CO2安全阀及其下游管路中的堵塞特性理论和实验研究

论文摘要

二氧化碳（CO2）作为环保工质近年来在制冷系统中得到了越来越多的关注,在这些系统中需要安装安全阀来保障系统的超压安全。在CO2制冷循环中CO2是高压的超临界流体或气液混合物,其工作压力为316 MPa,CO2三相点压力介于大气压力和系统工作压力之间,在通过安全阀排放的过程中可能形成固体CO2,即干冰,导致CO2安全阀和下游管路的冻结和堵塞。CO2安全阀的冻结和堵塞是推广CO2制冷系统必须解决的问题。本文对此进行了探索性研究。为了确定安全阀和下游管路中发生冻结和堵塞的可能性及其危害,本文采用曲折管和突扩管构造了恶劣流动条件,研究了安全阀排放堵塞特性及堵塞的危害性。本文搭建了CO2通过安全阀排放流动实验台,对常温下两相CO2节流排放过程中发生的安全阀冻结和堵塞特性进行了实验研究。实验中利用针阀代替安全阀,研究了开度和阀前蒸气干度对安全阀冻结和堵塞特性的影响;采用同心双透明玻璃管分别模拟类似全启式安全阀、比例式安全阀和内部被堵塞的安全阀内流道,实现了阀内流动可视化,确定了三种安全阀内部结构条件下安全阀冻结和堵塞特性。实验结果表明:存在一个最优的阀开度范围,在此范围内形成的固体CO2不容易发生沉积和堵塞;在排放高蒸汽干度的CO2时在下游管道中形成的固体CO2与气相CO2摩擦产生静电,产生的静电随安全阀进口蒸汽干度增加而增加,甚至会产生电火花;安全阀下游管路中的堵塞过程呈现周期性,气液两相流和气固两相流交替流过下游管路。在此实验研究的基础上,本文利用排放过程热力分析将实验观测的堵塞特性推广到更广泛的CO2安全阀的工作

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究对象
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 被保护容器内流体状态变化过程
• 1.3.2 安全阀排放质量流量
• 1.3.3 安全阀冻结
• 1.3.4 安全阀下游管道内流动
• 1.3.5 三相热质交换
• 1.3.6 研究现状总结
• 1.4 本文研究目标和技术路线
• 2排放堵塞的可能性及危害实验'>第2章 CO₂排放堵塞的可能性及危害实验
• 2.1 实验设计
• 2.1.1 恶劣流动条件设计
• 2.1.2 实验装置设计
• 2.2 实验结果
• 2.2.1 下游突扩管的实验结果
• 2.2.2 90°曲折管的实验结果
• 2.2.3 60°曲折管实验结果
• 2.3 本章小结
• 2安全阀及其下游管道内的堵塞特性实验研究'>第3章 CO₂安全阀及其下游管道内的堵塞特性实验研究
• 3.1 安全阀的结构和开启特性
• 3.2 实验用安全阀替代品选择和设计
• 3.2.1 针阀替代安全阀实验的可行性
• 3.2.2 采用玻璃管实现安全阀内流动可视化设计
• 3.3 实验装置
• 3.4 实验程序和数据处理
• 3.5 实验不确定性分析
• 3.6 实验结果
• 3.6.1 采用针阀代替安全阀的实验结果
• 3.6.2 采用玻璃管代替安全阀的实验观察结果
• 3.7 实验结果对其它工况的推广
• 2 安全阀冻结和堵塞的可能解决方案'>3.8 CO₂安全阀冻结和堵塞的可能解决方案
• 2 安全阀排放热力过程'>3.8.1 CO₂安全阀排放热力过程
• 2安全阀排放流动'>3.8.2 CO₂安全阀排放流动
• 2安全阀内局部加热防冻方案'>3.8.3 CO₂安全阀内局部加热防冻方案
• 3.8.4 高低压旁通和低压侧超压排放结合的防冻防堵方案
• 3.8.5 采用特殊结构安全阀防冻防堵方案
• 3.9 本章小结
• 2安全阀排放的堵塞位置仿真'>第4章 通过CO₂安全阀排放的堵塞位置仿真
• 4.1 仿真模型
• 4.2 实验结果与仿真结果比较
• 4.3 性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 安全阀下游突扩管路中的周期性堵塞过程仿真
• 5.1 下游突扩管路中沉积过程仿真
• 5.1.1 沉积过程描述
• 5.1.2 沉积过程模型
• 5.1.3 实验结果与仿真结果比较
• 5.1.4 气固两相流突扩流动沉积特性分析
• 5.2 下游管路中融化过程仿真
• 5.2.1 融化过程仿真模型
• 5.2.2 融化过程仿真算法
• 5.2.3 仿真结果与实验数据比较
• 5.2.4 融化过程性能分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要工作总结和结论
• 6.2 本文主要创新点
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文及专利