海上多孔介质通道内氢气换热与正仲氢转化的耦合特性_孙崇正.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期海上多孔介质通道内氢气换热与正仲氢转化的耦合特性孙崇正1，樊欣2，李玉星2，许洁3，韩辉2，刘亮2（1 山东科技大学储能技术学院，山东 青岛 266000；2 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东省油气储运安全重点实验室，山东 青岛 266580；3 国家管网集团北京管道有限公司，北京 100101）摘要：在我国“碳达峰、碳中和”的战略目标下，风电和化石能源制氢技术正不断发展，利用海上风电资源或天然气制备氢气，并通过储运技术送到氢能源市场，为解决海上风电并网和消纳的难题、促进深海天然气资源的低碳发展提供了可行的思路，因此研究应用于浮式氢气液化工艺系统的绕管式换热器海上适应性具有重要意义。本文基于多自由度的晃荡平台，搭建了浮式多孔介质通道内压降测试实验装置；基于多孔介质模型、正-仲氢转化和氢流动换热理论模型，建立了多孔介质通道内耦合正-仲氢转化的流动换热数值模型。通过实验与数值模拟相结合的方法，分析海况和水平条件下多孔介质换热通道的性能变化。研究结果表明，填充催化剂的绕管式换热器多孔介质通道内压降明显，温降不明显，管内仲氢含量增加；随着氢气流量的增加，传热系数逐渐增大，而出口仲氢的含量逐渐降低；海况对海上多孔介质换热通道的压降和传热特性影响较小。关键词：海上；换热器；氢气储运；正仲氢转化；氢气液化中图分类号：TE646 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1281-10Coupling characteristics of hydrogen heat transfer and normal-parahydrogen conversion in offshore porous media channelsSUN Chongzheng1，FAN Xin2，LI Yuxing2，XU Jie3，HAN Hui2，LIU Liang2(1 College of Energy Storge Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,Shandong China;2 College of Pipeline and Civil Engineering/Shandong Provincial Key Laboratory of Oil&Gas Storage and Transportation Safety,China University of Petroleum,Qingdao 266580,Shandong,China;3 PipeChina Beijing Pipeline Company,Beijing 100101,China)Abstract:Under our country s strategic goal of carbon peaking and carbon neutrality,wind power and fossil energy hydrogen production technologies are constantly developing.Use offshore wind power resources or natural gas to produce hydrogen and send it to the hydrogen energy market through storage and transportation technology,which provides a feasible idea for solving the problems of offshore wind power grid integration and consumption and promotes the low-carbon development of deep-sea natural gas resources.Therefore,it is of great significance to study the offshore adaptability of the spiral wound heat exchanger applied in the floating hydrogen liquefaction process system.Based on the multi-degree-of-freedom sloshing platform,an experimental device for pressure drop testing in floating porous media channels was built.Based on the porous media model,the theoretical model of normal-parahydrogen 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0892收稿日期：2022-05-16；修改稿日期：2022-10-01。基金项目：国家自然科学基金（U21B2085）；山东省自然科学基金（ZR2021QE073）；中国博士后科学基金（2021M703587）。第一作者：孙崇正（1993），男，博士，研究方向为氢气液化储运。E-mail：。通信作者：李玉星，教授，博士生导师，研究方向为氢气储运。E-mail：。引用本文：孙崇正,樊欣,李玉星,等.海上多孔介质通道内氢气换热与正仲氢转化的耦合特性J.化工进展,2023,42(3):1281-1290.Citation：SUN Chongzheng,FAN Xin,LI Yuxing,et al.Coupling characteristics of hydrogen heat transfer and normal-parahydrogen conversion in offshore porous media channelsJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1281-化工进展，2023，42（3）conversion and hydrogen flow heat transfer,a numerical model of flow heat transfer coupled with normal-parahydrogen conversion in porous media channels was established.The performance changes of porous media heat exchange channels under sea and horizontal conditions were analyzed by a combination of experiments and numerical simulations.The research results showed that the pressure drop in the porous medium channel of the spiral wound heat exchanger filled with catalyst was obvious,the temperature drop was not obvious,and the parahydrogen content in the tube increased.With the increase of hydrogen flow,the heat transfer coefficient increased gradually,while the content of parahydrogen in the outlet decreased gradually.Sea conditions had little effect on the pressure drop and heat transfer characteristics of offshore porous media heat exchange channels.Keywords:offshore;heat exchanger;hydrogen storage and transportation;ortho-parahydrogen conversion;hydrogen liquefaction气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战。为了积极应对气候变化，我国提出了“碳达峰、碳中和”的双碳战略目标，宣布国家自主贡献一系列新举措，致力于改变能源结构。一方面是我国实现可持续发展的内在要求，是加强生态文明建设、实现美丽中国目标的重要抓手；另一方面也是履行国际责任、推动构建人类命运共同体的责任担当。当前国际格局加速演变，能源转型问题备受关注。我国海域面积广阔，资源丰富，合理运用海上平台，为能源转型，实现“碳达峰”、“碳中和”的目标奠定基础。在寻求可替代的清洁非化石能源中，氢能源被认为是未来汽车和电力的重要能源1-2。相较于气态氢气储运，液态氢储运具有单位体积储氢密度高、输送效率高等优势，便于大规模、长距离的海上氢能运输3-4。浮式氢气液化装置通过将氢气直接在海上液化并装船运输，简化了海上氢能的储运过程。但是海上作业的特殊环境需要考虑船舶甲板空间受限和海上风浪晃荡等因素的影响，浮式氢气液化工艺系统的紧凑性和海上适应性显得尤为重要，因此亟需开展相关研究工作。氢以正氢和仲氢两种形式存在（图1），正氢与仲氢的热力学性质较为不同5-6，在液氢温度的平衡状态下，仲氢含量较高，而直接对常温的氢气液化时，液氢处于非平衡状态，正氢含量较高。在液氢储存和运输过程中，正氢会自发地向仲氢转化，正氢转化为仲氢是一种放热反应，正氢到仲氢的转化热大于液氢的气化潜热7-8，使已液化的氢再蒸发，进而降低液化率。加入正仲氢转化催化剂可以确保正氢和仲氢之间迅速转化，使正仲氢组成快速达到热平衡状态。研究者们发现通过使用填充正仲氢转化催化剂的换热器9-12，可以降低整体液化工艺系统的损失。Donaubauer等5提出了一维连续反应器模型，该模型结合了填充床换热器内的热量、质量和动量传输的相关性以及状态方程。Skaugen 等10和 Wilhelmsen 等13研究了填充催化剂的板翅式换热器的热力学性能，并计算了换热器的局部损失。Park等14通过实验与数值模拟相结合的方法研究了液氢用板翅式换热器的传热和压降特性。氢气在填充有正-仲氢转化催化剂的换热器通道内的降温过程中，由于存在温降显热和正-仲氢转化反应热等热量的叠加，以及催化剂多孔介质中微小通道尺度效应的耦合，导致换热过程复杂且所需热负荷较大，因此需要研究换热通道内氢气换热与正-仲氢转化这一复杂的耦合特性。主低温换热器是氢气液化制冷段的核心设备，绕管式换热器由于其缠绕管的热补偿性较好15，具有较高的整体传热系数，以及便于大型化等优势，被广泛应用于浮式液化天然气（FLNG）和氢气液化工厂中16-17。国内外学者对绕管式换热器的流动换热特性进行了大量研究。Ho等15,18对绕管式换热器的传热模型进行了研究，建立了不同工质和湿度条件下的传热模型，并通过实验验证了其准确性。绕管式换热器的热流在内芯轴周围缠绕的管道内流动换热，制冷剂在壳侧自上而下流动换热。Srbislav等19分析了缠绕角度、径向距离、轴向距离等参数对绕管式换热器壳侧传热系数的影响规图1正仲氢形式与转化 12822023年3月孙崇正等：海上多孔介质通道内氢气换热与正仲氢转化的耦合特性律。Pacio等20比选了主低温换热器的流体力学模型。Messa等21研究了不同缠绕角度、轴向间距和径向间距对绕管式换热器壳