超临界CO2及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.03.012

辽宁石油化工大学学报 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (3): 75-80.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2023.03.012

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

收稿日期:2022-03-08 修回日期:2022-04-25 出版日期:2023-06-25 发布日期:2023-06-25
通讯作者: 姜文全
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；E⁃mail：gsh wy2022@163.com。
基金资助:
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)

Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Supercritical CO₂and Its Mixture in Vertical Circular Tubes

Shaohua Ge¹(), Guilin Ai¹, Fan Yang², Haonan Chen¹, Siyu Qu¹, Wenquan Jiang¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China
^2.College of Petrochemical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China

Received:2022-03-08 Revised:2022-04-25 Published:2023-06-25 Online:2023-06-25
Contact: Wenquan Jiang

摘要/Abstract

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300～600 kg/（m²?s）、热流密度为80～100 kW/m²、入口压力为8～10 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

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 300～600 kg/(m²?s), heat flow density of 80～100 kW/m², and inlet pressure of 8～10 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.

Key words: CCS, CO₂mixture, Heat transfer, Numerical study

中图分类号:

TE832

葛韶华, 艾贵琳, 杨帆, 陈昊楠, 屈思雨, 姜文全. 超临界CO₂及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(3): 75-80.

Shaohua Ge, Guilin Ai, Fan Yang, Haonan Chen, Siyu Qu, Wenquan Jiang. Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Supercritical CO₂and Its Mixture in Vertical Circular Tubes[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2023, 43(3): 75-80.

图/表 9

图1 几何模型示意图

图2 8 MPa下超临界CO2及其混合物的热物性参数

表1 网格无关性验证结果

案例	网格数	T_w/K	相对误差/%
1	1 776 198	329.4	0.604
2	2 714 479	331.0	0.120
3	3 363 927	331.1	0.091
4	4 199 136	331.4	—

图3 模型验证

图4 工质组分对超临界CO2及其混合物换热系数的影响（a）超临界CO2及其与CH4、N2的混合物（b）超临界CO2及CO2+CH4混合物（c）超临界CO2及CO2+N2混合物

图5 质量流速对超临界CO2及其混合物换热系数的影响（a）超临界CO2 （b）超临界CO2+CH4混合物（c）超临界CO2+N2混合物

图6 入口压力对超临界CO2混合物换热系数的影响

图7 超临界CO2的湍动能及比热容沿径向的分布曲线

图8 质量流速对浮升力的影响

参考文献 20

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超临界CO₂及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究

Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Supercritical CO₂and Its Mixture in Vertical Circular Tubes

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