超临界压力下CO2流体的性质研究

　　1 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。

　　CO₂的三相点温度为-56.56°C,压力为0.52MPa。CO₂的临界点温度为30.98°C,临界点压力为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^[1]。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CO₂最新的热物理参数主要来自于Span等人和Vesovic等人的研究^[2、3]。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CO₂的物性变化特征,魏东将CO₂临界区的范围定义为^[4]:

　　式中p—压力,MPa

　　pc—临界压力,MPa

　　Tpc—准临界温度,e

　　Tsat—饱和温度,e

　　2 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。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]。

　　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0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。