导读：2008年第36卷第01期流体机械，超临界压力下CO2流体的性质研究，摘要:为了全面了解CO2在气体冷却器中的流动及传热特性以及为设计高效气体冷却器提，结果表明,CO密度、导热系数以及粘度在准临界点附近的变化非常剧烈，针对CO2的比热、2比热的变化特点,得到了准临界温度的计算关联式,并给出了准临界，CO导热系数以及粘度变化最大时的温度2的密度、与准临界温度相当接近，微观分析表明,超临界CO流体2008年第36卷第01期　　　　　　　　　　流　体　机　械　　　　　　　　　文章编号:　(53―0553制冷空调超临界压力下CO2流体的性质研究杨俊兰1,2,马一太,曾宪阳,刘圣春111(1.天津大学,天津　.天津城市建设学院,天津　300384)摘　要:　为了全面了解CO2在气体冷却器中的流动及传热特性以及为设计高效气体冷却器提供理论基础,对超临界COOO2流2流体的性质进行了深入的研究,在三维图上分析了温度和压力对超临界C2热物理性质的影响,并对超临界C体进行了微观分析。结果表明,CO密度、导热系数以及粘度在准临界点附近的变化非常剧烈。针对CO2的比热、2比热的变化特点,得到了准临界温度的计算关联式,并给出了准临界区定义。CO导热系数以及粘度变化最大时的温度2的密度、与准临界温度相当接近。微观分析表明,超临界CO流体分子间的作用力比较小,分子在临界区附近的聚集行为特别显2著,这可以用来解释近临界区CO2物性独特的原因所在。关键词:　超临界CO热物理性质;准临界温度;准临界区;分子聚集2;中图分类号:　TB6　　　　文献标识码:　AStudyonthePropertiesofCOluidatSupercriticalPressure2F1,2111YANGJun-lan,MAYi-tai,ZENGXian-yang,LIUSheng-chun(1.TianjinUniversity,Tianjin.TianjinInstituteofUrbanConstruction,Tianjin300384,China)Abstract:　InordertounderstandtheflowandheattransfercharacteristicsofCOfluidinthegascoolerandprovideindispensa-2bletheoreticalbasisfordesigninghighefficiencygascooler,thepropertiesofsupercriticalCO2fluidarestudiedthoroughly.Theeffectoftemperatureandpressureonthethermo-physicalpropertiesofsupercriticalcarbondioxidearetheoreticallyanalyzedinthethreedimensionalgraphs.AlsothepropertiesofsupercriticalCO2fluidareanalyzedbymicrocosmic.TheresultsshowthatCOspecificheat,density,thermalconductivityandviscosityvaryabruptlynearthepseudocriticaltemperature.Accordingtothe2characteristicsofCOpecificheat,thecorrelationsofthepseudocriticaltemperatureareobtainedandthepseudocriticalregionis2sdefined.ItisalsofoundthatthetemperaturesatwhichtheCO2density,thermalconductivityandviscositypossessesthemaxi-mumchangeareveryclosertothepseudocriticaltemperature.ThemicrocosmicanalysisshowsthattheappliedforcebetweenthesupercriticalCOolecularisrelativelysmall.Themolecularaggregationbehaviornearthecriticalregionisveryobvious,which2misthemainreasonfortheuniqueCOropertiesnearthecriticalregion.2pKeywords:　supercriticalCOthermo-pseudmolecularaggre-2;gates1　前言CO2跨临界制冷循环的特点是放热过程发生在超临界压力下,由于没有相变发生,这一过程的换热设备被称为气体冷却器。为了全面了解CO2收稿日期:　的流动及传热特性以及设计高效气体冷却器,有必要对超临界CO2流体的性质进行深入研究。一般意义上的超临界流体是指高于临界温度和临界压力而接近临界点的流体。超临界CO2流体是一种高密度气体。从物理性质上,它兼有气体和液基金项目:　国家自然科学基金项目();天津市自然科学基金项目(06YFJMJC05400)54　　　　　　　　　　　　　　FLUIDMACHINERY　　　　　　　　　　　Vol.36,No.01,2008体双重特性,即密度高于气体,接近液体;粘度与气体相似,比液体大为减小;扩散系数接近于气体,大约为液体的10100倍,因而具有较好的流动性和传输特性。图1给出了CO2的相图。这里主要分析温度和压力对CO2流体的物性影响。超临界流体在临界区附近的一个重要特征是,热物理参数随温度和压力的变化非常剧烈。图2～5分别给出了超临界压力下CO2的比热、密度、导热系数以及粘度随温度和压力变化的三维示意[5]。图1　CO的相图2CO56.56℃,压力为0.2的三相点温度为-52MPa。CO98℃,临界点压2的临界点温度为30.力为7.377MPa。CO2是非极性物质,其分子间的作用力较小。CO2作为制冷剂的历史可以追溯到19世纪。在以前的制冷书籍中,CO2的热物理参数通常以图表的形式给出。由于这些图表大多来自于实验数据,早期资料彼此之间存在很大的差异。目前COpan等2最新的热物理参数主要来自于S人和Vesovic等人的研究[2、3][1]图2　比热随温度和压力的变化。1990年,Vesovic等人通过理论预测和精确的实验数据得到了CO2临界区附近粘度和导热系数的计算方程。1996年,Span和Wagner提出了新的CO2状态方程,并给出了温度范围从三相点到1100K,压力范围从三相点到800MPa的密度、焓以及熵等的数据。针对COO2的物性变化特征,魏东将C2临界区的范围定义为[4]图3　密度随温度和压力的变化:p0.8<<2pc(1)TT<T(TT2)sat,p=0.8p<pc+pc-sat,p=0.8p)(cc式中　p―――压力,MPap―――临界压力,MPacT―――准临界温度,℃pcT―――饱和温度,℃sat2　CO2的热物理性质分析实际上,近临界区任何物性的微小变化都会造成其它物性的剧烈变化,它们是相互影响的。图4　导热系数随温度和压力的变化2008年第36卷第01期　　　　　　　　　　流　体　机　械　　　　　　　　　55既然准临界温度在温度-压力平面上的投影是一条曲线,那么根据CO2的物性变化特征,这里将准临界区定义为准临界线附近的一条温度带,即:0.7T≤T≤1.3Tpcpc(6)其中,准临界温度T对应的超临界压力范围pc为:7.5MPa≤p≤14.0MPa。总之,CO2比热在准临界点附近的变化比较剧烈,但当远离准临界点后,比热随温度的变化趋于缓慢。实际上,比热变化较大的区域对传热规律的影响较大,而不同压力下比热变化较大的区间处于不同的温度区域。图6给出了不同超临界图5　动力粘度随温度和压力的变化2.1　CO2的比热分析从图2可以看出,在每个给定超临界压力下,CO2的比热随温度的变化规律是先升高而后又下降,在某个温度下存在最大值。通常称在给定压力下,比热达到最大值时所对应的温度为准临界温度。显然每一个超临界压力所对应的准临界温度是不同的。CO2在临界点处的比热为无穷大。当处于超临界压力时,比热的峰值降低,而且压力越高,峰值越小。通常当超临界流体温度低于准临界温度时,具有“类液体”性质,当流体温度高于准临界温度时,具有“类气体”性质,所以此点也被称为准临界点。同样,当温度给定时,比热随压力的变化与随温度的变化趋势相同,在某个压力下,比热出现最大值。不同的温度,比热出现最大值时所对应的压力值是不同的。而且温度越高,比热峰值越小。在上述两种情况下,当比热达到最大值时,比热的一阶偏导数可表示为: cp()=0 TP cp()=0 pT(3)(4)压力下CO2比热与焓值之间的关系。图6　CO比热与焓的关系2从图6中可以发现,在不同超临界压力下,比热变化较大的位置基本上在相同的焓区间内,这样在设计CO2气体冷却器时应该选择在比热较大的区域。2.2　CO导热系数和粘度分析2的密度、从图3～5可以看出,CO2的密度、导热系数和粘度的变化趋势很相似。在给定超临界压力下,它们都随温度的增加而下降;而在给定温度下,它们都随超临界压力的增加而增加。实际上,在临界点附近,流体的密度随温度增加下降很快,这与亚临界区两相流体气化时的物性变化相似。但它们的不同之处在于,当处于临界压力和超临界压力时,物性的变化带有连续性,而在亚临界相变过程中,物性的变化则是不连续的。图7给出了CO2的密度和焓随温度的变化。很明显,在同样的温度范围内,CO2密度的变化速度和焓的变化速度都相当快。当超临界压力一定时,CO2的密度随温度的实际上,从图2中可以看出,不同超临界压力下,比热峰值在温度-压力平面上的投影是一条曲线,被称为准临界线。超临界压力给定时,对式(3)求解比热的一阶偏导数,可以得到准临界温度。通过计算可以得出准临界温度和压力的关系式:T31.40+12.15p-0.6927ppc=-+0.07521p342(5)式中　p―――压力,MPa,7.5MPa≤p≤14.0MPa增加而降低,但是密度降低的速度在不同温度范围内是不同的;当温度一定时,CO2的密度随压力56　　　　　　　　　　　　　　FLUIDMACHINERY　　　　　　　　　　　Vol.36,No.01,2008的增加而增大,但是在不同的压力范围内增大的速度也不同。+0..)式中　T――密度变化最大时的温度,℃d,max―另外,由图3～5还可看到,导热系数与密度的变化很相似。粘度的变化规律虽稍有差别,但也比较接近。它们都在某些温度区间和压力区间变化比较大。通过计算发现,粘度和导热系数变化最大时的温度与密度变化最大时的温度几乎相等。通过上述对CO密度、导热系数以及2的比热、粘度计算可以看到,这些参数在准临界点附近的变化都非常剧烈,但当远离准临界点后,它们随温度的变化趋于缓慢。这种变化特征也正反映了超图7　CO2密度和焓随温度的变化34CO向“类液体”的2流体在冷却过程中从“类气体”转变过程。3　超临界CO2流体的微观分析随着统计热力学研究的不断深人,人们发现物质的特性参数是纯物质内部结构和相互作用的(8)反映,它应该是由微观参数决定的。一般来说,决定分子性质的是分子间的相互作用力,而分子间的相互作用力是受物质分子的大小,结构型式和分子极性影响的。自20世纪80年代以来,人们用量子化学分子轨道计算法计算分子间相互作用势,模拟超临界流体系统;通过计算径向分布函数和热力学参量,进行MonteCarlo模拟,使微观结构与宏观性质联系起来;用分子动力学研究超临界流体中形成团簇的动力学等。这些研究成果无疑对超临界CO2的本质进行了深入认识。超临界CO2流体的研究模型主要采用压缩气体模型,并考虑高压COanderWaals力作用2气体分子在V下要发生分子缔合。关于CO2分子弱相互作用的abinitio量子化学超临界CO2的研究主要集中在CO2二聚体和三聚体上[7]在这两种情况下,密度梯度随温度和压力的变化都存在最大值。当密度变化最大时,密度的二阶偏导数可表示为: ρ(2)0P= T ρ(2)0T= p22(7)通过求解上述两个方程,可以得到密度变化最大时所对应的温度和压力。以前曾有人把比容变化最大时的温度称为相变点。但是,比热最大和比容变化最大这两个相变点并不重合在一起,不过它们相差并不太大。作者通过计算也发现了这一点,在给定超临界压力下,CO2密度变化最大时的温度与比热最大时的温度略有差别。表1给出了不同压力下准临界温度与密度变化最大时所对应温度的比较。可以看出,两者相差非常小,大约在0.05℃左右。这种误差的存在也许和物性测量准确度有关,或是由于不同实验条件下的复现性可能不一致。如果在误差范围内,那么可以认为它们是相等的,当然这一点还需从理论上证明。表1　不同压力下准临界温度与CO2密度变化最大时的温度比较项目8.0不同超临界压力(MPa)9.010.011.039.9239.8844.9844.9349.5149.4612.053.7553.69[6]。分子对的位能与分子间距的关系称为位能函数。通常对于实际气体,分子间的相互作用由分子之间的位能函数来表示。目前位能函数有多种模型,有的模型把分子看作无吸引力的硬球,有的模型把分子看作具有引力的硬球。完整的位能函数应由引力和斥力两部分组成。对于非极性分子,其位能函数可表示为:U(r)=Br-Ar式中　U(r)―――位能r―――分子间距-m-nT(℃)34.67pcT(℃)34.61d.max　　为了计算方便以及和准临界温度相比较,下面也给出了CO2密度变化最大时的温度与压力的关系式:T40.498+15.689p-1.1995pd,max=-2(10)2008年第36卷第01期　　　　　　　　　　流　体　机　械　　　　　　　　　A、B、m、n―――常数Lennard-Jones曾对此函数作了深入研究,得到了Lennard-Jones(伦纳德-琼斯)位能函数关系式:rr01206　　U(r)=U2())]0[()-rr(11)57聚集行为是由分子间的VanderWaals力及氢键力所致。而单分子形成聚集分子的“联系能”应为U(r)曲线最低点的位能U0,也就是说,U0是维持聚集分子稳定性的关键因素[8]。图8给出了位能与分子间距的关系。从图中可以看出,分子间的距离很大时位能趋向于零。在中间距离(约等于r0时,位能具有一吸收区域,距离再小,就出现很强的排斥力。排斥力是由于分子的电子云重叠而引起的,由于没有共同的轨道,原子间不能形成化学键。因此可以把分子假定为具有一定体积的硬球,体积的大小由电子云的平均半径给出。在此范围之外,分子间具有吸引力(范德瓦尔斯引力)。图9　CO2分子的直线结构分子聚集体是由弱引力所引起的一种分子行＊为,聚集参数3C的数值大小反映了分子聚集的程度。对超临界CO2流体的计算表明＊[8],当Tr>0.9时,3C值增长很快,特别是当P→1时,基本r上按指数规律增长。随着向临界点逼近,CO2分子聚集度越来越大。在临界点附近,超临界CO2流体的压力和温度的微小变化就可以引起流体体积的较大变化,即压缩率非常大。随着密度的增大,各个分子逐渐接近,分子间产生了相互作用力。流体的性能可由分子间相互作用力越强,总能量越大来确定。当流体的温度低时,总能量小,分子容易进入位能的最低处。由于分子间的作用力,使得分子形成聚集体;当流体的温度高时,分子间的作用力较弱,无相互束缚,分子可以自由运动。当温度稍高于临界点时,分子相互间在位能谷附近摇摆移动,时而自由运动,时而相互束缚,容易形成部分束缚状态的结构。在近临界区,分子聚集行为特别显著,这也就是近临界区CO2流体物性独特的原因所在。4　结论(1)通过在三维图上分析CO2的物性特点,可以同时获悉温度和压力的影响关系。在不同超临界压力下,比热达到最大值时所对应的准临界温度不同。压力越高,准临界温度越大,比热峰值越小。针对CO2比热的变化特点,得到了准临界温度的计算关联式,对准临界区给出了定义。(2)CO2导热系数、密度以及粘度的变化规律比较相似,它们都在某些温度区间和压力区间变化较大。通过计算发现,粘度、导热系数以及密度变化最大时的温度几乎相等,而且与准临界温度比较接近。(下转第13页)图8　位能与分子间距的关系一般来说,分子的极性越强,分子间的作用力越大,流体的临界温度就高。CO2是非极性分子,它的临界温度相对较低,超临界CO2流体的粘度较小。实际上,CO2分子之间无偶极作用和诱导作用,只有色散作用。分子间通过瞬时偶极产生的吸引力叫色散力。非极性分子之间正是由于色散力的作用才能凝聚为液体或固体的。由于CO2分子内是靠三中心四电子大Π键结合的线形分子,两个C-O键夹角为180°,键长为0.1163nm,如图9所示。因而所产生的瞬时偶极矩是相当弱的。温度和压力对这种弱结合分子的影响比较大。在高压下,有利于CO2二聚体分子的形成,并且聚集体的浓度随压力升高而增大;而温度的作用正好相反。实际上,在超临界CO2体系中存在聚集体与CO2单体的动态平衡[7]。根据分子聚集理论,实际物质中的分子并不全以单分子的形式存在,而是有相当一部分分子结合成为二聚体、三聚体等分子。而分子的这种2008年第36卷第01期　　　　　　　　　　流　体　机　械　　　　　　　　　进一步验证了前面的分析,即管锥式筒体与旋流器内部流场分布比较吻合。管锥式旋流器的压力降与锥体的结构尺寸有关,这也与一定进口涡旋强度时,流场的分布有关,试验证明,当处理量(流速)一定时,对于D100L的旋流n=器,在H160L时,D0.6时,旋流器压2=o/Dn=降最低。5　结语13轴流式气液旋流分离器对含液浓度较低的气液两相流具有较好的分离性能,轴流式气液旋流器可以采用管柱式和管锥式两种筒体结构,实验证明,在流速相对较低时,管锥式旋流器的分离效率要高于管柱式,而在流速较高时,管柱式旋流器的分离效率要高于管锥式。在气-液混合物处理量一定(即流速一定)时,管锥式旋流器的压降损失要低于管柱式。参考文献[1]　金有海,王建军,时铭显.PDC型高效旋风管的流场分析及结构改进[J].石油炼制与化工,):39-43.[2]　郭颖,王建军,金有海.轴流导叶式旋风管内气固两相流的实验研究[J].石油大学学报(自然科学版),):96-100.[3]　褚良银,陈文梅.旋转流分离理论[M].北京:冶金工业出版社,2002.作者简介:金向红(1965-),男,副教授,博士研究生,通讯地址:257061山东东营市中国石油大学(华东)多相流实验室。图5　管柱式和管锥式旋流器压力降实验发现,在含液浓度较低时,含液浓度的变化对压力降的影响极小,可以忽略。(上接第57页)　　(3)CO2的比热、密度、导热系数以及粘度在准临界点附近的变化都非常剧烈,但当远离准临界点后,它们随温度的变化趋于缓慢。这种变化特征也正反映了超CO2流体在冷却过程中从“类气体”向“类液体”的转变过程。(4)超临界CO2流体分子间的作用力比较小,分子在临界区附近的聚集行为特别显著,这也是近临界区CO2物性独特的原因所在。参考文献[3]　VesovicV,WakehamWA,OlchowyGA,etal.Thetransportpropertiesofcarbondioxide[J].JournalofPhysicsChemistryReferenceData,.[4]　魏东.CO跨临界循环换热与膨胀机理的研究2[D].天津:天津大学机械工程学院,2002.[5]　KleinSA.Engineeringequationsolver.AcademicPro-fessionalVersion7.270-3D,2004.[6]　陈学俊,陈立勋,周芳德.气液两相流与传热基础[M].科学出版社,1995.[7]　薛卫东,张广丰,朱正和.CO2二聚体分子弱结合作用的DFT计算[J].物理化学学报,):[1]　NagengastBA.Historyofrefrigerants,inCFCs:timeoftransition[J].ASHRAE,.[2]　SpanRW.Anewequationofstateforcarbondioxidecoveringthefluidregionfromthetri-pointtemperatureto1100Katpressureupto800Mpa[J].JournalofPhysicsChemistryReferenceData,97.25(6):作者简介::杨俊兰(1971-),女,博士,通讯地址:300072天津市天津大学机械工程学院。19(3):501-506.[8]　童景山.分子聚集理论及其应用[M].科学出版社,1999.包含总结汇报、旅游景点、外语学习、党团工作、考试资料、办公文档、文档下载、教学教材、IT计算机、工作范文、教程攻略以及超临界压力下CO_2流体的性质研究_杨俊兰等内容。本文共2页
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超临界压力下CO2流体的性质研究
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年第卷第期流体机械文章编号》―∞―超临界压力下流体的性质研究杨俊兰马一太曾宪阳刘圣春。&&&&天津大学天津。&&&&天津城市建设学院天津摘要为了全面了解。&&&&在气体冷却器中的流动及传热特性以及为设计高效气体冷却器提供理论基础对超临界流体的性腋进行了深入的研究在三维图上分析了温度和压力对超临界热物理性质的影响并对超临界流体进行了微观分析。&&&&结果表明。&&&&的比热、密度、婵热系数以及粘度在准临界点附近的变化非常剧烈。&&&&针对比热的变纯特点褥戮了准睡雾湿度的计箕关联式并绘了准蝮界区定义。&&&&的密度、导热系数以及糖度变纯最大鞋寸兹湿度与准瞌雾温度糊当接近。&&&&徽液分祈表明超漆界流俸分子阗的豫用力艺较小分子在临界区辩近的聚集行为特别显著这可以用来解释近临界区物性独特的原八所在。&&&&关键词超临界热物理性质准临界温度准临界区分子聚集中图分类号文献标识码’。&&&&’蛹嚣―。&&&&了孙―。&&&&――前言跨临界制冷循环的特点是放热过程发生在超稳界压力下圭予没有榻变发生这一过程的换热设备被称为气体冷却器。&&&&为了全面了解的流动及传热特性以及设计高效气体冷却器有必要对超临界。&&&&流体的性质进行深入研究。&&&&一般意义上的超临界流体是指高于临界温度和临界压力褥接近瞧赛点的流体。&&&&超临赛流终是一种嵩密度气体。&&&&从物理性质上它兼有气体积液收稿日期――基金项目黧家自然辩学基金项疆天津辔自然科学基金项嚣　万方数据万方数据体双重特性即密度高于气体接近液体粘度与气体相似比液体大为减小扩散系数接近于气体大约为液体的倍因而具有较好的流动性和传输特性。&&&&图给出了的相图。&&&&育厶塞一≮’℃图的相图的三相点温度为一℃压力为。&&&&的临界点温度为℃临界点压力为。&&&&是非极性物质其分子问的作用力较小。&&&&作为制冷剂的历史可以追溯到世纪…。&&&&在以前的制冷书籍中的热物理参数通常以图表的形式给出。&&&&由于这些图表大多来自于实验数据早期资料彼此之间存在很大的差异。&&&&目前最新的热物理参数主要来自于等人和等人的研究‘、。&&&&年等人通过理论预测和精确的实验数据得到了临界区附近粘度和导热系数的计算方程。&&&&年和提出了新的状态方程并给出了温度范围从三相点到压力范围从三相点到的密度、焓以及熵等的数据。&&&&针对的物性变化特征魏东将临界区的范围定义为卫。&&&&叭。&&&&丁。&&&&一吼舢轨式中――压力――临界压力。&&&&――准临界温度℃。&&&&。&&&&――饱和温度的热物理性质分析这里主要分析温度和压力对流体的物性影响。&&&&超临界流体在临界区附近的一个重要特征是热物理参数随温度和压力的变化非常剧烈。&&&&图分别给出了超临界压力下的比热、密度、导热系数以及粘度随温度和压力变化的三维示意‘。&&&&。&&&&图比热随温度和压力的变化图密度随温度和压力的变化实际上近临界区任何物性的微小变化都会造成其它物性的剧烈变化它们是相互影响的。&&&&图导热系数随温度和压力的变化　万方数据万方数据年第卷第期流体机械图动力粘度随温度和压力的变化的比热分析从图可以看出在每个给定超临界压力下的比热随温度的变化规律是先升高而后又下降在某个温度下存在最大值。&&&&通常称在给定压力下比热达到最大值时所对应的温度为准临界温度。&&&&显然每一个超临界压力所对应的准临界温度是不同的。&&&&在临界点处的比热为无穷大。&&&&当处于超临界压力时比热的峰值降低而且压力越高峰值越小。&&&&通常当超临界流体温度低于准临界温度时具有“类液体”性质当流体温度高于准临界温度时具有“类气体”性质所以此点也被称为准临界点。&&&&同样当温度给定时比热随压力的变化与随温度的变化趋势相同在某个压力下比热出现最大值。&&&&不同的温度比热出现最大值时所对应的压力值是不同的。&&&&而且温度越高比热峰值越小。&&&&在上述两种情况下当比热达到最大值时比热的一阶偏导数可表示为鲁》。&&&&实际上从图中可以看出不同超临界压力下比热峰值在温度压力平面上的投影是一条曲线被称为准临界线。&&&&超临界压力给定时对式求解比热的一阶偏导数可以得到准临界温度。&&&&通过计算可以得出准临界温度和压力的关系式。&&&&―式中――压力、≤既然准临界温度在温度压力平面上的投影是一条曲线那么根据的物性变化特征这里将准临界区定义为准临界线附近的一条温度带即。&&&&≤丁≤。&&&&其中准临界温度对应的超临界压力范围为≤≤。&&&&总之比热在准临界点附近的变化比较剧烈但当远离准临界点后比热随温度的变化趋于缓慢。&&&&实际上比热变化较大的区域对传热规律的影响较大而不同压力下比热变化较大的区间处于不同的温度区域。&&&&图给出了不同超临界压力下比热与焓值之间的关系。&&&&图比热与焓的关系从图中可以发现在不同超临界压力下比热变化较大的位置基本上在相同的焓区间内这样在设计气体冷却器时应该选择在比热较大的区域。&&&&的密度、导热系数和粘度分析从图可以看出的密度、导热系数和粘度的变化趋势很相似。&&&&在给定超临界压力下它们都随温度的增加而下降而在给定温度下它们都随超临界压力的增加而增加。&&&&实际上在临界点附近流体的密度随温度增加下降很快这与亚临界区两相流体气化时的物。&&&&陀变化相似。&&&&但它们的不同之处在于当处于临界压力和超临界压力时物性的变化带有连续性而在亚临界相变过程中物性的变化则是不连续的。&&&&图给出了的密度和焓随温度的变化。&&&&很明显在同样的温度范围内密度的变化速度和焓的变化速度都相当快。&&&&当超临界压力一定时的密度随温度的增加而降低但是密度降低的速度在不同温度范围内是不同的当温度一定时的密度随压力　万方数据万方数据的增加丽增大但是在不同的压力范围内增大的速度也不同。&&&&℃图密度鞴焓随温度的变化在这两种情况下密度梯度随温度和压力的变纯都存在最大值。&&&&当密度变化最大时密度酶二阶偏导数可表示为器窖、’一、通过求解上述蘸个方程可以褥蓟密度变化最大时所对应的温度和压力。&&&&以前曾有人把比容变化最大时的温度称为相变点。&&&&翟是跑热最大耧魄容变化最大这两个辐变点并不重合在一起不过它们相差并不太大。&&&&。&&&&作者通过计算也发现了这一点在给定超憔界压力下密度变化最大时赫温瘦与魄热最大时的温度略有差别。&&&&表给出了不同压力下准临界温度与密度变化最大时所对应温度的比较。&&&&可敬看出两者裰差菲常小大约在℃左右。&&&&这种误差的存在也许和物性测量准确度有关或是由于不同实验条件下的复现性可能不一致。&&&&如果在误差范匿内那么可叛认为它们是相等的当然这一点还需从理论上证明。&&&&袭不同愿力下准临界温度与密度变化最大时酶溢度毙较不同超临界压力琐髓又℃。&&&&。&&&&。&&&&℃为了计算方便以及称准临界温度相比较下西氇给出了密度变纯最大时的温度与压力的关系式亿。&&&&。&&&&一。&&&&―式中瓦一――密度变化最大时的温度℃另外图还可看到导热系数与密度的变踅很穗似。&&&&牯度麓变化勰律虽稍有差别但也比较接近。&&&&它们都在某些温度区间和压力区间变化比较大。&&&&通过计算发现粘度和导热系数变化最大时的滠度与密度变化最大霹的温度几乎穗等。&&&&通过上述对的比热、密度、导热系数以及糕度计算可以看到这些参数在淀睡赛点附近懿变化都非常剧烈但当远离准临界点后它们随温度的变化趋于缓慢。&&&&这种变化特征也正反映了超流体在冷却过程中及“类气体”向“类液体”的转变过程。&&&&超临界流体的微观分析随着统计热力学研究的不断深人人们发现物质的特性参数是纯物质内部结构和相互作用的反映它应该是由微观参数决定的。&&&&一般来说决定分子性质的是分子闯的檩互佟用力丽分子闾的相互作用力是受物质分子的大小结构型式和分子极性影响的。&&&&自世纪年代以来人们孀量子化学分子轨道计算法计算分子问捆互作用势模拟超临界流体系统通过计算径向分布函数和热力学参量进行模拟使微观结构与宏观性履联系起来用分子动力学弭究超临界流体中形成团簇的动力学等。&&&&这些研究成果无疑对超临界的本质进行了深入认识。&&&&超临界流体的研究模型主要采用压缩气体模型并考虑高压气体分子在力作用下要发生分子缔合。&&&&关于分子弱相互作用的量子纯学超临界的研究主要集中在二聚体和三聚体上¨。&&&&分子对的位能与分子间距的关系称为位能函数。&&&&通常对予实际气体分子闻的援互终溺由分子之间的位能函数来表示。&&&&目前位能函数有多种模型有的模型把分子餐作无吸弓力的硬球有的模型把分子看作具有弓力的硬球。&&&&完整的位能菌数应由引力和斥力两部分组成。&&&&对于非极性分子其位能溺数可表示为移。&&&&”璩式中――位能――分子闯距　万方数据万方数据年第卷第期流体机械、、、――常数―曾对此函数作了深入研究得到了―伦纳德一琼斯位能函数关系式卫―卫图给出了位能与分子间距的关系。&&&&从图中可以看出分子问的距离很大时位能趋向于零。&&&&在中问距离约等于时位能具有一吸收区域距离再小就出现很强的排斥力。&&&&排斥力是由于分子的电子云重叠而引起的由于没有共同的轨道原子间不能形成化学键。&&&&因此可以把分子假定为具有一定体积的硬球体积的大小由电子云的平均半径给出。&&&&在此范围之外分子间具有吸引力范德瓦尔斯引力。&&&&图位能与分子间距的关系一般来说分子的极性越强分子间的作用力越大流体的临界温度就高。&&&&是非极性分子它的临界温度相对较低超临界流体的粘度较小。&&&&实际上分子之间无偶极作用和诱导作用只有色散作用。&&&&分子间通过瞬时偶极产生的吸引力叫色散力。&&&&非极性分子之间正是由于色散力的作用才能凝聚为液体或固体的。&&&&由于分子内是靠三中心四电子大Ⅱ键结合的线形分子两个一键夹角为。&&&&键长为如图所示。&&&&因而所产生的瞬时偶极矩是相当弱的。&&&&温度和压力对这种弱结合分子的影响比较大。&&&&在高压下有利于二聚体分子的形成并且聚集体的浓度随压力升高而增大而温度的作用正好相反。&&&&实际上在超临界体系中存在聚集体与单体的动态平衡。&&&&根据分子聚集理论实际物质中的分子并不全以单分子的形式存在而是有相当一部分分子结合成为二聚体、三聚体等分子。&&&&而分子的这种聚集行为是由分子问的力及氢键力所致。&&&&而单分子形成聚集分子的“联系能”应为曲线最低点的位能也就是说是维持聚集分子稳定性的关键因素七。&&&&图分子的直线结构分子聚集体是由弱引力所引起的一种分子行为聚集参数的数值大小反映了分子聚集的程度。&&&&对超临界流体的计算表明当时值增长很快特别是当一时基本上按指数规律增长。&&&&随着向临界点逼近分子聚集度越来越大。&&&&在临界点附近超临界流体的压力和温度的微小变化就可以引起流体体积的较大变化即压缩率非常大。&&&&随着密度的增大各个分子逐渐接近分子间产生了相互作用力。&&&&流体的性能可由分子间相互作用力越强总能量越大来确定。&&&&当流体的温度低时总能量小分子容易进入位能的最低处。&&&&由于分子间的作用力使得分子形成聚集体当流体的温度高时分子问的作用力较弱无相互束缚分子可以自由运动。&&&&当温度稍高于临界点时分子相互间在位能谷附近摇摆移动时而自由运动时而相互束缚容易形成部分束缚状态的结构。&&&&在近临界区分子聚集行为特别显著这也就是近临界区流体物性独特的原因所在。&&&&结论通过在三维图上分析的物性特点可以同时获悉温度和压力的影响关系。&&&&在不同超临界压力下比热达到最大值时所对应的准临界温度不同。&&&&压力越高准临界温度越大比热峰值越小。&&&&针对比热的变化特点得到了准临界温度的计算关联式对准临界区给出了定义。&&&&导热系数、密度以及粘度的变化规律比较相似它们都在某些温度区间和压力区间变化较大。&&&&通过计算发现粘度、导热系数以及密度变化最大时的温度几乎相等而且与准临界温度比较接近。&&&&下转第页　万方数据万方数据年第卷第期流体机械进一步验证了前面的分析即管锥式筒体与旋流器内部流场分布比较吻合。&&&&管锥式旋流器的压力降与锥体的结构尺寸有关这也与一定进口涡旋强度时流场的分布有关试验证明当处理量流速一定时对于。&&&&的旋流器在时。&&&&。&&&&时旋流器压降最低。&&&&暑司图管柱式和管锥式旋流器压力降实验发现在含液浓度较低时含液浓度的变化对压力降的影响极小可以忽略。&&&&结语轴流式气液旋流分离器对含液浓度较低的气液两相流具有较好的分离性能轴流式气液旋流器可以采用管柱式和管锥式两种筒体结构实验证明在流速相对较低时管锥式旋流器的分离效率要高于管柱式而在流速较高时管柱式旋流器的分离效率要高于管锥式。&&&&在气一液混合物处理量一定即流速一定时管锥式旋流器的压降损失要低于管柱式。&&&&参考文献金有海王建军时铭显型高效旋风管的流场分析及结构改进石油炼制与化工郭颖王建军金有海轴流导叶式旋风管内气固两相流的实验研究石油大学学报自然科学版―褚良银陈文梅旋转流分离理论北京冶金工业出版社作者简介金向红男副教授博士研究生通讯地址山东东营市中国石油大学华东多相流实验室。&&&&上接第页的比热、密度、导热系数以及粘度在准临界点附近的变化都非常剧烈但当远离准临界点后它们随温度的变化趋于缓慢。&&&&这种变化特征也正反映了超流体在冷却过程中从“类气体”向“类液体”的转变过程。&&&&超临界流体分子间的作用力比较小分子在临界区附近的聚集行为特别显著这也是近临界区物性独特的原因所在。&&&&参考文献??】】.
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