密相CO2柱塞泵動(dòng)態(tài)熱流特性數(shù)值模擬研究

為了厘清柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，密相CO2柱塞泵內(nèi)CO2溫度、壓力的演變規(guī)律，考慮CO2物性參數(shù)隨溫度、壓力的變化，建立了密相CO2柱塞泵的全周期三維熱流耦合動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，分析了柱塞和閥的耦合運(yùn)動(dòng)特性、泵內(nèi)CO2溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的演變，以及閥彈簧預(yù)緊力對(duì)閥位移、入口和出口回流的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：壓縮過程是升溫、升壓過程，余隙容積內(nèi)殘留有高溫、高壓CO2；吸入階段，余隙容積內(nèi)的高溫、高壓CO2膨脹，擠占理論容積；同時(shí)，余隙內(nèi)的CO2與吸入的CO2混合，導(dǎo)致混合CO2的溫度升高、吸入CO2的質(zhì)量減少；隨著吸入閥彈簧預(yù)緊力的增加，吸入閥的開啟速度變慢、關(guān)閉速度變快，有效降低了回流量峰值；隨著排出閥預(yù)緊力的增加，閥的最大開度、滯后角度、回流流量峰值均減??；但是，較大的預(yù)緊力會(huì)引起排出閥關(guān)閉時(shí)振蕩。研究結(jié)果可為密相CO2柱塞泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建模方法與數(shù)據(jù)支撐。

密相CO2；柱塞泵；動(dòng)態(tài)特性；預(yù)緊力；溫度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TE974

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.018

基金項(xiàng)目：中國石油渤海石油裝備制造有限公司科研項(xiàng)目“CO2密相泵研制及應(yīng)用”（FM00023KF）。

Numerical Simulation on Dynamic Thermal-Fluid

Properties of Dense Phase CO2 Plunger Pump

Tao Guihong1" Zhang Heng1" Zhang Hua1" Li Ran2" Huang Jianxi1" Guo Longlong3

（1.Research Institute of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.；2.BHDC Downhole Technical Service Company；3.Mechanical Engineering College，Xian Shiyou University）

In order to clarify the evolution of temperature and pressure of CO2 inside the dense phase CO2 plunger pump during the reciprocating motion of the plunger，a full cycle 3D thermal-fluid coupled dynamic numerical model of the dense phase CO2 plunger pump was built by considering the changes in physical property parameters of CO2 with temperature and pressure.Then，the model was used to analyze the coupled motion characteristics of the plunger and valve，the evolution of temperature and pressure fields of CO2 inside the pump，and the influence of preload of valve spring on valve displacement and inlet and outlet reflux.The results show that，in the compression stage，which is a process of temperature and pressure rise，there is residual high-temperature and high-pressure CO2 in the clearance volume，and in the suction stage，the high-temperature and high-pressure CO2 in the clearance volume expands，occupying the theoretical volume.Meanwhile，the CO2 in the clearance mixes with the sucked CO2，resulting in an increase in the temperature of the mixed CO2 and a decrease in the mass of sucked CO2.As the preload of the suction valve spring increases，the opening speed of the suction valve slows down and its closing speed increases，effectively reducing the peak reflux rate.As the preload of the discharge valve increases，the maximum opening，lag angle and peak return flow of the valve all decrease，but larger preload causes oscillation when the discharge valve closes.The study results provide modeling methods and data support for the optimization design of dense phase CO2 plunger pumps.

dense phase CO2；plunger pump；dynamic properties；preload；temperature field

0" 引" 言

二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)（Carbon capture utilization and storage，CCUS）被認(rèn)為是可以減少碳排放的重要方法，是實(shí)現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)保障［1-3］。泵是CCUS系統(tǒng)的關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換裝置，為CO2的管輸、注入提供能量。與離心泵相比，柱塞泵具有壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此柱塞泵在CO2注入增壓中有良好的應(yīng)用潛力和前景［4-6］。例如，延長油田吳38井區(qū)CO2埋存與驅(qū)油工程［7］、江蘇油田和吉林油田CO2驅(qū)油區(qū)塊［8］、勝利油田百萬噸級(jí)CCUS示范工程［9］的CO2注入泵選用的都是柱塞泵。研究表明：CO2以密相態(tài)或超臨界態(tài)輸送在能耗、存儲(chǔ)安全、經(jīng)濟(jì)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)［10-12］。因此，開展密相CO2柱塞泵的相關(guān)研究，對(duì)于保障管輸CO2在注入前增壓、順利注入井下具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)柱塞泵開展了大量研究，但介質(zhì)主要是液體，即使針對(duì)氣體的研究，也忽略了介質(zhì)物性參數(shù)隨溫度和壓力的變化。例如，荊學(xué)敏［13］研究了含氣率對(duì)往復(fù)式油氣混輸泵排出性能的影響，但是模型沒有考慮閥門開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程，沒有考慮介質(zhì)溫度的變化；張人會(huì)等［14］、張慢來等［15］、孫鵬程［16］基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及UDF方法建立了閥芯與柱塞耦合運(yùn)動(dòng)二維數(shù)值模型，研究了彈簧剛度、預(yù)緊力對(duì)閥芯升程、滯后特性的影響；QIU N.B.等［17］基于可壓縮流體模型，建立了超臨界H2柱塞泵的瞬態(tài)數(shù)值模型，分析了彈簧剛度、預(yù)緊力等對(duì)閥滯后角的影響規(guī)律，但是沒有考慮H2物性參數(shù)的變化，也沒有考慮壓縮、吸入過程中介質(zhì)的溫度變化；MA Y.等［18］利用Fluent軟件建立了油氣多相流柱塞泵的三維全循環(huán)數(shù)值模型，分析了入口不同氣體含量、壓力比、曲柄轉(zhuǎn)速和沖程長度下的脈動(dòng)速率、傳播速度、振幅和功率譜密度；WOO J.等［19］研究表明，工作頻率對(duì)閥門開啟時(shí)間沒有影響，但排出閥的時(shí)間延遲隨著頻率的增加而顯著延長；LI R.等［20］基于阿道夫微分方程和Runge-Kutta迭代法，利用Scilab軟件計(jì)算了泵閥閥芯位移和速度，分析了閥位移、速度、穩(wěn)定性和關(guān)閉遲滯等運(yùn)動(dòng)特性；WANG G.R.［21］利用Andina軟件建立二維數(shù)值模型，以水為介質(zhì)研究了柱塞泵的排出特性。然而，關(guān)于CO2柱塞泵研究的報(bào)道非常罕見。密相CO2既具有液體密度大，又具有氣體的可壓縮、黏度小等特性，導(dǎo)致泵吸入閥、排出閥的動(dòng)態(tài)特性不同于液體泵和壓縮機(jī)［22］。因此，亟需厘清柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中CO2的溫度、壓力變化，以及閥的動(dòng)態(tài)特性，為密相CO2柱塞泵的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供指導(dǎo)。

為此，考慮CO2物性參數(shù)隨溫度、壓力的變化，建立了密相CO2柱塞泵的全周期三維動(dòng)態(tài)熱流耦合數(shù)值模型，研究了柱塞和閥的運(yùn)動(dòng)特性、柱塞腔內(nèi)CO2溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的演變，以及閥彈簧預(yù)緊力對(duì)閥位移特性、回流的影響規(guī)律。研究成果可為密相CO2柱塞泵的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供建模與數(shù)據(jù)參考。

1" 幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1" 幾何結(jié)構(gòu)

所研究密相CO2柱塞泵為三缸柱塞泵，其液力端由缸套、泵頭體、柱塞、排出閥、吸入閥、盤根等組成，如圖1所示。其工作原理是：柱塞由曲軸、連桿、十字頭驅(qū)動(dòng)，柱塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔空間增大，CO2膨脹、壓力減?。划?dāng)柱塞腔內(nèi)壓力降低到一定值時(shí)，吸入閥開啟、排出閥關(guān)閉，CO2由入口流入柱塞腔。當(dāng)柱塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞腔空間減小，CO2受壓、壓力增大；當(dāng)壓力增加到一定值時(shí)，吸入閥關(guān)閉、排出閥開啟，泵排出CO2。柱塞腔內(nèi)徑60 mm，吸入閥限位高度9 mm、排出閥限位高度7 mm；吸入閥彈簧剛度1 715 N/m、排出閥彈簧剛度4 000 N/m。

1.2" 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.2.1" 柱塞運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

柱塞泵運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。曲軸以角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，連桿帶動(dòng)柱塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)；以左死點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則柱塞的位移方程為［23-24］：

x=R+L-L2-Rsin（ωt）2-Rcos（ωt）=

R［1-cos（ωt）］+L{1-1-η2［sin（ωt）］2}（1）

式中：ω為角速度，220 r/min；R為曲柄半徑，90 mm；L為連桿長度，430 mm；η為連桿比；t為時(shí)間，s。

1.2.2" 閥運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

不考慮活塞密封漏失和閥泄漏，忽略摩擦力和介質(zhì)黏度對(duì)閥運(yùn)動(dòng)的阻力，通過閥的流體連續(xù)性方程如下：

βπdfhvxsin α=π8SD2ωf（φ）-π4d2fh（2）

式中：β為閥間隙截面收縮系數(shù)；df為閥板等效直徑，m；h為閥開度，m；α為閥錐角的一半，rad；vx為閥門間隙介質(zhì)流速，m/s；S為活塞行程，m；D為活塞直徑，m；ω為曲柄角速度，rad/s；φ為曲柄轉(zhuǎn)角，rad；h為閥板速度，m/s；f（φ）為活塞無因次速度，指向曲柄旋轉(zhuǎn)中心的位移為正方向。

由式（2）可得：

vx=SD2ωf（φ）-2d2fh8βdfhsin α（3）

令閥板開啟方向上的高度h、速度h、加速度h、液體產(chǎn)生的推力Ftj為正，閥板關(guān)閉方向上的恢復(fù)力Fhf為負(fù)，則閥板運(yùn)動(dòng)的力平衡方程如下：

Ftj=Fhf-Fgx（4）

式中：Ftj為液體產(chǎn)生的推力，N；Fhf為恢復(fù)力，N；Fgx為閥板運(yùn)動(dòng)的慣性力，與閥板加速度方向相反，N。

液體產(chǎn)生的推力Ftj由下式確定：

Ftj=ζKAKv2K2gγj（5）

式中：ζK為與閥座孔流量有關(guān)的推力系數(shù)；AK為閥座孔等效面積，m2；vK為通過閥孔射流量，m3/s；γj為重度，N/m3;g為重力加速度，m/s2。

恢復(fù)力包括作用在閥板上的彈簧力和閥板上所有活動(dòng)部件在介質(zhì)中的重力：

Fhf=1-γjγfGf+F0+Ch（6）

式中：γf為閥板和彈簧材料的重度，N/m3；Gf為閥板、彈簧等活動(dòng)部件的重力，N；F0為彈簧預(yù)緊力，N；C為彈簧剛度，N/m。

閥板的慣性力Fgx是閥板及活動(dòng)部件的總質(zhì)量與閥板的加速度的乘積，力的方向與加速度方向相反，具體表達(dá)式為：

ζKAKv2K2gγj=1-γjγfGf+F0+Ch+Gfgh（7）

令ζx=ζKvKvx2，ζ=ζxβ2，得到柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中閥的運(yùn)動(dòng)方程：

Gfgh=πζd2Kγj（SD2）2ω2512β2gd2fsin2α

f（φ）-2d2fSD2ωh/h2-

1-γjγfGf+F0+Ch-Ch（8）

式中：dK為系數(shù)。

2" 數(shù)值模型的建立

2.1" CO2物性參數(shù)

建立數(shù)值模型需要用到的CO2物性參數(shù)，包括密度、熱導(dǎo)率、動(dòng)力黏度、比熱容?；诩兞黧w物質(zhì)模型（Benedict Webb Rubin，BWR）狀態(tài)方程對(duì)不同溫度、壓力條件下CO2的物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。BWR狀態(tài)方程如下［25-26］：

p=ρRT+B0RT-A0-C0T2ρ2+（bRT-a）ρ3+

αaρ6+cρT23（1+γρ2）exp（-γρ2）（9）

式中：p為壓力，MPa；T為熱力學(xué)溫度，K；ρ為密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)，取8.314 3 kJ/（mol·K）；A0、B0、C0、a、b、c、α、γ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，數(shù)值由文獻(xiàn)［27］得到。

熱導(dǎo)率公式為［28］：

λ=C1+C2p+C3p2+C4ln（T）+C5ln2（T）1+C6p+C7ln（T）+C8ln2（T）+C9ln3（T）（10）

式中：λ為熱導(dǎo)率，W/（m·℃）；C1～C9均為常數(shù)參數(shù)，數(shù)值由文獻(xiàn)［29］得到。

比熱容公式為［28］：

cp=cv-TpT2vpvT（11）

式中：cv為恒熔比熱容，kJ/（kg·K）；cp為恒壓比熱容，kJ/（kg·K）。

動(dòng)力黏度公式為：

μ=D1+D2p+D3p2+D4ln（T）+D5ln2（T）+D6ln3（T）1+D7p+D8ln（T）+D9ln2（T）（12）

式中：μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；D1～D9均為常數(shù)參數(shù)，數(shù)值由文獻(xiàn)［29］得到。

按照式（9）～式（12）計(jì)算得到不同溫度、壓力條件下CO2的物性參數(shù)，如圖3所示。由圖3可見：密度、熱導(dǎo)率、動(dòng)力黏度均隨溫度的升高而減小，隨壓力的升高而增加；超臨界區(qū)內(nèi)CO2的密度明顯小于密相區(qū)，由密相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)密度急劇降低。因此，流入泵內(nèi)的CO2處于密相態(tài)時(shí)，在理論容積不變的條件下，泵可以吸入更多的質(zhì)量、具有相對(duì)較高的容積效率。此外，隨溫度的升高、壓力的降低，比熱容增加；密相區(qū)的比熱容變化不明顯；臨界點(diǎn)附近的溫度或壓力變化引起比熱容的劇烈變化。

2.2" 流體域網(wǎng)格劃分

為了實(shí)現(xiàn)高效率計(jì)算，取單個(gè)柱塞腔進(jìn)行數(shù)值分析。同時(shí)，為了模擬柱塞和閥耦合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，以及閥關(guān)閉后流體不流通的效果，對(duì)閥附近的流體域劃分細(xì)密的網(wǎng)格，網(wǎng)格最大尺寸為0.20 mm、最小尺寸為0.04 mm；其他區(qū)域則劃分為較稀疏的網(wǎng)格，網(wǎng)格最大、最小尺寸分別為1.0 mm、0.4 mm，網(wǎng)格總數(shù)535.7萬個(gè)，見圖4。

此外，為了分析不同區(qū)域的熱流特性，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3，其中P1位于入口中心、P2位于左死點(diǎn)所在圓截面的中心、P3位于出口中心，見圖4。

2.3" 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

密相CO2為可壓縮流體，其在柱塞泵內(nèi)的流動(dòng)應(yīng)滿足如下控制方程：

ρt+ρuixi=0（13）

ρuit+ρuiujxj=xj

μeuixj+ujxi-23μeukxk-pxj+ρgi（14）

ρkt+ρkuixi=

xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM（15）

ρεt+ρεuixi=

xjμ+μtσεεxj+

C1εεkGk-Gb-C2ερε2k（16）

式中：u為速度，m/s；x、y和z為坐標(biāo)分量，m；i和j為方向分量；μe為有效黏度，Pa·s；Gk為速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Pa/s；μt為湍流黏度，Pa·s；gi為重力加速度分量，m/s2；k為紊動(dòng)動(dòng)能，m2/s2；Gb為浮力作用而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Pa/s；YM為可壓縮湍流中的脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)，Pa/s；ε為紊動(dòng)耗散率，m2/s3；C1ε和C2ε為常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)。

湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和RNG k-ε模型［17］。由于RNG k-ε模型考慮了湍流渦旋，其比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有更高的置信度和精度，更適合于模擬壓縮腔內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)［30-31］，所以湍流模型選用RNG k-ε模型，見式（15）～式（16）。壓力-速度耦合算法選用壓力隱式算法（PISO）。此外，采用二階迎風(fēng)方法將動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程和耗散率方程進(jìn)行離散，各方程的殘差設(shè)置為10-4。

入口設(shè)置溫度5 ℃、壓力8.5 MPa；出口設(shè)置壓力25 MPa；流體域初始溫度為5 ℃、初始?jí)毫?.5 MPa，柱塞初始位移為0.18 m。此外，與壁面接觸的流體表面設(shè)置為對(duì)流、輻射傳熱邊界，環(huán)境溫度為20 ℃、對(duì)流傳熱系數(shù)為20 W/（m2·℃）、輻射率為0.7。

2.4" 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，將流體域離散為較為稀疏的網(wǎng)格與原方案1進(jìn)行對(duì)比。具體如下。方案2：閥附近的網(wǎng)格最大尺寸為0.8 mm、最小尺寸為0.4 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格的最大、最小尺寸分別為2.0、0.8 mm，網(wǎng)格總數(shù)387.6萬；方案3：閥附近的網(wǎng)格最大尺寸為1.6 mm、最小尺寸為0.8 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格的最大、最小尺寸分別為6.0、2.0 mm，網(wǎng)格總數(shù)35.9萬。3種方案對(duì)應(yīng)P2點(diǎn)（見圖4）的壓力演變，如圖5所示。由圖5可見：當(dāng)網(wǎng)格稀疏時(shí)，P2點(diǎn)壓力的增加、下降速度較快；方案1與方案2的曲線重合，隨著網(wǎng)格尺寸變小，P2點(diǎn)壓力的大小、變化規(guī)律趨于相同。這是因?yàn)檩^大尺寸的網(wǎng)格不能準(zhǔn)確反映流場(chǎng)的變化。因此，兼顧計(jì)算效率與精度，網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于方案2的尺寸。

3" 計(jì)算結(jié)果分析

3.1" 柱塞與閥耦合特性分析

3.1.1" 運(yùn)動(dòng)特性分析

排出閥、吸入閥彈簧預(yù)緊力均為30 N時(shí)，柱塞的位移、速度與曲柄轉(zhuǎn)角間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見：曲柄轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，柱塞處于右死點(diǎn)，位移達(dá)到最大值0.18 m；曲柄轉(zhuǎn)角0°～180°，柱塞位移減小、柱塞腔處于壓縮階段。轉(zhuǎn)角為180°時(shí)，柱塞處于左死點(diǎn)，位移達(dá)到最小值0。曲柄轉(zhuǎn)角180°～360°，柱塞位移增大，柱塞腔處于膨脹階段。柱塞的最小速度為0，最大速度為1.52 m/s。

排出閥、吸入閥彈簧預(yù)緊力為30 N時(shí)，閥的位移、速度與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖7所示。由圖7可見：壓縮階段，曲柄轉(zhuǎn)過約37°時(shí)，排出閥快速開啟，最大開度為3.0 mm，隨后開度減小又緩慢增大、再逐漸減小直至關(guān)閉；但排出閥關(guān)閉時(shí)，曲柄未運(yùn)動(dòng)到180°。排出閥的開啟存在明顯的滯后，但是關(guān)閉較早。膨脹階段，曲柄轉(zhuǎn)角為209°時(shí)，吸入閥快速開啟，并維持在最大開度9.0 mm；待曲柄轉(zhuǎn)到約379°時(shí)，吸入閥的開度減小并關(guān)閉。可見，吸入閥的開啟、關(guān)閉存在明顯的滯后。此外，吸入閥的開啟、關(guān)閉速度分別為1.5、1.0 m/s，過大的速度易導(dǎo)致閥芯沖擊閥座，長期沖擊會(huì)影響密封性能。

3.1.2" 壓力-溫度分析

排出閥、吸入閥彈簧預(yù)緊力為30 N時(shí)，曲柄位于不同角度，泵各區(qū)域的壓力如圖8所示。由圖8可見：曲柄角度為10°時(shí)，排出閥、吸入閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，排出腔壓力為25 MPa，吸入腔為8.5 MPa，柱塞腔壓力尚未明顯增加，此時(shí)柱塞腔還處于升壓階段，增壓不明顯；曲柄轉(zhuǎn)角為80°時(shí)，排出閥處于開啟狀態(tài)，柱塞腔與排出腔相通，壓力約為25 MPa，柱塞腔排出CO2，此時(shí)吸入腔壓力為8.5MPa，這表明吸入閥完全關(guān)閉，沒有發(fā)生漏失；曲柄角度為190°時(shí)，排出閥、吸入閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，其與圖7的閥位移曲線相符合；曲柄角度為350°時(shí)，吸入閥開啟，柱塞腔與吸入腔相通、壓力均為8.5MPa，排出腔壓力為25MPa，這表明排出閥完全關(guān)閉。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化如圖9所示。

結(jié)合圖7～圖9可知：壓縮階段，柱塞腔內(nèi)P2點(diǎn)的壓力逐漸升高；當(dāng)壓力大于一定值，柱塞腔內(nèi)的壓力下降，但仍大于出口壓力值、并維持，對(duì)應(yīng)排出閥開啟、吸入閥關(guān)閉，泵處于排出過程；膨脹階段，柱塞腔內(nèi)P2點(diǎn)的壓力逐漸降低，并持續(xù)低于入口壓力，此時(shí)吸入閥開啟、排出閥關(guān)閉，泵處于吸入過程；吸入腔P1點(diǎn)、排出腔P3點(diǎn)的壓力基本維持不變?？梢?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力演變曲線與柱塞、閥的位移曲線以及壓力場(chǎng)演變規(guī)律相符。

曲柄位于不同角度時(shí)，泵內(nèi)CO2的溫度場(chǎng)如圖10所示。由圖10可見：在壓縮階段，柱塞腔內(nèi)的溫度逐漸升高，排出閥開啟后，柱塞腔內(nèi)的溫度維持在16 ℃左右，高溫CO2由柱塞腔流向排出腔，排出腔內(nèi)的溫度升高；吸入階段，低溫CO2由吸入腔流向柱塞腔，與余隙容積內(nèi)殘留的CO2混合，混合CO2的溫度為8 ℃左右，高于入口CO2的溫度。此外，結(jié)合圖8和圖9可知，吸入階段柱塞腔內(nèi)的壓力略低于吸入腔。柱塞腔內(nèi)溫度高、壓力低對(duì)應(yīng)CO2的密度低，因此吸入的CO2有效質(zhì)量減少。從提高容積效率的角度，應(yīng)提高入口CO2的壓力，降低柱塞腔內(nèi)CO2的溫度。

3.2" 彈簧預(yù)緊力對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響

3.2.1" 吸入閥彈簧預(yù)緊力的影響

排出閥彈簧預(yù)緊力Fo為30 N時(shí)，吸入閥彈簧預(yù)緊力Fi對(duì)排出閥、吸入閥位移特性的影響如圖11所示。由圖11可見，吸入閥預(yù)緊力對(duì)排出閥的位移特性、吸入閥的開啟滯后角度幾乎沒有影響；但是，隨著吸入閥預(yù)緊力的增加，吸入閥的開啟速度逐漸變慢、關(guān)閉速度變快；而且，吸入閥的關(guān)閉滯后角度逐漸減小，預(yù)緊力為10、30、90、180 N對(duì)應(yīng)的關(guān)閉滯后角度分別為24.24°、17.28°、8.88°、2.16°。吸入閥的快速關(guān)閉，有利于減少壓縮階段開始時(shí)柱塞腔內(nèi)的CO2經(jīng)吸入閥流向吸入腔。

排出閥彈簧預(yù)緊力為30 N時(shí)，吸入閥彈簧預(yù)緊力對(duì)排出口、吸入口的流量影響如圖12所示。由圖12可見：出口入口均存在回流，出口的回流流量不受吸入閥預(yù)緊力的影響；隨著吸入閥預(yù)緊力的增加，入口的回流流量逐漸減少，回流對(duì)應(yīng)相位角范圍減小，促使回流質(zhì)量減小。與預(yù)緊力為10 N對(duì)應(yīng)回流流量峰值1.26 kg/s相比，預(yù)緊力為90 N時(shí)回流流量峰值顯著減少，預(yù)緊力為180 N時(shí)回流流量峰值為0.18 kg/s。這是因?yàn)殡S著吸入閥預(yù)緊力的增加，吸入閥關(guān)閉速度增加，此時(shí)閥隙間的底部水力損失大。但是，過大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致吸入閥前后產(chǎn)生較大的壓力損失，柱塞腔內(nèi)壓力低對(duì)應(yīng)的CO2密度低，不利于CO2的吸入，因此吸入閥的預(yù)緊力不宜過大。

3.2.2" 排出閥彈簧預(yù)緊力的影響

吸入閥彈簧預(yù)緊力Fi為30 N時(shí)，排出閥彈簧預(yù)緊力Fo對(duì)排出閥、吸入閥的位移特性影響如圖13所示。由圖13可見：隨著排出閥預(yù)緊力的增加，排出閥的最大開度逐漸減小，預(yù)緊力為30、90、150、300 N對(duì)應(yīng)的最大開度分別為6.0、3.2、2.4、1.7 mm，對(duì)應(yīng)的關(guān)閉滯后角度分別為1.43°、-4.5°、-4.3°-2.17°；隨著預(yù)緊力的增加，排出閥關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)了振蕩，即排出閥多次開閉，這易導(dǎo)致閥芯與閥座密封面的磨損、影響密封效果，而且振蕩容易造成排出口壓力、流量波動(dòng)；排出閥彈簧預(yù)緊力對(duì)于吸入閥的開閉沒有影響。

吸入閥彈簧預(yù)緊力為30 N時(shí)，排出閥預(yù)緊力對(duì)入口、出口的流量影響如圖14所示。由圖14可見：排出閥預(yù)緊力對(duì)入口的回流流量基本沒有影響；對(duì)出口的回流流量有較小影響。排出閥的預(yù)緊力30 N對(duì)應(yīng)的回流流量峰值為0.17 kg/s，預(yù)緊力為90、150 N時(shí)回流流量基本為0。這是因?yàn)榕懦鲩y兩端壓差不大，壓差產(chǎn)生的合力驅(qū)動(dòng)排出閥快速關(guān)閉。特別是預(yù)緊力為300 N時(shí)排出閥關(guān)閥后期流量波動(dòng)明顯，而且出現(xiàn)回流，與排出閥關(guān)閉過程發(fā)生振蕩相符。通常，排出閥的預(yù)緊力偏向選取比較小的，因?yàn)檩^大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致柱塞腔內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于出口，膨脹階段余隙容積內(nèi)的高壓CO2會(huì)擠占部分理論容積，造成吸入的CO2減少。但是，預(yù)緊力的增加有利于減少質(zhì)量回流，因此排出閥的預(yù)緊力不應(yīng)過小。

4" 結(jié)" 論

（1）CO2的密度、熱導(dǎo)率、動(dòng)力黏度均隨溫度的升高而減小，隨壓力的升高而增加；比熱容隨溫度的升高、壓力的降低而增加。建議泵吸入階段，柱塞腔內(nèi)CO2的溫度應(yīng)盡可能低。

（2）壓縮過程是升溫、升壓過程，壓縮結(jié)束后余隙容積內(nèi)殘留有高溫、高壓CO2；吸入階段，余隙容積內(nèi)的CO2膨脹，擠占理論容積；同時(shí)，其與吸入的CO2混合，導(dǎo)致混合CO2的溫度升高、吸入的質(zhì)量減少。因此，從提高容積效率的角度，應(yīng)提高吸入口CO2的壓力，降低柱塞腔、入口CO2的溫度。

（3）隨著吸入閥預(yù)緊力的增加，吸入閥的開啟速度逐漸變慢、關(guān)閉速度變快，入口處的回流流量減小。

（4）隨著排出閥預(yù)緊力的增加，排出閥的最大開度逐漸減小，出口處的回流流量減小。但是，過大的預(yù)緊力引起排出閥關(guān)閉時(shí)振蕩，導(dǎo)致壓力、流量波動(dòng)。

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第一陶桂紅，高級(jí)工程師，生于1973年，1994年畢業(yè)于天津大學(xué)冶金分院機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事采油裝備、注水設(shè)備研發(fā)及故障診斷方面的研究。地址：（300280）天津市大港區(qū)。email：tgh730602@163.com。

通信作者：郭龍龍，副教授。email：llguo@xsyu.edu.cn。2024-05-23劉" 鋒