基于多变量摄动的超临界CO2干气密封动态特性

超临界CO₂压缩机进口端干气密封工况处于临界点附近,强非线性物性及高Reynolds数流动使其密封特性异于常规介质干气密封。在综合考虑四种实际流体效应的稳态膜压求解模型基础上,基于摄动法推导了包括膜压、密度、黏度、Reynolds数、湍流系数和惯性系数在内的多变量摄动干气密封动特性数值模型。对比分析了超临界CO₂和N₂干气密封的动态特性,研究了不同频率比下各实际流体效应和变量摄动形式对超临界CO₂干气密封动特性系数的影响规律,获得了不同条件下动态特性的关键影响因素。结果表明：高频下超临界CO₂干气密封的刚度和阻尼系数较N₂干气密封降幅超过50%,湍流效应和实际气体效应对干气密封动态特性影响显著,低频下采用经典变量摄动和忽略湍流系数摄动会使动特性系数计算偏差很大,而高频下经典变量摄动模型对刚度系数的预测精度可接受。     

干气密封在CO2压缩机上的应用及操作要点

介绍了干气密封的结构、工作原理以及实际操作要点，并分析了出现故障的原因及防范措施。     

高速超临界二氧化碳干气密封实际效应影响分析

超临界二氧化碳介质物性的特殊性使得高速超临界二氧化碳干气密封中的多种实际效应突显,忽略这些实际效应可能会给干气密封稳态性能求解带来较大误差。以螺旋槽干气密封为研究对象,推导了考虑惯性项和实际流态的膜压控制方程,采用有限差分法求得膜压分布,对比分析了基于实际修正模型与经典简化模型的高速超临界二氧化碳干气密封气膜刚度和泄漏率,分析了不同介质压力和速度条件下实际气体效应、惯性效应和湍流效应对气膜刚度和泄漏率的影响规律,揭示了三种效应对稳态性能的单独影响及交互影响机理。结果表明：在本文给定条件下,经典简化模型在速度较小时求得的泄漏率偏小,而在超高速时求得的气膜刚度和泄漏率都偏小;在超高速条件下,实际气体效应使气膜刚度和泄漏率都显著增大,湍流效应使气膜刚度增大,而使泄漏率减小,惯性效应对气膜刚度和泄漏率影响很弱;实际气体效应与湍流效应对稳态性能影响之间具有很强的交互影响关系。     

超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象,分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化,在考虑阻塞流效应的同时,采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解,分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明:S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中,如果工况参数设置合理,将由超临界态逐渐转变为气态,并不会出现液态;较低的进口压力、进口温度以及转速,均会容易导致潜在的凝结流动发生;相比于工况参数对相态分布的影响,槽形参数对相态分布的影响较小,近乎可以忽略;开启力除了随进口温度的升高而减小外,均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大;泄漏率随进口温度和转速的增大而减小,但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

超临界CO2萃取丁香油的数值模拟

为了预测超临界CO₂萃取挥发油动态过程,根据挥发油在超临界CO₂与物料之间的质量传递平衡,采用集总参数法建立超临界CO₂萃取丁香油过程的数学模型。结合不同温度、压力、粒径和CO₂流速条件下的实验结果,对方程进行了合理的简化,并利用实验数据拟合出模型中CO₂密度、粒径和流速的系数。验证结果表明模型的计算值和实验值的平均相对误差在6. 88%～57. 78%之间,建立的数值模型能较好地描述实际的超临界CO₂萃取丁香油行为。     

传热模型对近临界工况CO2干气密封温压分布和稳态性能影响

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO₂近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO₂干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO₂和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明：以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO₂干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。     

超临界CO2萃取生姜油实验研究与数值模拟

利用自建的超临界流体萃取实验装置,以CO2为萃取剂,考察了萃取压力、温度、流体流量及原料颗粒度等因素对生姜油累积萃取率的影响,由此确定了较佳的萃取工艺条件。基于萃取器微分单元质量守恒原理,建立了数学模型,并利用直线推动力近似理论拟合了总传质推动力及平衡吸收常数,对实验结果进行了数值模拟。     

两步扩散模型对超临界CO2萃取丁香油的数值模拟

基于扩散模型方程和集总参数模型方程,首次建立了具有3个可调参数的两步扩散模型方程.该模型同时考虑固体颗粒内扩散阻力与内壁的阻力,能较好地描述超临界流体萃取过程.用两步扩散模型方程模拟了超临界CO<,2>萃取丁香油的动态过程,在实验温度与压力范围内模型计算值与实验数据的平均相对误差AARD在2.33%～19.48%之间,所有实验点的AARD为8.09%.而用扩散模型方程和集总参数模型方程模拟,所有实验点的AARD分别为17.51%和8.13%,表明两步扩散模型对于超临界CO<,2>萃取丁香油的传质过程的模拟效果优于扩散模型方程和集总参数模型方程.     

两步扩散模型对超临界CO2萃取丁香油的数值模拟

基于扩散模型方程和集总参数模型方程,首次建立了具有3个可调参数的两步扩散模型方程.该模型同时考虑固体颗粒内扩散阻力与内壁的阻力,能较好地描述超临界流体萃取过程.用两步扩散模型方程模拟了超临界CO<,2>萃取丁香油的动态过程,在实验温度与压力范围内模型计算值与实验数据的平均相对误差AARD在2.33%～19.48%之间,...     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

超临界CO2萃取胡椒油实验研究与数值模拟

建立了超临界流体萃取胡椒油实验装置,以CO2为萃取剂,考察了萃取压力、温度、CO2流量及原料颗粒大小等因素对胡椒油萃取率的影响,并由此确定了较佳的萃取工艺条件:压力22—26 MPa,温度313—323 K,胡椒颗粒度30—40目,CO2流量0.3—0.4 m3/h,胡椒油累积萃取率可达80%—90%。基于萃取器微分单元和固态原料颗粒微分单元质量守恒原理,建立了微分方程,利用直线推动力近似理论拟合总传质推动力及平衡吸收常数,化简方程,对实验结果进行了数值模拟。     

超临界CO2二元系统相平衡的数值模拟

应用微扰理论,借助微扰状态方程,对超临界CO2 系统相平衡进行了模拟。编制了求解程序,介绍了状态方程中各参数的确定方法和程序模块的设计思想。针对超临界CO2 /非极性体系、超临界CO2 /极性体系,在不同温度、压力条件下的气液相平衡进行了计算,将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明:微扰状态方程适合模拟超高压下的CO2 二元体系的相平衡。     

α-细辛醚在超临界CO2中溶解度的测定和计算

Solubility of α -asarone in supercritical carbon dioxide was measured and calculated by P-R equation and Chrastil method. Compared with experimental data, the average relative deviation of the calculated solubility of α -asarone is 25% and 8% for P-R equation and Chrastil method respectively,which indicates that the experimental results can be correlated well with Chrastil method.The Chrastil equation for the solubility of α -asarone in supercritical carbon dioxide was subsequently given, which can be applied to the prediction of solubility according to the practical supercritical conditions.     

超临界CO2抗溶剂法制备乙基纤维素微球试验

通过自行设计的超临界CO2微球制备装置,利用乙基纤维素丙酮混合溶液,制备了粒径偏差较小、表面光滑与球形度较好的乙基纤维素微球,采用正交试验讨论了温度、压力、溶液质量浓度、CO2流量对微球粒径与粒径分布的影响,分析了进气与进液方式对试验过程的影响。试验结果表明:改变工艺参数,可在较大范围内调控微球大小,所制微球平均粒径为0.2—2.6μm,粒径偏差为0.07—0.85μm;溶液质量浓度是主要影响因素;不同的汽液接触方式也将影响微球的大小。     

汉源花椒挥发油超临界CO2萃取与GC-MS分析

用超临界CO2萃取汉源花椒挥发油,并以GC-MS分析了其成分。通过正交实验确定超临界CO2萃取挥发油的优化条件为:以75%乙醇(添加量为原料质量的5%)为夹带剂、萃取压力30 MPa、萃取温度40℃、萃取时间2.0 h,此时,挥发油的收率为9.92%。用GC-MS分离出69个峰,鉴定出56种物质,主要成分为:芳樟丁酸酯(30.212%)、(1α,3α,4β,6α)-4,7,7-三甲基-双环[4.1.0]庚烷-3-醇(10.940%)、(+)-4-蒈烯(1.826%)、4-亚甲基-1-(1-甲基乙基)-双环[3.1.0]环己烷(1.109%)、β-月桂烯(1.170%)、柠檬烯(5.784%)、3,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇(5.742%)、n-棕榈酸(0.914%)、(Z,Z)-9,12-十八碳烯酸(2.952%)等。结果表明,汉源花椒挥发油的超临界CO2萃取收率比水蒸气蒸馏的收率高,且成分丰富。     

超临界CO2在水平螺旋管内的冷却换热特性

采用数值模拟和实验结合的方法研究超临界CO₂在水平冷却螺旋管内的换热特性。研究了质量流量、热通量及压力对传热系数的影响,并比较了直管和螺旋管在加热和冷却条件下的换热特性。结果表明,与直管相比,螺旋管对换热的强化作用随着质量流量的减小和压力的增加而增加。在相同热通量条件下,螺旋管的冷却换热的传热系数比加热的传热系数高,且由于浮升力的影响,加热条件下传热系数存在较大的振荡。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

RG-CPA方程计算超临界CO2-醇体系汽液相平衡

综合考虑缔合作用和密度涨落的影响,将经重整化群修正的CPA方程（RG-CPA方程）扩展到二元体系汽液相平衡的计算。通过一个温度下的汽液相平衡数据回归得到二元交互作用参数,预测其他温度下的相平衡。采用这种方法计算了超临界CO₂与醇二元体系的汽液相平衡性质和临界曲线。结果表明,RG-CPA方程预测超临界CO₂与醇二元体系的气液相组成和密度具有较高的精度,液相组分平均绝对偏差为0.032,气相组分平均绝对偏差为0.019。与原始CPA方程相比,RG-CPA方程能更好地预测气液临界曲线。     

泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究

超临界CO₂工质在太阳能热发电系统中的应用能够有效提升整个系统的效率、紧凑性和环境友好性,因此有必要优化超临界CO₂用太阳能集热器的综合性能。提出了泡沫材料有效热导率新的预测模型,并研究了不同泡沫材料填充方式对集热管内超临界CO₂流动与换热性能、管壁温度分布的影响规律。结果表明,环形填充方式（沿管内壁填充）的流动换热综合性能指标(j/j _c)/(f/f _c)^1/3最优,净吸热量最大,管壁最高温度最低且温度分布最均匀。     

分散染料在超临界CO2与聚酯纤维间平衡浓度分配关系

为了深入理解"分散染料-超临界CO2-聚酯纤维"三元体系相平衡特性.建立了三元相平衡高压实验装置,在温度353 k、373和393 K,压力17～32 MPa条件下,对分散橙25在超临界CO2与聚酯纤维(涤纶)之间的平衡浓度分配系数进行了测定.结果表明:分散染料在气-固两相间的分配系数随着操作压力的升高而减小,随着操作温度的升高而增大;操作压力和操作温度是影响超临界流体染色过程三元体系相平衡的重要因素;该实验方法是确定染料等固体小分子在气-固两相间分配关系的一种切实有效的方法.