超临界CO_2管道减压过程中的热力学特性

基于工业规模CO_2管道(长258 m,内径233 mm)实验装置开展了3组不同泄放口径的超临界CO_2的泄放实验,测量了CO_2减压过程中管内介质压力变化以及介质与管壁的温度分布,分析了减压过程中CO_2相态、密度变化及管壁内外传热过程。研究表明,超临界CO_2泄放导致管内介质压力、温度及管壁温度均下降,最终趋于稳定,介质由超临界相变为气液两相最终变为气相。初始阶段的温降幅度最大,对流换热强度最大。距离泄放端越远,管内顶部和底部介质的温降幅度越大,对流换热强度越小,在泄漏口附近的对流换热最为剧烈。随着泄放口径的变大,泄放时间和管道内介质与管道的换热时间都变小,且沿着管道方向的管道内流体和管壁的温度梯度变大,对流换热强度也变大。     

工业规模CO2管道泄放过程中的压力响应及相态变化

基于CO₂相态分别进行了气相、气液两相和超临界状态的3组工业规模CO₂管道(长256 m,内径233 mm)泄放实验,分析了CO₂管道泄放过程中的压力响应和相态转变过程。研究表明:在管道内,气相CO₂泄放开始时压力发生突降,而后压降停滞或减慢;管内相态主要为气态,但管道末端温度大幅下降使该处形成气液均相CO₂。泄放口位于气液界面之上的气液两相CO₂泄放中,减压波多次反射并导致多次压力突降和反弹;管内相态由气液分层向气液均相转变,管道顶部和底部气液均相CO₂先后向气相CO₂转变。超临界CO₂泄放中的压力突降和反弹发生在临界区域附近,且压力穿过临界压力时,压变速率会停滞或减慢;管内相态经历了超临界、气液均相和气相泄放3个过程。     

小尺度超临界CO2管道小孔泄漏减压及温降特性

超临界CO₂管道运行过程中一旦发生泄漏，将会造成严重的事故。本文基于小尺度CO₂管道（长14.85m，内径15mm）实验装置开展了超临界纯CO₂及含杂质超临界CO₂管道的小孔泄漏实验，测量了不同泄漏孔径及不同起始压力条件下超临界CO₂管道泄漏过程中管内介质的压力和温度响应曲线，分析了管道泄漏过程中CO₂的相态变化。研究结果表明，在超临界CO₂管道泄漏过程中，管内流体温度存在一个最低值，CO₂由超临界态直接转变为气态；泄漏孔径越大，管道泄漏时间越短，管内介质温度所能达到的最低值更低；N₂的存在缩短了管道泄漏的时间，提高了管内介质的最低温度，且N₂含量越高，该最低温度越高。此外基于管道泄漏时间的自保持性，得出了不同泄漏孔径和起始压力条件下管内压力随泄漏时间变化的经验公式。     

惰性气体对粉尘爆炸泄放特性影响的实验研究

爆炸泄放和爆炸抑制是工业上降低粉尘爆炸危害性的两个重要手段,同时实现粉尘爆炸抑制和泄放共同作用的效果值得关注。基于标准20 L球形粉尘爆炸装置侧向开泄放口,实验研究不同泄放口径和静态动作压力时CO₂/N₂对石松子粉泄放过程压力的影响,采用热重分析法分析了石松子粉尘分别在CO₂、N₂氛围的热重变化。结果表明,在20 mm泄放口径时,随着CO₂/N₂浓度的增加,泄放压力的降低幅值逐渐增大,且CO₂对粉尘爆炸泄放最大超压的减小效果要优于N₂。泄放压力值随着CO₂浓度的增加基本呈线性降低,当体系中的CO₂和N₂浓度增加到10%时对体系泄放压力值的降低效果开始趋于一致。对于40 mm泄放口径,添加相同浓度的CO₂体系泄放压力值要略低于N₂,降低幅值为6%~8%。对于60 mm泄放口径,CO₂/N₂两者抑制效果差别不大,且在添加浓度不超过8%时对体系泄放压力值的降低幅值影响较小。通过TGA曲线可以发现,在N₂气氛和CO₂气氛的热流条件中,石松子粉的热解过程在370℃左右开始出现明显的差异,CO₂气氛中石松子粉的热解速率要快于其在N₂气氛中的,因此在这个过程中CO₂的存在一定程度上会促进石松子粉的热解,随着热解温度进一步提升,CO₂对石松子粉热解的抑制效果开始逐渐体现。     

螺旋管内超临界CO2对流换热特性数值研究

本文模拟了超临界CO₂在竖直螺旋管内对流换热过程,研究了质量流速、压力、热流密度等参数对其传热系数的影响,并对比了超临界CO₂在螺旋管与直管对流换热性能。结果表明,提高质量流速、降低热流密度能够有效提高换热系数。相比于圆管,螺旋管能够有效提高超临界CO₂对流换热系数,最高平均增幅为11.2%。     

超临界CO2管道泄漏特性研究进展

超临界CO₂输运管道泄漏可能造成断裂扩展、人员伤害和输运介质损失等重大事故，因此对泄漏过程中热力学参数变化规律的深入研究具有重要意义。目前对超临界CO₂管道泄漏特性研究不够，有必要进行详细的文献综述分析。介绍了CO₂管道泄漏特性研究背景及意义，综述了国内外CO₂管道泄漏过程中减压过程、近场射流膨胀及远场扩散规律实验、理论分析和数值模拟方面的研究现状，分析了目前超临界CO₂管道泄漏特性的研究不足，并对将来的研究方向进行了展望。     

泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究

超临界CO₂工质在太阳能热发电系统中的应用能够有效提升整个系统的效率、紧凑性和环境友好性，因此有必要优化超临界CO₂用太阳能集热器的综合性能。提出了泡沫材料有效热导率新的预测模型，并研究了不同泡沫材料填充方式对集热管内超临界CO₂流动与换热性能、管壁温度分布的影响规律。结果表明，环形填充方式（沿管内壁填充）的流动换热综合性能指标(j/j _c)/(f/f _c)^1/3最优，净吸热量最大，管壁最高温度最低且温度分布最均匀。     

工业规模CO2管道大孔泄漏过程中的射流膨胀及扩散规律

通过气相和超临界状态的两组工业规模CO₂管道（长258 m、内径233 mm、泄放孔径100 mm）泄放实验，分析了近场动压、可见云以及扩散区域温度和浓度变化。研究表明：在大口径气相和超临界CO₂泄放中，泄漏口处会形成高度欠膨胀射流，在射流结构中会生成大量干冰颗粒；后者形成的欠膨胀射流结构范围较大，但马赫盘的位置都在0.4 m内。可见云在快速膨胀后，在一定时间内维持在亚稳定状态，随后缓慢衰减。可见云携带干冰颗粒和水雾快速扩散，干冰颗粒在降至地面前已全部升华，未形成干冰床。气相与超临界泄放中的扩散区域温度在迅速下降后缓慢上升，且超临界泄放中温降更大；CO₂浓度均升高后缓慢下降，预测二者5%浓度在泄漏方向上的危险距离至少为30和50 m。     

低质量流速下超临界CO2在管内冷却换热特性

开展了低质量流速下超临界CO₂在水平直管内冷却过程的换热特性的实验研究。实验压力为p=7.5~9.0 MPa,质量流速为G=79.6~358.1 kg·m^-2·s^-1,流体温度为25.0~50.0℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响,并引入Richardson数阐述浮升力对超临界CO₂在水平直管内冷却换热影响。实验结果表明: 传热系数随着质量流速的增加而增大。传热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时,传热系数峰值点出现在准临界温度之前,且浮升力作用加大,流体处于混合对流状态。将传热系数的实验值和已有的换热关联式计算值作对比后发现在低质量流速下误差较大,拟合了低质量流速工况的超临界CO₂在水平直管内冷却换热的关联式,94%的实验值和拟合关联式误差在±20%范围内。     

多孔介质内超临界CO2流体及泡沫驱油特性的比较实验研究

CO₂混相驱替可以提高原油采收率,因此近年来得到研究者们的广泛关注。使用高温高压驱替设备,利用超临界CO₂流体、超临界CO₂泡沫及N₂泡沫作为驱替介质,对油水饱和孔隙介质中的油相驱替特性开展了比较实验研究。通过对驱替过程沿程压力及对驱替增采油量的测量,对不同驱替手段在孔隙介质内的油相增采特性进行深入研究和探讨。研究发现在温度为50℃、压力为13 MPa时,超临界CO₂流体对多孔介质内的油相驱替效果有显著提升,当压力进一步升高到23 MPa时,油相增采效果不明显。说明在本实验条件下超临界CO₂流体与油相在50℃、13 MPa时可达到混相驱替状态;而采用超临界CO₂泡沫及N₂泡沫注入工艺未能进一步提高出油量。沿程压差测量结果则显示,与N₂泡沫相比,超临界CO₂泡沫在多孔介质试样内的驱替压差较小,起泡性能较差。实验结果对于筛选及评价超临界CO₂驱油工艺具有一定的指导意义。     

超高参数CO2在垂直管中的传热分析

在均匀加热条件下,开展了超高参数二氧化碳在垂直上升管中的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力p=8.21～20.6MPa,热流密度q _w=95～300kW/m²,质量流速G= 1000～1232.5kg/(m²·s)。分析了入口温度、压力和热流密度对传热的影响规律。实验结果表明,在热流密度、压力和质量流速一定的条件下,入口温度对传热有明显影响,当T _in<T _pc时,在拟临界温度前壁温出现峰值,达到峰值点随后又逐渐下降,即传热出现了恶化现象。但是当T _in>T _pc时在同样的工况下,壁温沿着主流焓值单调上升,无明显的壁温峰值出现,这意味着传热恶化只发生在T _in<T _pc时。在T _in>T _pc的超临界工况下,压力和热流密度对传热的影响较小,工质遵循单相强制对流换热。将实验数据与选取的典型传热关联式作比较,结果显示,经典的D-B单相湍流对流公式计算的换热系数和壁温已达到了满意的预测精度。     

压力瞬态下超临界压力CO2的传热特性

在均匀加热条件下,开展超临界压力二氧化碳在压力瞬态下的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力P=7.58~9.97MPa,热流密度q _w=64~256kW/m²,质量流速G=660~893kg/(m²·s)。分析了正常传热和传热恶化条件下,瞬间泄压过程对传热的影响规律。实验结果表明,正常传热工况下,壁温随着压力的减小有降低的趋势,传热系数明显增大;传热恶化发生后壁温迅速上升,对应的传热系数减小传热恶化更加严重,且恶化壁温峰值点向着入口方向移动。最后对实验现象进行了解释,正常传热下壁温降低是由于压力的降低增大了比热容,从而改善了传热。传热恶化发生后,压力的降低减小了拟临界焓值i _pc,从而增大了超临界沸腾数SBO,更大的SBO表明膨胀动量力占主导,靠近壁面低密度的vapor-like fluid在不断向外膨胀,从而使得低密度层流体的厚度增加,从而加大了传热热阻,这时壁温升高或者出现更大的恶化。     

高热流低流速条件下超临界CO2在小圆管内的对流传热特性

为获取高热流、低流速条件下超临界CO₂的传热规律，开展了超临界CO₂在内径2 mm水平小圆管内对流传热试验研究，并重点探讨了变物性、浮升力和热加速等效应对传热过程的影响。试验参数范围：系统压力7.6~8.4 MPa，质量流速400~500 kg/(m²?s)，热通量0~200 kW/m²，流体温度20~60℃，Reynolds数1.2×10⁴~4.3×10⁴。分别采用Gr/Re ²和Kv作为浮升力效应和热加速效应的判别因子。结果显示，在高热流低流速工况下，浮升力效应显著（Gr/Re ² > 10^-3），同一个截面处的上壁面传热系数始终小于下壁面传热系数。浮升力效应是高热流低流速工况下传热恶化的主要诱发因素。试验中热加速因子较小（Kv < 8.5×10^-7），其效应可以忽略。将试验数据与典型的传热经验关联式作对比，结果表明Liao-Zhao关联式的计算结果与试验结果最吻合。     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

紧凑通道内CO2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO₂/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h^-1,饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5 kW·m^-2,油浓度0～6%。结果表明：润滑油浓度越大,CO₂的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%; 传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。