CO2压缩机级临界点附近压缩特性的数值研究

摘要

目前,在汽车空调、热泵热水器、石油化工等行业中,二氧化碳压缩机得到了越来越多的关注与应用。在大化肥行业,由于合成尿素的需要,二氧化碳需要被压缩到超临界压力来参与反应。以往的压缩机大都采用容积式,压缩过程不涉及流动过程。而在大容量离心压缩系统中,是通过叶轮高速旋转实现加压过程。在高压段的后几级压缩中,就会经历跨临界的压缩过程。在压力不太高、温度不太低的情况下,通常采用理想气体模型进行叶轮机械性能分析,而在临界点附近时,则必须考虑二氧化碳实际物性。因此在考虑二氧化碳物性的基础上,细致研究离心压缩机级内流动对提高二氧化碳离心式压缩机整机性能非常有必要。
　　本文首先细致的分析了应用不同湍流模型以及不同的工质(空气、二氧化碳)压缩过程的性能,确定了适宜的湍流模型;然后同时比较了不同工质的特性情况;然后使用了软件内置的多种物性定义方式来计算了二氧化碳在各个工况下的外特性,对整级以及单叶轮模型进行了计算与性能预测。本文通过靠近临界点的不同工况情况的比较来反应临界点对该处性能的影响,同时利用参数化分析,来一一分析了各个入口条件(压力、温度、流动角度、流量)的变化情况给性能与流动情况带来的影响,并细致的分析了三维流场特征,发现在临界点附近压缩因子等物性参数变化剧烈,在临界点附近实际物性与理想物性下的结果有着巨大的差异,实际物性得出结果更符合理论与实际。最后,本文基于实际物性,对该模型及物性进行了分析,通过不同的流量情况来给出内部失速与堵塞工况的严重程度,通过分析多变指数与效率导出实际物性下的多变功及效率计算公式,最后为此类高压级提出优化意见与建议。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2离心式压缩机的研究

1.3 离心式压缩机在化工行业中的应用

1.4课题研究的主要内容

第二章 级性能分析方法介绍

2.1 Numeca软件介绍

2.2叶轮机械网格划分特点

2.3计算方法

2.4本章小结

第三章 多种模型与物性的尝试

3.1二氧化碳压缩机组的概况

3.2二氧化碳压缩机高压级计算模型

3.3网格的处理

3.4网格无关性验证

3.5湍流模型的计算与比较

3.6单叶轮与级计算模式的对比

3.7 空气与二氧化碳的级性能对比

3.8二氧化碳物性的选择与比较

3.9本章小结

第四章 整级模型在两种物性下的比较

4.1临界点附近三种代表性工况下的性能与流动比较

4.2入口边界条件对压缩性能的影响

4.3 三维流场分析

4.4 本章小结

第五章 基于实际物性对该模型性能的分析与优化

5.1不同工况时内部物性变化的分析

5.2不同流量时内部流场的分析

5.3数值计算中的多变指数与效率的分析

5.4对高压段效率偏低的分析与解释

5.5本章小结

第六章 本文总结

6.1 全文工作总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文