超临界CO_2及其混合物在...直圆管内的传热特性数值研究_葛韶华.pdf

第43卷 第3期2023 年6月投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITYVol.43 No.3Jun.2023超临界 CO2及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究葛韶华1，艾贵琳1，杨帆2，陈昊楠1，屈思雨1，姜文全1（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）摘要：碳捕捉、运输和储存（CCS）对实现碳中和具有重要意义。以超临界 CO2、超临界 CO2+CH4混合物（CH4摩尔分数分别为 1%、3%、5%）及超临界 CO2+N2混合物（N2摩尔分数分别为 1%、3%、5%）为工质，在工质质量流速为 300600 kg/（m2s）、热流密度为 80100 kW/m2、入口压力为 810 MPa 的条件下，研究了超临界 CO2及超临界 CO2混合物在竖直圆管内的流动换热过程。结果表明，随着工质中 CH4和 N2摩尔分数的降低，工质的换热系数峰值逐渐升高，且其对应的温度逐渐升高；工质的换热系数随着质量流速的增大而增大，且质量流速越大，换热系数变化幅度越大；随着入口压力的增大，工质的换热系数峰值有所降低，且其对应的温度逐渐升高；湍动能、浮升力及定压比热容与超临界 CO2及其混合物换热强化密切相关。关键词：CCS；CO2混合物；换热；数值研究中图分类号：TE832；TK124 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.03.012Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Supercritical CO2 and Its Mixture in Vertical Circular TubesGe Shaohua1，Ai Guilin1，Yang Fan2，Chen Haonan1，Qu Siyu1，Jiang Wenquan1（1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；2.College of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China）Abstract:Carbon capture,transport and storage(CCS)plays an important role in the process of carbon neutralization.The flow and heat transfer process of supercritical CO2 and supercritical CO2 mixture in a vertical circular tube was studied with supercritical CO2,supercritical CO2+CH4 mixture(CH4 mole fraction is 1%,3%,5%)and supercritical CO2+N2 mixture(N2 mole fraction is 1%,3%,5%)as working fluids at a mass flow rate of 300600 kg/(m2s),heat flow density of 80100 kW/m2,and inlet pressure of 810 MPa.The results show that with the decrease of CH4 and N2 mole fraction in the working medium,the peak value of heat transfer coefficient of the working medium increases gradually,and its corresponding temperature increases gradually;the heat transfer coefficient of the working fluid increases with the increase of the mass flow rate,and the greater the mass flow rate,the greater the change range of the heat transfer coefficient;with the increase of inlet pressure,the peak value of heat transfer coefficient of working fluid decreases,and its corresponding temperature increases gradually.Turbulent kinetic energy,buoyancy and specific heat capacity at constant pressure are closely related to the heat transfer enhancement of supercritical CO2 and its mixture.Keywords:CCS；CO2 mixture；Heat transfer；Numerical study天然 CO2因具有无毒、不可燃、环境友好和价格低廉等特点备受关注。与传统的常物性流体相比，超临界 CO2流体在拟临界点附近热物性变化十分剧烈，换热特性十分复杂，因此超临界 CO2流体的流动换热特性成为近年来的研究热点1。碳捕捉、运输和 储 存（CCS）是 实 现 碳 中 和 最 有 前 途 的 方 法 之一2。在捕获 CO2的过程中，会同时捕获 N2、CH4、O2、SO2和 H2S 等杂质，而杂质类型及数量因捕获方文章编号：16726952（2023）03007506收稿日期：20220308 修回日期：20220425基金项目：辽宁省自然科学基金项目（20170540587）；辽宁省教育厅科学研究经费项目（L2019024）。作者简介：葛韶华（1995），男，硕士研究生，从事超临界压力流体流动与传热方面的研究；Email：gsh 。通信联系人：姜文全（1979），男，博士，副教授，从事超临界压力流体流动与传热方面的研究；Email：j_。辽宁石油化工大学学报第 43 卷法的不同而有所差异。N2、CH4、O2、SO2和 H2S等杂质的存在显著影响 CO2混合物的热物理性质。在临界条件下，含杂质的 CO2热物理性质的剧烈变化会导致运输成本、管道载荷和传热效率的显著变化。因此，研究 CCS 过程中含杂质 CO2在临界条件下的换热特性非常重要。巴 清 心 等3、于 博 文 等4研 究 了 超 临 界 CO2/DME（DME 为二甲醚）混合物工质组分、质量流速和热流密度对换热特性的影响，发现 DME 的存在会降低 CO2换热系数的峰值。代宝民等56、P.Wang等7在小通道内研究了 CO2/R41（R41 为一氟甲烷）混合物中 R41 的摩尔分数对换热特性的影响。结果表明，在相同的压力下，对流换热系数的极值随R41 摩尔分数的增大而减小。W.J.Lee 等8在海水条件下研究了 CO2混合物在管道内的换热特性，发现 CH4和 N2摩尔分数的增加导致了 CO2混合物换热系数的降低。龙志强9实验研究了二元混合工质的换热规律。结果表明，在层流热边界层区域和极限区域内，超临界氮/氩二元混合流体中组分浓度的变化对自然对流换热特性影响不大，其表现与相应的纯组分流体一致。Z.Q.Yang 等10研究了纯组分和混合物在亚临界和超临界压力下的换热特性，发现环己烷/戊烷的流体力学特性和换热过程等基本规律与纯物质相同。B.D.Prah 等11、H.L.Zhang等12研究了 H2O 摩尔分数对 CO2/H2O 混合物在管内对流换热特性的影响，发现 CO2/H2O 混合物的管内换热系数随 H2O 摩尔分数的增加呈先增加后降低的态势。Y.C.Lei等13研究了浮升力对微通道内垂直向下流动的超临界 CO2冷却换热特性。结果表明，浮升力对超临界 CO2冷却过程的换热特性有显著影响；与水平流动的情况相比，向下流动时换热得到增强。C.S.Yan等14对垂直上升和下降管内超临界 CO2对流换热进行了数值研究。结果表明，向上流动的总热阻总是大于向下流动的总热阻，垂直向 下 流 动 时 的 换 热 性 能 更 优。李 琳 等15研 究 了LNG 在向上流动及向下流动时的换热特性。结果表明，当质量流速较低时，向上流动的换热系数大于向下流动的换热系数；当质量流速较大时，由于壁面附近的湍流强度减弱，向上流动的换热系数略低于向下流动的换热系数。综上所述，超临界流体混合物的换热特性取决于混合物工质，且不同的工质组分对超临界混合物换热的影响不同。超临界 CO2混合物因其拟临界区域物性变化受杂质类型和含量的约束，其换热特性不同于纯超临界 CO2的换热特性，浮升力对向下流动流体的换热影响也因其边界条件的差异而呈现增强或弱化的现象。因此，本文研究了分别含少量CH4和 N2的超临界 CO2混合物的换热特性，并分析了杂质类型及其摩尔分数、质量流速、入口压力以及浮升力对超临界 CO2混合物换热特性的影响。1 数值模拟方法 1.1 几何模型建立了竖直圆管内超临界 CO2及分别含少量CH4和 N2的超临界 CO2混合物的换热三维模型，其示意图如图 1所示。竖直圆管内径为 4 mm，管长为1 000 mm；流动方向与重力方向相同。1.2 控制方程及数值方法采用 RNG k 湍流模型16，该模型包括连续性方 程、动 量 方 程、能 量 方 程，其 表 达 式 见 式（1）（3）17。连续性方程：xi(ui)=0（1）动量方程：xj(uiuj)=xj(+t)(uixj+ujxi-23ijukxk)-(ij)pxi+gi （2）能量方程：xi(uicpT)=xi(xi)+（3）式中，为工质密度，kg/m3；u为流体速度,m/s；x为笛卡尔坐标系，m；i、j、k均为空间坐标 x、y、z上的分量；p 为压力，MPa；g 为重力加速度，m/s2；为黏度MPas；t为 湍 流 黏 度，MPas；cp为 定 压 比 热 容，J/(kg K)；T 为 流 体 温 度；K；为 热 导 率，W/(mK)；为剪切力，N/m2；为速度与焓的通用图 1几何模型示意图76第 3 期葛韶华等.超临界 CO2及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究求解变量。为了模型的计算精度，湍流动能方程、耗散方程均采用二阶迎风式离散，采用 SIMPLEC 算法16求解压力速度耦合方程；方程残差值设定为 106，当残差值小于设定值且出口温度保持不变时，认为计算已收敛。1.3 物性计算及边界条件采用 Fluent 软件，对超临界 CO2及超临界 CO2混合物（杂质摩尔分数为 5%）在竖直圆管内的流动换热特性进行了数值研究，结果如图 2 所示。由图2可以看出，在 8 MPa的压力及同一温度下，与超临界 CO2相比，杂质摩尔分数为 5%的超临界 CO2混合物的密度、热导率和黏度都有所减小；当流体温度低于拟临界温度 Tpc时，杂质摩尔分数为 5%的超临界 CO2混合物的比热容高于超临界 CO2，而流体温度高于拟临界温度 Tpc时，杂质摩尔分数为 5%的超临界 CO2混合物的比热容低于超临界 CO2。将二元混合物的热物性参数分段式输入到 Fluent 软件中进行相应计算，以便准确地模拟沿程的换热过程。数值模拟采用的工质：超临界 CO2，CH4摩尔分数分别为 1%、3%、5%的