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%的超临界 CO2+CH4混合物，N2摩尔分数分别为 1%、3%、5%的超临界 CO2+N2混 合 物；数 值 模 拟 工 况：质 量 流 速 为 300600 kg/（m2s），热流密度为 80100 kW/m2，入口压力为 810 MPa。边界条件：进口采用质量流率，出口采用自由流出，壁面采用均匀热流。1.4 模型的验证对模型进行了网格无关性验证，结果见表 1。表 1 中，案例 1、案例 2、案例 3 的相对误差分别为案例 1、案例 2、案例 3的壁面温度（Tw）与案例 4壁面温度之差的绝对值除以案例 4壁面温度的结果。由表 1 可以看出，案例 1、案例 2、案例 3 壁面温度的相对误差分别 0.604%、0.120%和 0.091%，案例 2、案例 3 可以确保计算结果独立于网格数。因此，为了兼顾模拟的准确性和计算速度，选取案例 2网格为本模型计算网格。为了进一步验证 RNG k模型对本研究的适用（a）密度（c）热导率 （b）比热容 （d）黏度图 28 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1234网格数1 776 1982 714 4793 363 9274 199 136Tw/K329.4331.0331.1331.4相对误差/%0.6040.1200.09177辽宁石油化工大学学报第 43 卷性及可靠性，在文献18的实验工况下，对直径为 4 mm 的竖直管道中超临界 CO2的竖直流动过程进行了数值模拟，并对其对流换热系数的模拟结果与实验数据及其他模型（Standard k 模型、SST k 模型）的模拟结果进行了对比，结果如图 3所示。采用图 3 中的数据进行计算的结果可知，RNG k 模 型 与 实 验 数 据 的 平 均 误 差 最 小，其 值 为7.85%，充分说明本模型及分析方法适用且可靠。2 结果与讨论 2.1 工质组分对换热特性的影响在压力为 8 MPa、热流密度为90 kW/m2、质量流 速 为 400 kg/（m2s）的 条 件 下，考 察 了 超 临 界CO2、超临界 CO2+CH4混合物和 CO2+N2混合物在竖直圆管内流动换热系数，结果如图 4所示。由图 4可以看出，杂质的摩尔分数越高，与换热系数的峰值对应的流体温度越低，且换热系数峰值降低；随着流体温度的升高，超临界 CO2及超临界 CO2混合物在管道中的换热系数呈先增加后降低的趋势，且在拟临界温度附近出现峰值，这是因为比热容在超临界 CO2的传热过程中起重要作用。2.2 质量流速对换热特性的影响在压力为 8 MPa、热流密度为 90 kW/m2、入口温度为 285.0 K 的条件下，考察了质量流速对超临界 CO2及其混合物（杂质摩尔分数为 3%）流动换热系数的影响，结果如图 5所示。由图 5可以看出，超临界 CO2及其混合物的换热系数随着流体温度的增加呈先增加后降低的趋势；在拟临界温度附近，传热系数达到最大值，然后迅速降低，出现了换热强化现象，且随着质量流速的增大，换热强化愈加明显。2.3 入口压力对传热特性的影响在 热 流 密 度 为 90 kW/m2、质 量 流 速 为 400 kg/（m2s）的条件下，考察了入口压力对超临界 CO2混合物（杂质的摩尔分数为 3%）换热系数的影响，结果见图 6。由图 6 可知，随着入口压力的增加，超临界 CO2混合物的换热系数峰值有所降低，而换热图 3模型验证（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 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 （b）超临界 CO2+CH4混合物 （c）超临界 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78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系数峰值所对应的温度有所升高。这是因为：随着入口压力的增加，超临界 CO2混合物比热容峰值对应的温度升高，且在拟临界温度前随着压力的增加，比热容逐渐降低，在拟临界温度后逐渐增加19。2.4 热物性及浮升力对换热的影响2.4.1热物性对换热的影响 流动换热是浮升力、流动加速和热物性共同作用的结果，热物性的变化会导致轴向流动流体的换热效果。流动惯性会影响湍流的产生，使流动方向上发生连续的速度变化，加速湍动能的发展。在压力为 8 MPa，热流密度为 90 kW/m2，质量流速分别为 300、400、500、600 kg/（m2s）的条件下，考察了拟临界温度 Tpc位置的超临界 CO2的湍动能、定压比热容沿径向的分布情况，结果如图 7所示。由图 7（a）可以看出，在相同的位置，质量流速越大，湍动能越大，其变化趋势与换热系数的变化趋势一致；当加大质量流速时，湍动能增大，提高径向剪切应力，降低壁面附近的边界层厚度，超临界 CO2换热得到强化。由图 7（b）可以看出，当径向距离小于 1.7 mm时，径向距离越大，定压比热容越大。当径向距离为 1.71.8 mm 时，截面上的大部分区域被高定压比 热 容 流 体 占 据，吸 收 更 多 的 热 量 并 可 能 强 化换热20。2.4.2浮升力分布 在换热过程中，由于圆管内CO2的温度不均匀分布，因此在截面会形成密度梯度，产生浮升力。在压力为 8 MPa，热流密度为 90 kW/m2，质 量 流 速 分 别 为 300、400、500、600 kg/（m2s）的条件下，考察了浮升力的变化情况，结果如图 8所示。图 8质量流速对浮升力的影响由图 8可以看出，当质量流速一定时，随着流体（a）超临界 CO2+CH4混合物（b）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（a）湍动能 （b）定压比热容图 7超临界 CO2的湍动能及比热容沿径向的分布曲线79辽宁石油化工大学学报第 43 卷温度的升高，浮升力的无量纲参数（Bo*，下同）先逐渐增大至峰值，然后急剧减小；在相同的热流密度下，Bo*随着质量流速的增大而增大。从图 8还可以看出，浮升力峰值出现在拟临界温度附近，这是因为浮升力增加了反向的剪切应力，增加了局部湍流的发生，使换热得到强化。3 结 论 对超临界 CO2及其混合物在竖直圆管内向下流动的换热特性进行了数值模拟，分析了杂质摩尔分数、质量流量、入口压力对换热系数的影响，并分析了换热强化的机制，得到了如下结论：（1）超临界 CO2混合物的换热系数变化规律与超临界 CO2的变化规律一致，并且其变化幅度与CH4和 N2摩尔分数相关。（2）入口压力的变化影响超临界 CO2及其混合物的换热特性。在相同工况下，换热系数随着入口压力的增大而降低。（3）超临界 CO2及其混合物的换热强化规律与湍动能、浮升力和定压比热容变化规律一致，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。参 考 文 献1Guo 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）：118.2Lee W J，Yun R.Intube convective heat transfer characteristics of CO2 mixtures in a pipeline J.International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，125（3）：350356.3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）：17431750.4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）：481487.5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）：924931.6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，2015.7Wang 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）：117465.8Baik 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）：627634.9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）：110128.11 Prah B D，Lee W J，Yun R，et al.Intube convective heat transfer characteristics of a CO2hydrate mixture J.Journal of Mechanical Science and Technology，2017，31（8）：40354042.12 Zhang H L，Wu H M，Liu D，et al.Experimental investigations on heat transfer to H2O/CO2 mixtures in supercritical regionJ.International Communications in Heat and Mass Transfer，2020，116（3）：17.13 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 microchannels J.International Journal of Heat and Mass Transfer，2021，181（9）：113.14 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）：9951006.15 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）：6671.16 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）：117.19 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）：10721082.20 Negoescu C C，Li Y L，AlDuri 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）：111.（编辑 宋锦玉）80