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CO_2安全阀及其下游管路中的堵塞特性理论和实验研究

作　者: 黄冬平
导　师: 丁国良；Hans Quack
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 二氧化碳安全阀堵塞沉积融化
分类号: TH134
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-23
  1.1 研究背景  12-14
  1.2 研究对象  14-16
  1.3 研究现状  16-21
    1.3.1 被保护容器内流体状态变化过程  16-17
    1.3.2 安全阀排放质量流量  17
    1.3.3 安全阀冻结  17-18
    1.3.4 安全阀下游管道内流动  18-19
    1.3.5 三相热质交换  19-21
    1.3.6 研究现状总结  21
  1.4 本文研究目标和技术路线  21-23
第2章 CO_2排放堵塞的可能性及危害实验  23-31
  2.1 实验设计  23-24
    2.1.1 恶劣流动条件设计  23-24
    2.1.2 实验装置设计  24
  2.2 实验结果  24-30
    2.2.1 下游突扩管的实验结果  24-28
    2.2.2 90°曲折管的实验结果  28-29
    2.2.3 60°曲折管实验结果  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第3章 CO_2安全阀及其下游管道内的堵塞特性实验研究  31-64
  3.1 安全阀的结构和开启特性  31-35
  3.2 实验用安全阀替代品选择和设计  35-40
    3.2.1 针阀替代安全阀实验的可行性  35-38
    3.2.2 采用玻璃管实现安全阀内流动可视化设计  38-40
  3.3 实验装置  40-42
  3.4 实验程序和数据处理  42-43
  3.5 实验不确定性分析  43-44
  3.6 实验结果  44-53
    3.6.1 采用针阀代替安全阀的实验结果  44-49
    3.6.2 采用玻璃管代替安全阀的实验观察结果  49-53
  3.7 实验结果对其它工况的推广  53-56
  3.8 CO_2 安全阀冻结和堵塞的可能解决方案  56-62
    3.8.1 CO_2 安全阀排放热力过程  56-58
    3.8.2 CO_2安全阀排放流动  58-59
    3.8.3 CO_2安全阀内局部加热防冻方案  59-60
    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  60-61
    3.8.5 采用特殊结构安全阀防冻防堵方案  61-62
  3.9 本章小结  62-64
第4章通过CO_2安全阀排放的堵塞位置仿真  64-73
  4.1 仿真模型  64-69
  4.2 实验结果与仿真结果比较  69
  4.3 性能分析  69-71
  4.4 本章小结  71-73
第5章安全阀下游突扩管路中的周期性堵塞过程仿真  73-100
  5.1 下游突扩管路中沉积过程仿真  73-87
    5.1.1 沉积过程描述  73-74
    5.1.2 沉积过程模型  74-78
    5.1.3 实验结果与仿真结果比较  78-83
    5.1.4 气固两相流突扩流动沉积特性分析  83-87
  5.2 下游管路中融化过程仿真  87-98
    5.2.1 融化过程仿真模型  88-94
    5.2.2 融化过程仿真算法  94-95
    5.2.3 仿真结果与实验数据比较  95-96
    5.2.4 融化过程性能分析  96-98
  5.3 本章小结  98-100
第6章结论与展望  100-102
  6.1 本文主要工作总结和结论  100-101
  6.2 本文主要创新点  101
  6.3 未来工作展望  101-102
参考文献  102-108
致谢  108-109
作者在攻读博士学位期间发表的学术论文及专利  109-110

CO_2安全阀及其下游管路中的堵塞特性理论和实验研究

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