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

1	Guo P C，Liu S C，Yan J G，et al.Experimental study on heat transfer of supercritical CO₂ flowing in a mini tube under heating conditions［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2020，153（14）：1⁃18.
2	Lee W J，Yun R. In⁃tube convective heat transfer characteristics of CO₂ mixtures in a pipeline［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，125（3）：350⁃356.
3	巴清心，李雪芳，黄腾，等.螺旋管内超临界CO₂/DME混合工质冷却换热特性研究［J］.工程热物理学报，2020，41（7）：1743⁃1750.
4	于博文，樊永岳，王岩松，等.超临界CO₂/DME混合物竖直圆管内传热特性数值研究［J］.工程热物理学报，2021，42（2）：481⁃487.
5	代宝民，李敏霞，吕佳桐，等.超临界CO₂/R41小通道内的换热特性［J］.化工学报，2015，66（3）：924⁃931.
6	代宝民.CO₂/低GWP工质二元混合物微小通道内流动换热机理的研究［D］.天津：天津大学，2015.
7	Wang P，Li M X，Dai B M，et al.Experimental study on supercritical heat transfer characteristics of CO₂/R41 mixture in microchannel［J］.Applied Thermal Engineering，2021，199（8）：117465.
8	Baik W K，Lee W J，Yun R，et al.Heat transfer and pressure drop characteristics of CO₂ mixtures in a pipeline under the seawater condition［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，136（3）：627⁃634.
9	龙志强. 超临界二元混合流体热质传递机理及应用研究超［D］.上海：上海交通大学，2014.
10	Yang Z Q，Li T H，Zhao X，et al.Hydrodynamic and heat transfer characteristics of binary hydrocarbons at transfer and supercritical pressures［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2020，116（3）：110⁃128.
11	Prah B D， Lee W J，Yun R，et al.In⁃tube convective heat transfer characteristics of a CO₂⁃hydrate mixture ［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2017，31（8）：4035⁃4042.
12	Zhang H L，Wu H M，Liu D，et al.Experimental investigations on heat transfer to H₂O/CO₂ mixtures in supercritical region［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2020，116（3）：1⁃7.
13	Lei Y C，Xu B，Chen Z Q.Experimental investigation on cooling heat transfer and buoyancy effect of supercritical carbon dioxide in horizontal and vertical micro⁃channels［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2021，181（9）：1⁃13.
14	Yan C S，Xu J L，Zhu B G，et al.Numerical study on convective heat transfer of supercritical CO₂ in vertically upward and downward tubes［J］.Technological Sciences，2021，64（5）：995⁃1006.
15	李琳，姜文全，李婷婷，等.竖直圆管内超临界压力低温甲烷传热的数值研究［J］.辽宁石油化工大学学报，2021，41（5）： 66⁃71.
16	贾力，方肇洪.高等传热学［M］.北京：高等教育出版社，2008.
17	阎超.计算流体力学方法及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.
18	Zhang S J，Xu X X，Liu C，et al.Experimental and numerical comparison of the heat transfer behaviors and buoyancy effects of supercritical CO₂ in various heating tubes［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，30（9）：1⁃17.
19	汪森林，李照志，邵应娟，等.超临界二氧化碳垂直管内传热恶化数值模拟研究［J］.化工学报，2022，73（3）：1072⁃1082.
20	Negoescu C C，Li Y L，Al⁃Duri B，et al.Heat transfer behaviour of supercritical nitrogen in the large specific heat region flowing in a vertical tube［J］.Energy，2017，16（9）：1⁃11.

[1]	李丁健, 刘春枝, 赵立前, 刘学武. 金属氢化物反应器结构对储氢性能影响研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(6): 37-43.
[2]	张准顺, 郭强, 马贵阳, 李洋, 陈红伟. 加装管端隔热层提高换热器安全性的模拟研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 67-71.
[3]	李琳, 姜文全, 李婷婷, 杨帆, 宿诗雨, 石杰峰. 竖直圆管内超临界压力低温甲烷传热的数值研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(5): 66-71.
[4]	廖柯熹，彭浩，曾昭雄，何国玺，苗春江，冷吉辉. 页岩气测试平台积液原因及排液对策研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2021, 41(1): 37-44.
[5]	闫腾飞，姜昊君，姜文全，李强，岳云雪，余睿哲. 减黏裂化换热管束腐蚀泄漏机理与防护研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(5): 83-87.
[6]	卜英南，高磊，张莹莹. 油浆蒸汽发生器管板与换热管焊缝处焊接残余应力模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(3): 70-73.
[7]	钱瀚,张莹莹,高磊. 基于ANSYS Workbench软件的压力容器管板应力分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2018, 38(06): 70-75.
[8]	钱瀚，高磊，张莹莹. 低合金高强钢换热管开裂原因分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2018, 38(05): 67-71.
[9]	王云,马贵阳,徐子健. 热油管道停输安全出站温度数值研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2015, 35(1): 29-32.
[10]	纪明山,张健,封瑞江,贾韧刃. 催化重整装置换热网络分析与优化[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(3): 33-36.
[11]	杨郁满,孙铁,于恩播,张丹,刘红明. 基于F LUENT的热管换热器纵向冲刷方式模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(3): 71-74.
[12]	郭土,马贵阳,黄腾龙,石龙,孙皓. 球面弓形折流板换热器壳程流体流动与传热的数值模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(2): 41-44.
[13]	曹先慧,马贵阳,王雷,姚暋尧高艳波,莫海元,刘金彪. 波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2013, 33(3): 43-46.
[14]	郭暋土,马贵阳,石暋龙,黄腾龙. 折流板开孔对管壳式换热器性能的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2013, 33(3): 47-50.
[15]	李俊俊，刘　峰. 换热器管束腐蚀穿孔失效原因分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2012, 32(3): 54-57.

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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