72的线缆端722连接、第五数据采集端815通过线缆与流量计线缆端51连接；数据处理单元8的第一信号输出端821通过线缆与压缩机进口调节阀接线端子31连接，向压缩机进口调节阀3输出开度控制信号用于控制压缩机进口调节阀3的开度，第二信号输出端822通过线缆与压缩机驱动电机接线端子42连接，向压缩机驱动电机4输出转速控制信号用于控制压缩机驱动电机4的转速。
13.数据处理单元8内预设超临界二氧化碳热物理性质表、超临界二氧化碳流动换热计算程序和超临界二氧化碳压缩机特性表，接收第一密度计61，第二密度计62传输的超临界二氧化碳密度数据和第一压力传感器71，第二压力传感器72传输的超临界二氧化碳压力数据后，计算获得超临界二氧化碳冷却器1的热流体通道12出口热物理参数，向压缩机进口调节阀3发出开度控制信号，向压缩机驱动电机发送转速控制信号；超临界二氧化碳冷却器1的冷源通道11内流通介质为冷却液，热流体通道12内流通介质为超临界二氧化碳，热流体通道12的出口通过管道与流量计5的进口连接；第一密度计测量端611、第二密度计测量端621、第一压力传感器测量端711、第二压力传感器测量端721均与热流体通道12内流通介质超临界二氧化碳直接接触；热流体通道12出口的超临界二氧化碳热物理参数随压缩机进口调节阀3的开度变化而变化，压缩机进口调节阀3的开度不同，热流体通道12出口的超临界二氧化碳热物理参数也不同，开度与热物理参数之间的具体关系由压缩机进口调节阀3的特性表确定；结合图2，描述数据处理单元8的工作流程，包括如下步骤：步骤s1：接收密度计61、62和压力传感器71、72测量的超临界二氧化碳密度和压力。
14.具体地，数据处理单元8预设的超临界二氧化碳热物理性质表描述了超临界二氧化碳流体密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数之间的关系，根据密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数的其中任意两个参数的值可获得密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等全部参数的值；步骤s2：将接收的密度和压力测量值代入预设的超临界二氧化碳热物理性质表，获取热流体通道12内的超临界二氧化碳热物理参数。
15.步骤s3：预设的超临界二氧化碳流动换热计算程序读取热流体通道内的超临界二氧化碳热物理参数，计算得到热流体通道12出口的超临界二氧化碳热物理参数。
16.具体地，数据处理单元8预设的超临界二氧化碳流动换热计算程序根据冷却液的热物理参数，计算得到热流体通道12出口的超临界二氧化碳流体速度、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数的数值；步骤s4：将热流体通道12出口的超临界二氧化碳热物理参数代入预设的压缩机进口调节阀特性表，获取压缩机进口调节阀3的开度和压缩机进口调节阀3出口的超临界二氧
化碳热物理参数。
17.具体地，数据处理单元8预设的超临界二氧化碳压缩机特性表描述了超临界二氧化碳压缩机2的转速、超临界二氧化碳压缩机2进口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的关系，根据超临界二氧化碳的热物理参数和临界二氧化碳压缩机2的转速可得到超临界二氧化碳压缩机2的效率，当超临界二氧化碳压缩机2进口的超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据超临界二氧化碳压缩机2的特性表可计算得到最优效率对应的超临界二氧化碳压缩机2的转速，当超临界二氧化碳压缩机2的转速一定时，根据超临界二氧化碳压缩机2的特性表可计算得到最优效率对应的超临界二氧化碳压缩机2进口超临界二氧化碳的热物理参数；步骤s5：向压缩机进口调节阀3发出开度控制信号。
18.步骤s6：将压缩机进口调节阀3出口的超临界二氧化碳热物理参数代入预设的超临界二氧化碳压缩机特性表，获取超临界二氧化碳压缩机2最佳效率工况点对应的转速。
19.步骤s7：向压缩机驱动电机4发出转速控制信号。
20.具体地，数据处理单元8预设的压缩机进口调节阀特性表描述了压缩机进口调节阀3的开度和压缩机进口调节阀3进口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的关系，根据压缩机进口调节阀3进口的超临界二氧化碳的热物理参数的和压缩机进口调节阀3的开度可得到压缩机进口调节阀3出口超临界二氧化碳的热物理参数，当压缩机进口调节阀3进口超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据压缩机进口调节阀特性表可计算得到超临界二氧化碳压缩机2的最优效率对应的压缩机进口调节阀3的开度；例如，数据处理单元8接收两个密度计和两个压力传感器通过线缆传输的信号，根据预设的超临界二氧化碳热物理性质表，超临界二氧化碳流动换热计算程序计算得到热流体通道出口的超临界二氧化碳的热物性参数为温度93.68℃、密度455.51kg/m3、比热2.48kj/kg
·
℃、比焓423.65 kj/kg、动力粘度3.51e-05pa
·
s、导热系数0.05w/m
·
℃、流速为10m/s，信号输出端82向压缩机进口调节阀3发出开度控制在50
°
的控制信号、向压缩机驱动电机4发出转速控制在25000rpm的控制信号，此时，超临界二氧化碳压缩机2稳定运行在最佳效率工况点，运行效率达到85%。
21.本发明提供的超临界二氧化碳冷却压缩系统，通过设置数据处理单元接收多个密度计和压力传感器通过线缆传输的测量信号，根据预设的超临界二氧化碳热物理性质表，超临界二氧化碳流动换热计算程序准确地预测超临界二氧化碳冷却器的流动和传热性能，并根据预测结果向压缩机驱动电机发出转速控制信号，向压缩机进口调节阀发出开度控制信号，使超临界二氧化碳压缩机运行在最佳效率工况点，提高了超临界二氧化碳冷却压缩系统的系统稳定性和热力循环效率。
22.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种超临界二氧化碳冷却压缩系统，包括：超临界二氧化碳冷却器、超临界二氧化碳压缩机、压缩机进口调节阀、压缩机驱动电机、流量计、密度计、压力传感器、数据处理单元，其特征在于，所述超临界二氧化碳冷却器设有冷源通道和热流体通道；所述超临界二氧化碳压缩机进口通过管道与所述压缩机进口调节阀出口连接；所述超临界二氧化碳压缩机的转轴通过联轴器与所述压缩机驱动电机的电机轴连接，所述超临界二氧化碳压缩机的转速与所述压缩机驱动电机的转速相同；所述流量计安装于所述热流体通道出口和所述压缩机进口调节阀之间，分别通过管道与所述热流体通道出口和所述压缩机进口调节阀的进口相连接，设有线缆端输出测量数据；所述密度计和所述压力传感器数量均大于等于2，每个所述密度计与压力传感器均插设于所述超临界二氧化碳冷却器的热流体通道上，每个所述密度计和每个所述压力传感器均设有测量端和线缆端；所述数据处理单元内预设超临界二氧化碳热物理性质表、超临界二氧化碳流动换热计算程序、压缩机进口调节阀特性表和超临界二氧化碳压缩机特性表，接收所述密度计传输的超临界二氧化碳密度数据和所述压力传感器传输的超临界二氧化碳压力数据后，计算获得所述超临界二氧化碳冷却器热流体通道出口热物理参数，向所述压缩机进口调节阀发出开度控制信号，向所述压缩机驱动电机发送转速控制信号；所述数据处理单元设有数据采集端通过线缆与所述密度计的线缆端、所述压力传感器的线缆端连接、设有信号输出端通过线缆与所述压缩机进口调节阀的接线端子和所述压缩机驱动电机的接线端子连接。2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳冷却器，其特征在于，所述冷源通道内流通介质为冷却液，所述热流体通道内流通介质为超临界二氧化碳，所述热流体通道出口通过管道与所述流量计进口连接。3.根据权利要求1所述的密度计和压力传感器，其特征在于，所述测量端与所述热流体通道内流通介质直接接触，所述线缆端通过线缆与所述数据处理单元连接。4.根据权利要求1所述的压缩机进口调节阀，所述热流体通道出口和所述压缩机调节阀进口的超临界二氧化碳热物理参数随所述压缩机进口调节阀的开度变化而变化。5.根据权利要求1所述的数据处理单元，其特征在于，预设的超临界二氧化碳热物理性质表描述了超临界二氧化碳流体密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数之间的关系，根据密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数的其中任意两个参数的值可获得密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等全部参数的值。6.根据权利要求1和5所述的数据处理单元，其特征在于，预设的超临界二氧化碳流动换热计算程序根据冷却液的热物理参数和所述热流体通道出口的超临界二氧化碳流体流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等超临界二氧化碳热物理参数的数值可计算得到所述热流体通道出口的超临界二氧化碳流体速度、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等参数的数值。7.根据权利要求1、5和6所述的数据处理单元，其特征在于，预设的超临界二氧化碳压缩机特性表描述了所述超临界二氧化碳压缩机的转速、效率和所述热流体通道出口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的
关系，根据所述超临界二氧化碳压缩机进口超临界二氧化碳的热物理参数和所述临界二氧化碳压缩机的转速可得到所述超临界二氧化碳压缩机的效率，当所述超临界二氧化碳压缩机进口的超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据超临界二氧化碳压缩机特性表可计算得到最优效率对应的所述超临界二氧化碳压缩机转速，当所述超临界二氧化碳压缩机转速一定时，根据超临界二氧化碳压缩机特性表可计算得到最优效率对应的所述超临界二氧化碳压缩机进口超临界二氧化碳的热物理参数。8.根据权利要求1、5至7所述的数据处理单元，其特征在于，预设的压缩机进口调节阀特性表描述了所述压缩机进口调节阀的开度和所述压缩机进口调节阀进口的超临界二氧化碳流量、密度、压力、温度、比热、比焓、动力粘度和导热系数等热物理参数之间的关系，根据所述压缩机进口调节阀进口的超临界二氧化碳的热物理参数和所述压缩机进口调节阀的开度可得到所述压缩机进口调节阀出口的超临界二氧化碳的热物理参数，当所述压缩机进口调节阀进口超临界二氧化碳的热物理参数一定时，根据压缩机进口调节阀特性表可计算得到所述超临界二氧化碳压缩机最优效率对应的所述压缩机进口调节阀的开度。9.根据权利要求1、5至8所述的数据处理单元，其特征在于，所述压缩机进口调节阀的开度由所述信号输出端输出的开度控制信号控制，所述压缩机驱动电机的转速由所述信号输出端输出的转速控制信号控制。

技术总结
本发明涉及超临界二氧化碳动力系统技术领域，提供一种超临界二氧化碳冷却压缩系统，包括超临界二氧化碳冷却器、超临界二氧化碳压缩机、压缩机进口调节阀、压缩机驱动电机、多个密度计、多个压力传感器、数据处理单元。每个密度计与压力传感器均插设于超临界二氧化碳冷却器热流体通道上，设有与超临界二氧化碳流体直接接触的测量端。数据处理单元接收多个密度计和压力传感器通过线缆传输的信号，根据预设的超临界二氧化碳物性表，准确地预测超临界二氧化碳冷却器的流动和传热性能，并根据预测结果向压缩机驱动电机发出转速控制信号，向压缩机进口调节阀发出开度控制信号，显著提高了超临界二氧化碳冷却压缩系统的系统稳定性和热力循环效率。力循环效率。力循环效率。


技术研发人员：劳星胜 宋苹 林原胜 赵振兴 柯志武 柯汉兵 李献领 廖梦然
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/20