一种稳定的超临界二氧化碳供气系统和方法
技术领域
本发明涉及超临界、高差压流体制备领域，特别是涉及超临界二氧化碳的制备系统与方法。
背景技术
目前，超临界二氧化碳由于其高密度的特性广泛应用于各种透平与发动机中，对此类设备的相关研究需要稳定的超临界二氧化碳气源。因此，有必要针对各种压力和温度状态下的超临界二氧化碳进行制备。然而在高压差的作用下，超临界二氧化碳输出的压力与温度不稳定，且误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稳定的超临界二氧化碳供气系统和方法，以便准确的获得所需压力和温度下的超临界二氧化碳流体。
为了解决上述技术问题，本发明实施例是这样实现的：
一方面本发明提供了一种稳定的超临界二氧化碳供气系统，包括：二氧化碳气瓶、二氧化碳增压泵、容置有导热油的双层超临界二氧化碳储罐以及输送气路、进气管路、出气管路和温度传感器、压力传感器；其中，
所述二氧化碳气瓶由两个气瓶组成，为系统的初始气源，用于提供压力为6～8Mpa的二氧化碳气体；所述二氧化碳气瓶通过输送气路与所述二氧化碳增压泵相连，所述输送气路上设有第四阀门，第四阀门用于控制输送气路的通断；
所述二氧化碳增压泵通过进气管路与超临界二氧化碳储罐相连，所述进气管路上设有第五阀门以及压力传感器、温度传感器；第五阀门用于控制进气管路的通断；温度传感器用于测量二氧化碳增压泵的出口温度，压力传感器用于测量二氧化碳增压泵的出口压力；
所述超临界二氧化碳储罐通过出气管路与需要超临界二氧化碳的其他装置相连，所述超临界二氧化碳储罐中容置的导热油用于油浴加热二氧化碳，所述出气管路上设有第六阀门、第七阀门、第九阀门；第六阀门用于控制出气管路的通断，第七阀门用于控制超临界二氧化碳储罐是否泄压，第九阀门用于控制超临界二氧化碳储罐输出的介质压力。
可选地，所述的输送气路还包括：压力传感器与第一阀门、第二阀门、第三阀门；其中，
二氧化碳气瓶的数量为两个，两个压力传感器分别用于单独监测的二氧化碳气瓶的压力；第一阀门用于控制其中一个二氧化碳气瓶的开关、第二阀门用于控制其中另一个二氧化碳气瓶的开关；第三阀门用于更换二氧化碳气瓶时，排空输送气路内的二氧化碳。
可选地，所述系统还包括：压力传感器和温度传感器；其中，
所述压力传感器用于测量其他装置内超临界二氧化碳的压力；所述温度传感器用于测量其他装置内超临界二氧化碳的温度。
可选地，所述的超临界二氧化碳储罐包括：第一密闭容器、第二密闭容器、导流管；
在第一密闭容器的顶部设有第一连通孔、第二连通孔、第三连通孔和第四连通孔；第一连通孔为进气孔，第一连通孔通过进气管路与二氧化碳增压泵出口连接，第一连通孔下方设有用于引导流体的导流管；第二连通孔为出气口，通过出口管路与其他装置连接供气；
第三连通孔为用于连接温度传感器的温度测量孔，第四连通孔为用于连接压力传感器的压力测量孔；
第二密闭容器套在第一密闭容器外，组成储罐本体；第二密闭容器的侧壁设有第五连通孔、第六连通孔第七连通孔、第八连通孔、第九连通孔、第十连通孔；第五连通孔为用于连接压力传感器的压力测量孔；第七连通孔为用于连接温度传感器的温度测量孔；第六连通孔和第八连通孔为热油循环口，通过循环管路与循环油泵相连；第九连通孔、第十连通孔为与电加热器连接的电加热器接口，电加热器用于加热第二密闭容器内的导热油。
可选地，所述系统还包括：处理器；其中，
所述处理器与电加热器电连接，获取第一密闭容器的温度传感器、第二密闭容器的温度传感器和其他装置内的温度传感器检测的温度，通过计算温度传感器检测的温度的变化，控制电加热器的功率。
可选地，所述系统还包括：真空泵和抽真空管路；其中，
所述真空泵在抽真空管路上，所述抽真空管路与出气管路相连；所述抽真空管路上设有第八阀门；第八阀门用于控制抽真空管路的通断。
另一方面，本发明还提供了一种稳定的超临界二氧化碳供气方法，应用于上述实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统，应用于上述的超临界二氧化碳供气系统，所述方法包括：
供气系统进行真空抽气；
超临界二氧化碳储罐进行预热；
二氧化碳增压泵对二氧化碳进行增压；
在超临界二氧化碳储罐内制备稳定压力和温度的超临界二氧化碳；通过出口管路向需要超临界二氧化碳的其他装置供气。
可选地，在所述超临界二氧化碳供气系统包括抽真空管路的情况下，所述方法还包括：
若系统在真空泵的作用下达到设定真空度，控制抽真空管路上的阀门关闭。
可选地，在所述超临界二氧化碳储罐内制备稳定压力和温度的超临界二氧化碳，所述方法还包括：
当所述超临界二氧化碳储罐包括的第一密闭容器内的压力传感器读取的压力超过第一设定值后，控制所述二氧化碳增压泵停止工作，低于第一设定值时，控制所述二氧化碳增压泵启动打压；当运行过程中，打压后的所述第一密闭容器内的压力传感器读取的压力超过第二设定值时，控制第七阀门自动打开，进行泄压；
当所述超临界二氧化碳储罐包括的第二密闭容器内的温度传感器读取的导热油温度超过设定值后，控制所述电加热器停止工作，低于设定值时，控制所述电加热器启动加热；
可选地，控制所述出口管路供气温度压力的稳定，所述方法还包括：
若所述其他装置内的流体压力超过或低于设定值，则控制第九阀门的开度，以使所述其他装置内的流体压力调整至所述设定值；
若供气温度高于设定温度，则读取导热油温度与超临界二氧化碳储罐内的超临界二氧化碳温度，并根据读取的温度降低电加热器功率；
若供气温度低于设定温度，则读取导热油温度与超临界二氧化碳储罐内的超临界二氧化碳温度，并根据读取的温度提高电加热器功率。
本发明实施例中，为了保证超临界二氧化碳的温度与压力，设置了一个超临界二氧化碳储罐。在储罐内，超临界二氧化碳温度会根据高温导热油的温度进行变化，高温导热油通过电加热器进行加热，电加热器的功率会根据测得的内罐超临界二氧化碳温度进行变化，通过联调精确、稳定的控制超临界二氧化碳的温度。需要说明的是，储罐内部超临界二氧化碳的压力是波动的，增压泵会持续向超临界二氧化碳储罐里补充流体，超临界二氧化碳储罐输出压力在第九阀门的作用下能稳定的输出，达到制备与使用同时进行的状态。因此，与现有技术相比，本发明实施例能够便捷、准确地实现超临界二氧化碳的制备，并且输出稳定压力与温度的超临界二氧化碳。
附图说明
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1是本发明实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统的超临界二氧化碳储罐结构示意图。；
图2是本发明实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统的工作原理图；
图3是本发明实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统的操作步骤图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
参见图1，图中示出了本发明实施例提供的超临界二氧化碳储罐的结构示意图。如图1所示，该装置包括：第一密闭容器101、第二密闭容器102、导流管103、电加热器15、循环油泵13。
这里，第一密闭容器101和第二密闭容器102为可以为圆柱形容器。在第一密闭容器101的顶部设有四个连通孔，
第一连通孔111为进气孔，第一连通孔111通过进气管路52与二氧化碳增压泵12出口连接，第一连通孔111下方设有用于引导流体的导流管103。第二连通孔112为出气口，通过出口管路53与后续装置17连接供气。第三连通孔113为用于连接温度传感器422的温度测量孔，第四连通孔114为用于连接压力传感器414的压力测量孔；其中温度测量孔422下方设有保护套，保护传感器不耐高压的问题。
第二密闭容器102套在第一密闭容器101外，组成储罐本体。第二密闭容器102的侧壁设有第五连通孔115、第六连通孔116、第七连通孔117、第八连通孔118、第九连通孔119，第十连通孔120 第五连通孔115为用于连接压力传感器415的压力测量孔；第七连通孔117为用于连接温度传感器423的温度测量孔；第六连通孔116和第八连通孔118为热油循环口，通过循环管路55与循环油泵13相连；第九连通孔119、第十连通孔120为与电加热器15连接的电加热器接口，电加热器15用于加热第二密闭容器102内的导热油。
本发明实施例中，为了使油浴温度分布均匀，可以将循环油泵13 置于打开状态，导热油通过热油循环口118，在循环油泵13作用下泵入循环管路55，从热油循环口116流入第二密闭容器102，低出高进，实现均匀的油浴加热温度。需要说明的是，电加热器数量可选的增加，这样，可以满足更高加热温度的需求。
参见图2，图中示出了本发明实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统的工作原理图。如图2所示，该系统包括：二氧化碳气瓶11、二氧化碳增压泵12、容置有导热油的双层超临界二氧化碳储罐14、循环油泵13、真空泵16，电加热器15以及输送气路51、进气管路52、出气管路53、抽真空管路54，循环管路55、阀门、温度传感器、压力传感器和处理器(图中未示出)。
这里，二氧化碳气瓶11由两个气瓶组成，为系统的初始气源，用于提供压力为6～8MPa的二氧化碳气体。二氧化碳气瓶11通过输送气路51与二氧化碳增压泵12相连，输送气路上设有第四阀门34，第四阀门34控制输送气路的通断。
这里，第四阀门34可以为手动阀门或电动阀门。具体的，第四阀门34可以为电磁阀。
二氧化碳增压泵12通过进气管路52与超临界二氧化碳储罐14相连，所述进气管路52上设有第五阀门35以及压力传感器413、温度传感器421；第五阀门35用于控制进气管路52的通断；温度传感器 421用于测量二氧化碳增压泵12的出口温度，压力传感器413用于测量二氧化碳增压泵12的出口压力。这里，第五阀门35可以为手动阀门或电动阀门。具体的，第五阀门35可以为电磁阀
容置有导热油的双层超临界二氧化碳储罐14为图1所述设备，用于稳定超临界二氧化碳的压力与温度。超临界二氧化碳储罐14中容置的导热油通过电加热器15、循环油泵13和循环管路55用于油浴加热二氧化碳。超临界二氧化碳储罐14通过出气管路53与需要超临界二氧化碳的其他装置17相连。
出气管路53上设有第六阀门36、第七阀门37和第九阀门39；第六阀门36用于控制出气管路53的通断，第七阀门37用于控制超临界二氧化碳储罐14是否泄压，第九阀门39用于控制超临界二氧化碳储罐14输出的介质压力。这里，第六阀门36、第七阀门37和第九阀门39可以为电动阀门。具体的，第六阀门36、第七阀门37可以为电磁阀，第九阀门39为电动调节阀。
可选地，该输送气路51还包括：压力传感器411、压力传感器412 与第一阀门31、第二阀门32、第三阀门33；其中，
输送气路上设有压力传感器411和压力传感器412，压力传感器 411用于监测其中一个二氧化碳气瓶11的压力，压力传感器412用于监测其中另一个二氧化碳气瓶11的压力。第一阀门31用于控制其中一个二氧化碳气瓶11的开关，第二阀门32用于控制另一个二氧化碳气瓶11的开关，第三阀门33用于更换二氧化碳气瓶11时，排空输送气路51内的二氧化碳。
这里，第一阀门31、第二阀门32和第三阀门33可以为手动阀门或电动阀门。具体的，第一阀门31、第二阀门32可以为电磁阀，第三阀门33可以为截止阀。
本实施例中，若使用多个二氧化碳气瓶，可以先将第一阀门31置于开启状态，接入第一个气瓶。根据压力传感器411监测的二氧化碳气瓶11压力，若压力低于设定值，则表示二氧化碳气瓶11内的气体消耗完毕。这时，将第二阀门32置于开启状态，并将第一阀门31置于关闭状态，接入第二个气瓶供气。需要指出的是，在更换二氧化碳气瓶11时，输送气路内会残留有压力的二氧化碳，这时，需要打开第三阀门33排空二氧化碳，再进行气瓶的拆卸，避免管路压力造成危险。
可选地，该系统还包括：压力传感器417和温度传感器424；其中，
压力传感器417用于测量其他装置17内超临界二氧化碳的压力，温度传感器424用于测量其他装置17内超临界二氧化碳的温度。
本实施例中，根据测量所得的其他装置17内超临界二氧化碳压力与温度，能够准确的调整系统的供气压力与温度，实现稳定的超临界二氧化碳供气。
可选地，该系统还包括：处理器；其中，
处理器与电加热器15电连接，获取温度传感器422、温度传感器 423和温度传感器424检测的温度，通过计算温度传感器检测的温度的变化，控制电加热器15的功率。
本实施例中，为了准确控制超临界二氧化碳温度的稳定，处理器通过计算温度传感器检测的温度的变化之后，处理器可以运行计算机程序，依据特定的转换关系，控制电加热器的功率。这里，通过处理器能实现稳定的超临界二氧化碳供气的温度，误差大大减小。
可选地，该系统还包括：真空泵16和抽真空管路54；其中，
真空泵16在抽真空管路54上，抽真空管路54与出气管路53相连，抽真空管路54上设有第八阀门38，第八阀门38用于控制抽真空管路54的通断。这里，第八阀门38可以为电动阀门。具体的，第八阀门38可以为电磁阀。
本实施例中，为了使系统制备的超临界二氧化碳纯度提高，可以将第八阀门和真空泵置于开启状态，将整个系统管路的空气抽除。当管路真空度到达设定值时，第八阀门关闭和真空泵也停止运作。
综上，本实施例中，通过超临界二氧化碳储罐的稳压，处理器控制电加热器根据温度变化改变其功率实现的温度稳定，能够便捷准确地实现本系统制备和供应指定温度、压力下的超临界二氧化碳。
参见图3，图中示出了本发明实施例提供的一种稳定的超临界二氧化碳供气系统的操作步骤图。该方法应用于上述一种稳定的超临界二氧化碳供气系统。如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤301：供气系统进行真空抽气；
步骤302：超临界二氧化碳储罐进行预热；
步骤303：二氧化碳增压泵对二氧化碳进行增压；
步骤304：在超临界二氧化碳储罐内制备稳定压力、温度的超临界二氧化碳；
步骤305：通过出口管路向需要超临界二氧化碳的其他装置供气。
可选地，在超临界二氧化碳供气系统包括抽真空管路的情况下，该方法还包括：
若系统在真空泵的作用下达到设定真空度，控制抽真空管路上的阀门关闭。
需要说明的是，在超临界二氧化碳储罐内制备稳定压力和温度的超临界二氧化碳，包括：
当超临界二氧化碳储罐包括的第一密闭容器内的压力传感器读取的压力超过第一设定值后，控制二氧化碳增压泵停止工作，低于第一设定值时，控制二氧化碳增压泵启动打压；当运行过程中，打压后的第一密闭容器内的压力传感器读取的压力超过第二设定值时，控制第七阀门自动打开，进行泄压；
当所述超临界二氧化碳储罐包括的第二密闭容器内的温度传感器读取的导热油温度超过设定值后，控制所述电加热器停止工作，低于设定值时，控制所述电加热器启动加热；
需要说明的是，控制出口管路供气温度压力的稳定的方式，包括：
若所述其他装置内的流体压力超过或低于设定值，则控制第九阀门的开度，以使所述其他装置内的流体压力调整至所述设定值；
若供气温度高于设定温度，则读取导热油温度与超临界二氧化碳储罐内的超临界二氧化碳温度，并根据读取的温度降低电加热器功率；
若供气温度低于设定温度，则读取导热油温度与超临界二氧化碳储罐内的超临界二氧化碳温度，并根据读取的温度提高电加热器功率。
本发明实施例中，可以通过增压泵对二氧化碳进行增压，超临界二氧化碳储罐对二氧化碳进行加热，并根据温度传感器与电加热器的联调，电动调节阀的功能，实现供气的温度、压力保持稳定。由于使用循环的导热油进行加热，受热均匀且调整精度高，即使超临界二氧化碳储罐的供气温度波动大，通过利用温度传感器读取的变化来进行电加热器的功率调控，能够较好地保证供气温度准确性和可靠性。因此，与现有技术相比，本发明实施例能够便捷准确地实现制备和供应指定温度、压力下的超临界二氧化碳。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
