CO2管内流动沸腾干涸特性研究

CO₂被认为是一种理想的替代制冷剂,具有良好的环境特性和优良的热力学特性。与传统制冷剂相比,CO₂有着十分不同的流动沸腾换热特性,过程会发生干涸将使其换热能力大幅下降。然而现有的干涸点预测公式都是基于各自的实验数据拟合得出,由于数据点太少和变量参数范围受限导致关联式的预测结果存在偏差。所以,通过对17篇文献中搜集的4986个实验数据点进行整理,分析得出质量流率、热通量、饱和温度和管径等影响因素对干涸点的影响趋势,并将数据点按大小压力分别拟合得出了干涸点的预测公式,有90%的数据点偏差小于15%,对干涸点预测,防止传热恶化有重要意义。     

水平微细管内CO2流动沸腾换热特性

对CO₂在水平微细管内流动沸腾换热进行了实验研究。实验工况：饱和温度-40～0℃,热通量5～35 kW·m^-2,质量流率200～1500 kg·m^-2·s^-1,管径1.5 mm。实验结果表明：热通量增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,同时加快干涸发展进程,降低干涸起始干度;质量流率对于传热系数的影响较小,随着质量流率的增加干涸起始干度降低,干涸后的传热系数有所增加;饱和温度对CO₂物性的影响是造成其不同工况时换热特性差异的主要原因,饱和温度升高干涸起始干度具有降低的趋势,且干涸后传热系数下降更为剧烈。通过与理论预测模型的对比研究：Cheng模型对干涸前具有较高的预测精度,在30%误差带内预测精度达到77.1%,绝对平均偏差为20.5%,干涸后对应预测精度比与绝对平均偏差仅为22.9%与57.8%。     

跨临界CO2热泵系统的喷射器特性

在自行研制的跨临界CO₂热泵热水器实验台上,通过调节系统中阀门开度控制喷射器的进出口压力和温度,研究喷射器的流量、喷射系数、压缩比和效率的变化规律。实验结果表明:同时增大工作流体压力和引射流体压力可以提高喷射器的工作性能,减小工作流体压力或者增大引射流体压力可以提高喷射器的工作完善度。高效率喷射器的研制是优化跨临界CO₂热泵系统的关键要素。     

CO2跨临界循环特性对热泵干燥系统的影响

对CO2跨临界循环的超临界放热特性和运行规律进行了分析,根据这些特性,对其应用于干燥热泵系统进行了探讨,并对蒸发温度、过热度及气体冷却器出口温度对系统除湿率的影响做出分析。研究表明CO2跨临界循环放热段存在大的温度滑移,气体冷却器出口温度低有利于系统运行,这些特点非常适合干燥系统,而且干燥系统除湿率也受到这些特性的影响,系统存在最优运行压力和最佳的蒸发温度与气体冷却器出口温度组合。     

CO2跨临界热泵系统特性再分析

在原有研究的基础上,结合实际系统,本文对CO₂跨临界热泵系统的特性进行再分析,通过参数计算,分析回热温度、气体冷却器出口温度、运行压力三种因素如何影响系统性能,提出提高CO₂热泵运行效率的方法。分析结果表明：回热器并不总有效,而是与气体冷却器出口温度有关,当温度小于某临界值时回热会降低系统运行制热性能系数COP_h,当温度大于此临界值时回热则有助于提高COP_h;对应气体冷却器出口温度存在最优压力,但实际压缩机的可承受压力是有限的,导致系统在某些气体冷却器出口温度下不能在最优压力下运行,同时在不同的排气压力下,存在气体冷却器出口温度最高限定值,否则COP_h不合理也不可接受;热泵出水温度以及气体冷却器出口温度共同影响系统排气压力的选择。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

一种带引射器和经济器的CO2跨临界制冷系统

在蒸发温度较低的工况下,CO₂跨临界循环高低压差过大,运行效率下降。针对CO₂跨临界循环特性,提出了一种带引射器和经济器的CO₂跨临界制冷系统,通过引射器部分回收工质膨胀功减小能量损失,可增加制冷量;合理设计CO₂压缩机和中间补气孔,采用经济器进行中间补气可减少系统压缩过程的能量损失。构建了热力学模型,研究表明该系统在较低蒸发温度工况下,相比于基础CO₂跨临界制冷系统系统性能可提升40%左右,其中压缩机排气温度可降低40℃左右,有利于系统稳定运行。同时对准二级压缩过程中分段效率计算问题提出近似公式,在一定范围内相比于传统计算方式误差从5%降低至2%。     

CO2管内流动沸腾换热模型评价研究

CO₂由于良好的环境特性和优良的热力学特性,被认为是一种理想的替代制冷剂。与传统制冷剂相比,CO₂有着十分不同的流动沸腾换热特性。然而现有的换热关联式都是基于各自的实验数据拟合得出,由于数据点太少和变量参数范围受限导致关联式的预测结果大相径庭。所以建立更加全面的CO₂管内流动沸腾换热数据库对不同换热模型进行对比分析,对于深入了解CO₂管内流动沸腾换热特性和研究更加准确的换热关联式具有重要意义。通过从24篇文献中搜集的4040个实验数据点对6个CO₂的管内流动沸腾换热模型进行对比分析,发现Fang（2013）关联式误差最低为10.6%,并绘制了气液相Reynolds数随管径的变化,气液相Reynolds数的变化的散点图以及Nusselt数随Bond数变化的趋势图,可为深入了解CO₂管内流动沸腾换热特性和将来研究更加准确的新型换热关联式提供参考。     

CO2跨临界喷射制冷循环计算分析

目前还很少有关于CO₂跨临界喷射式制冷循环的研究。本文对CO₂跨临界喷射制冷循环建立了热力学模型,计算了在不同的冷却压力、冷却器出口温度、加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度下,喷射器的喷射系数、跨临界喷射制冷循环性能系数(COP)和有效性能系数(COP_m)的变化趋势。结果表明:随着冷却器压力的升高,喷射器的喷射系数减小,循环的COP 和COP_m值先增大后减小,在某个冷却压力下存在最优值;提高冷却器的出口温度,循环的COP 和COP_m值均降低;提高加热器压力、加热器出口温度及蒸发温度均能增大喷射器的喷射系数和循环的COP_m值。     

采用分流过冷的跨临界CO2冷热联供系统性能

为了探索不借助外力即可实现跨临界CO₂冷热联供系统循环中工质过冷的方法,本文提出了三种采用系统循环内部工质分流实现过冷的跨临界CO₂循环系统形式,建立了系统循环热力学模型,通过模拟计算分析不同工况下系统性能变化规律。结果表明：在蒸发器与节流阀间分流的系统方案不会提高系统的性能;在气体冷却器与过冷器间分流的系统方案与在过冷器与节流阀间分流的系统方案对系统性能提升的效果相同,相对于在蒸发器与节流阀间分流的系统方案,综合循环性能系数（coefficient of performance,COP）最大可提高17.62%;采用分流过冷会提高压缩机的吸气压力,当气体冷却器出口CO₂温度确定时,存在最佳的排气压力使综合COP最高。因此,采用合理的分流过冷循环系统可以使跨临界CO₂冷热联供系统仅依靠自身循环实现过冷并提升系统性能。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

Measurements of the flow of supercritical carbon dioxide through short orifices

This paper describes the methods used to measure flow rate of supercritical and two-phase CO₂ through short orifices. Orifices with diameters of 1 millimeter and orifice length-to-diameter ratios of 3.2 and 5 were tested. Flow rates through these orifices were measured over a broad range of inlet conditions in the supercritical region with orifice inlet pressures ranging from 5 MPa to 11 MPa and inlet densities ranging from 86.5 kg/m³ to 630 kg/m³. The data were compared to the isentropic real gas model for expansion of a fluid through a nozzle in order to observe the behavior of the discharge coefficient. For a given orifice inlet condition, the single-phase discharge coefficient was found to be between 0.81 and 0.87 and was independent of the pressure ratio. The discharge coefficient increased as the pressure ratio decreased when two-phase CO₂ was present with orifice inlet pressures of 7.7 MPa and 9 MPa. The critical mass flow rate and critical pressure ratio were determined for each test. The raw data from this investigation are available on the internet.This paper describes the methods used to measure flow of supercritical and two-phase CO₂ through short orifices. Orifices with diameters of 1 millimeter and orifice length-to-diameter ratios of 3.2 and 5 were tested. Flow rates through these orifices were measured over a broad range of inlet conditions in the supercritical region with orifice inlet pressures ranging from 7.7 MPa to 11 MPa and inlet densities ranging from 111 kg/m³ to 630 kg/m³. The data were compared to the isentropic real gas model for expansion of a fluid through a nozzle in order to observe the behavior of the discharge coefficient. For a given orifice inlet condition, the single-phase discharge coefficient was found to be between 0.81 and 0.87 and was independent of the pressure ratio. The discharge coefficient increased as the pressure ratio decreased when two-phase CO² was present with orifice inlet pressures of 7.7 MPa and 9 MPa. The critical mass flow rate and critical pressure ratio were determined for each test. The raw data from this investigation are available on the internet.     

二氧化碳制冷系统毛细管的设计及实验研究

利用绝热毛细管内制冷剂流动特性的数学模型,在给定运行工况下,针对工质为二氧化碳的制冷系统用微元法编制了计算程序,模拟了二氧化碳毛细管内的流动曲线,得到毛细管流量与尺寸及进口压力的变化关系.搭建了小型二氧化碳跨临界循环制冷系统,通过实验研究,得出了该毛细管在不同的高压侧压力及气冷器出口温度下的流量特性曲线.将实验结果与模...     

Catalyst retention in continuous flow with supercritical carbon dioxide

This review discusses the retention of organometallic catalysts in continuous flow processes utilizing supercritical carbon dioxide. Due to its innovative properties, supercritical carbon dioxide offers interesting possibilities for process intensification. As a result of safety and cost considerations, processes that use supercritical carbon dioxide are preferably done in continuous flow, as they require a pressure upwards of 74 bar. Many of the reactions that benefit from the application of supercritical carbon dioxide also involve the use of a homogeneous catalyst however, requiring efforts to recycle the catalyst when these are applied in continuous flow. Alternatively, the catalyst may be retained in the reactor by modifying the process or catalyst, such as by catalyst immobilization, membrane separation, or biphasic processing exploiting the properties of supercritical carbon dioxide. Each of these methods is discussed, including their advantages and drawbacks. Also discussed are milli- and micro-flow processes and their possibilities for integrated catalyst retention and handling supercritical carbon dioxide.     

超临界二氧化碳垂直管内传热恶化数值模拟研究

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO₂)布雷顿循环燃煤发电系统中,炉膛内水冷壁管内S-CO₂传热恶化行为,对该系统的设计建造与安全运行具有重要意义。建立S-CO₂垂直上升管流动传热过程数值模型,开展S-CO₂在垂直上升管流动及传热行为的数值模拟研究,分析了压力、质量流量、热通量和管径以及由物性变化引起的浮升力效应与流动加速效应等因素对传热特性的影响。结果表明：对于垂直上升管内加热条件下的S-CO₂,提高其压力与质量流量有利于降低传热恶化程度。而提高热通量与管径则会加剧传热恶化。此外,在S-CO₂垂直上升管内,存在明显的浮升力效应,导致发生传热恶化现象,而流动加速效应对传热的影响可以忽略。最后,在内径为4~10 mm、压力为11.07~22.14 MPa、质量流量为0~1200 kg/(m²·s)、热通量为0~200 kW/m²的宽范围工况下,建立深度神经网络模型(DNN),提出了临界热通量预测关联式,其预测精度可提升至94.96%。     

水平微细管内CO2流动沸腾压降特性

对CO₂在内径1.5 mm水平微细管内流动沸腾换热摩擦压降特性进行了实验研究。实验工况：热通量（7.5～30 kW·m^-2）、质量流率（300～600 kg·m^-2·s^-1）、饱和温度（-40～0℃）。实验结果表明：热通量的增加对摩擦压降影响很小,几乎为零;质量流率是影响摩擦压降的最主要因素;随着饱和温度的升高摩擦压降减小;干度对摩擦压降影响主要由管内流型变化导致。将实测摩擦压降变化趋势绘制于CO₂流态图中,比较发现理论预测摩擦压降最大值落在环状流末端区域。实验过程中对各个工况管内流态进行可视化研究,理论分析所采用的流态形式与实际CO₂在微细通道内所具有的流态类型基本一致。     

间歇流条件下二氧化碳水合物生成诱导特性

为明确二氧化碳水合物在间歇流条件下诱导时间的变化规律,本文在高压水合物循环实验环路上进行了气团流及段塞流体系下的二氧化碳水合物生成实验,结果表明：气团流范围内诱导时间随流量增大而减小,而段塞流范围内诱导时间随流量增大而增大。分析产生该现象的原因为,气团流时,制约水合物成核的主要因素是气液接触面积,而在段塞流时,制约水合物成核的主要因素已变为温降速率下降导致的成核驱动力下降。同时,结合间歇流参数模型与气体水合物诱导时间模型,建立了流型对诱导时间影响的预测模型,模型计算值与实验值具有较好的吻合性,相对误差均在10%以内。     

间歇流下二氧化碳水合物生成形态与堵塞机理

为明确二氧化碳水合物在间歇流条件下的生成形态与堵塞机理,采用高压可视实验环路进行了气团流及段塞流体系下的二氧化碳水合物的生成实验,分析了气团流与段塞流下二氧化碳水合物生成及堵塞形态图像。结果表明：气团流下水合物主要生成位置为管道顶部,以持续增长的水合物层的形式逐步减小环路流通面积,最终导致堵塞;段塞流下水合物在液相及管道顶部均有大量生成,但受制于大流量的冲刷,顶部水合物层无法长期存在,破碎落入液相主体中,导致液相主体黏度上升,流动阻力增大,流速下降,进而为液相中絮状水合物的并聚成块提供条件,液相中水合物的不断聚集是段塞流下水合物堵管的主要原因。此外,段塞流下生成的中空水合物球体是一种特殊的水合物形态,这类水合物多形成于液塞区与液膜区交界处。由于其内包裹着气体,故而会浮于液相空间上部,也会受扰动而破碎成片状水合物,但都无法在顶部空间聚集紧实形成致密水合层。     

Lipase-catalyzed alcoholysis with supercritical carbon dioxide extraction 1: Influence of flow rate

A combined process of lipase (E.C. 3.1.1.3) catalysis and extraction of product with supercritical carbon dioxide was studied. The effect of different flow rates of the extraction fluid on the selective removal of the ethyl esters (EE) synthesized in a lipase-catalyzed alcoholysis of cod liver oil with ethanol was investigated. The faster the flow rate, the faster the extraction rate and the higher the recovery of EE. For example, after a 270-min extraction, the total recovery of EE was 1520 mg for a flow rate of 0.3 liter carbon dioxide at atmospheric pressure and room temperature/min (NL/min) as compared to 250 mg when 0.015 NL/min was used. The concentration of EE in the carbon dioxide was found to decrease with increasing flow rate, which indicates that the rate of diffusion of EE limits their extraction at fast flow rates. A high flow rate was found to result in a more selective extraction of EE, i.e., less amounts of other lipid components present in the reaction mixture were coextracted with the EE. Further, by increasing the flow rate, the equilibrium of the reaction was shifted slightly toward ester synthesis. An increase in the flow rate from 0.015 to 0.075 NL/min resulted in an approximately 10% increase in total conversion (from 73 to 82%), whereas only a negligible increase was obtained when the flow rate was increased further to 0.15 NL/min.