CO2水合物漿在水平圓管中的傳熱特性

劉妮，由龍濤，張亞楠，柳秀婷（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

CO2水合物漿在水平圓管中的傳熱特性

劉妮，由龍濤，張亞楠，柳秀婷
（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

摘要：在CO2水合物漿流動(dòng)傳熱特性測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，采用套管式電加熱的方法對CO2水合物漿進(jìn)行了分解實(shí)驗(yàn)，并對CO2水合物漿的流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了分析。對CO2水合物漿的相變特性進(jìn)行了研究，得到CO2水合物漿的相變溫度在8～12℃。研究了在固相體積分?jǐn)?shù)為13.2%以及流速為0.45m/s的條件下CO2水合物漿在內(nèi)徑為8mm的水平不銹鋼管中的傳熱特性，計(jì)算得到CO2水合物漿在不銹鋼水平圓管中的對流傳熱系數(shù)為1500～1800 W/(m2·K)，并且其在流動(dòng)傳熱過程中呈現(xiàn)先增大隨后趨向平穩(wěn)的趨勢，在水合物的相變區(qū)相應(yīng)的對流傳熱系數(shù)表現(xiàn)最大。研究了分解加熱功率對管壁溫和對流傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)加熱功率對管壁溫度的影響較強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中可利用CO2水合物漿的相變作用來增強(qiáng)傳熱，提高傳熱效率。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；水合物漿；傳熱；相變

近年來城市空調(diào)能耗呈大幅度的增長以及峰谷差距拉大的趨勢，電網(wǎng)運(yùn)行的不平衡狀況日趨嚴(yán)重。蓄冷空調(diào)技術(shù)是在夜晚用電低谷時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為冷能儲(chǔ)存起來，到白天用電高峰時(shí)將冷能釋放出來以節(jié)省白天高昂的用電費(fèi)用的技術(shù)。我國采用階梯電價(jià)的方法鼓勵(lì)電能的綜合利用，為蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的空間。蓄冷介質(zhì)的選擇是蓄冷空調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵，冰漿作為研究較早并且應(yīng)用廣泛的一種相變蓄冷介質(zhì)，有著溫度變化范圍小、傳熱效率較高、所需傳熱表面較小和較高的蓄能密度使得泵耗能減小、管徑減小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，但是其相變溫度較低（0℃）且蓄冷時(shí)存在較大的過冷度（4～6℃），使得其制冷主機(jī)的蒸發(fā)溫度須低至?8～?10℃，降低了制冷機(jī)組的效率。另外，在空調(diào)工況和蓄冷工況時(shí)要配置雙工況制冷主機(jī)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而氣體水合物漿作為兩相載冷劑，因其優(yōu)異的流動(dòng)傳熱特性正受到廣泛關(guān)注[4]。

CO2水合物漿是CO2氣體與水在低溫高壓的條件下形成的一種非化學(xué)計(jì)量結(jié)構(gòu)籠型化合物[5-6]，以固液兩相懸濁液的狀態(tài)存在，是一種理想的冷量輸送和蓄冷媒介。CO2水合物漿具有適宜的相變溫度（4～12℃）、較高的相變潛熱（500kJ/kg）、良好的流動(dòng)特性、穩(wěn)定的物性以及對環(huán)境無害和制取方便廉價(jià)等[7]，是新一代具有應(yīng)用前景的兩相載冷劑，引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。為了建立CO2水合物漿在空調(diào)或區(qū)域供冷中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，有必要對其流動(dòng)阻力特性和傳熱特性進(jìn)行深入研究。

Anthony等[8]采用Herschel Bulkley經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛薈O2水合物漿的流變特性，平均誤差小于10%，但水合物漿系統(tǒng)不均勻，伴隨著成核、增長與凝結(jié)，為了提高水合物漿的穩(wěn)定性，需要添加防聚劑。Jin 等[9]在研究CO2水合物漿與水之間的傳熱結(jié)果表明，在理想狀態(tài)下，固相分?jǐn)?shù)15%、流速1.476m/s的漿體與其接觸的管內(nèi)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為3658W/(m2·K)。Inaba等[10]為獲取非牛頓漿狀相變流體的流動(dòng)和傳熱特性，進(jìn)行了Rayleigh-Benard自然對流的二維數(shù)值模擬計(jì)算。劉妮等[11]研究了CO2水合物漿在水平圓管中的流動(dòng)特性，當(dāng)流速低于0.6m/s時(shí)，漿體流變指數(shù)小于1，且隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，CO2水合物漿為H-B流體，剪切速率為600/s時(shí)，CO2水合物漿的表觀黏度為8.5～10.6mPa·s，并得到了CO2水合物漿的流變特征參數(shù)及其流變方程。宋文吉等[12]提出TBAB水合物漿在強(qiáng)化傳熱時(shí)存在“傳熱降低區(qū)”，在該區(qū)域內(nèi)一定固相含量的TBAB水合物漿的對流傳熱系數(shù)比TBAB溶液要低，除過渡區(qū)域外，定流速下漿體的對流傳熱系數(shù)隨固相分?jǐn)?shù)的增加而增大。肖睿等[13]通過研究TBAB水合物漿在水平銅管內(nèi)的傳熱，得到動(dòng)量邊界層對傳熱系數(shù)影響很大，固體晶粒的擾動(dòng)和表觀黏度的降低都能破壞或者減薄動(dòng)量邊界層，從而導(dǎo)致傳熱系數(shù)的增加。馬志偉等[14-15]通過漿體的流動(dòng)曲線認(rèn)為TBAB水合物漿是擬塑性流體，在加熱條件下的流動(dòng)可以分為漿體段和溶液段，傳熱系數(shù)在漿體段降低，而在溶液段上升，隨著紊流程度的增加，加熱功率與相變潛熱對漿體傳熱產(chǎn)生的影響逐步減小，傳熱效果主要受漿體流動(dòng)的影響。

明確CO2水合物漿的流動(dòng)傳熱特性是對其作為載冷劑應(yīng)用的基礎(chǔ)，但目前這方面的研究仍不成熟。本工作采用套管式電加熱的方法研究CO2 水合物漿的加熱分解特性，采用相應(yīng)的局部對流傳熱系數(shù)的計(jì)算方法，探討了加熱功率對壁溫和對流傳熱系數(shù)的影響，為CO2水合物漿相變蓄冷介質(zhì)的傳熱研究提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為蓄冷用氣體水合物漿的連續(xù)循環(huán)制備可視化裝置，主要由水合物漿生成系統(tǒng)、流動(dòng)和傳熱特性測試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。水合物漿生成系統(tǒng)主要包括高壓可視化反應(yīng)釜、恒溫水浴、循環(huán)水箱、氣體質(zhì)量流量控制器、溫度傳感器以及壓力傳感器等，高壓反應(yīng)釜的有效容積為560mL，設(shè)計(jì)壓力20MPa，反應(yīng)釜內(nèi)所需的溫度條件由恒溫水浴控制，其控溫范圍為?20～100℃，反應(yīng)釜前后各配有可視化玻璃窗，可直觀地觀察反應(yīng)釜中水合物漿的生成形態(tài)。氣體注射管路采用內(nèi)徑1mm的毛細(xì)管，保證CO2氣體以小直徑氣泡發(fā)散注入反應(yīng)釜，使其充分溶解。水合物漿循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)主要由耐高壓循環(huán)泵和電磁流量計(jì)組成，循環(huán)流動(dòng)管路采用內(nèi)徑8mm的不銹鋼圓管，總長約3.8m，管外包裹保溫層。水合物漿傳熱特性測試系統(tǒng)包括加熱套管和溫度傳感器。加熱套管總長500mm，采用電加熱棒加熱水的方式，使?jié){體受熱分解。溫度測量采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，相距200mm均勻布置，用來測量管外壁和管中心漿體的溫度變化，管路進(jìn)出口的溫度傳感器用來測量管中心漿體溫度，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀采集并實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)所用CO2純度為99.99%，實(shí)驗(yàn)用水為自制的一次蒸餾水。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2　實(shí)驗(yàn)過程

動(dòng)態(tài)CO2水合物漿生成、受熱分解過程如圖2所示。首先進(jìn)行等溫注氣過程，CO2氣體以300mL/min的速率注入反應(yīng)釜內(nèi)預(yù)冷到一定溫度的溶液中，待反應(yīng)釜內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)定壓力后停止注氣，重新設(shè)定恒溫水浴溫度至反應(yīng)溫度，溶液進(jìn)入降溫段。此時(shí)CO2氣體逐漸溶解，反應(yīng)釜內(nèi)部溫度下降，達(dá)到相平衡點(diǎn)后，水合物開始生成。由于CO2溶于水生成水合物的過程屬于放熱反應(yīng)，所以釜內(nèi)溫度出現(xiàn)突升，同時(shí)壓力逐漸下降，水合物開始大量生成。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，釜內(nèi)壓力基本降至對應(yīng)溫度下的相平衡壓力，水合驅(qū)動(dòng)力較小，壓力下降緩慢，水合物生成速率變小，溫度又重新穩(wěn)定在設(shè)定值附近，水合反應(yīng)基本結(jié)束。當(dāng)水合物生長結(jié)束一段時(shí)間后，保持其他條件不變，開啟電加熱裝置，將加熱功率調(diào)節(jié)至設(shè)定值，開始進(jìn)入漿體吸熱融解階段。

圖2　CO2水合物漿生成和受熱分解過程

3　傳熱特性分析方法

3.1定熱流密度法

當(dāng)采用均勻纏繞的電熱絲來加熱壁面時(shí)，就造成了接近均勻熱流密度的條件，這種方法易于操作，分析簡單，所以被廣泛采用。在恒熱流密度的邊界條件下，流體通過水平直圓管，與圓管壁面的局部對流傳熱系數(shù)hlocal計(jì)算公式為式（1）。

式中，Q為加熱功率，W；S0為加熱段管外表面面積，m2；Ti,1為圓管內(nèi)壁面溫度，℃；Tb,1為漿體截面平均溫度，℃。結(jié)合熱流密度、導(dǎo)熱系數(shù)和圓管內(nèi)、外徑，則圓管內(nèi)壁面溫度Ti,1計(jì)算公式為式（2）。

其中，Tw,1為管外壁面溫度，℃；λw為圓管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；l為加熱段長度，m；Do為圓管外徑，m；Di為圓管內(nèi)徑，m。

3.2定壁溫法

采用蒸汽凝結(jié)來加熱時(shí)或者液體沸騰來冷卻時(shí)，壁面溫度可以認(rèn)為是均勻的。雖然入口段的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比較大，但計(jì)算局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)只要管長與管徑的比值大于某一值，入口段的影響便可忽略不計(jì)。假設(shè)流體在流動(dòng)過程中均勻，傳熱處于小溫差范圍，按照式（3）的Dittus-Boelter公式計(jì)算。

式中，vf為流體的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s。根據(jù)Re判斷流體的流動(dòng)狀態(tài)，若是湍流區(qū)，采用式（4）計(jì)算。

式中，流體被加熱，n=0.4；流體被冷卻，n=0.3。c為修正因子，包括變物性和溫差的影響。若是層流，采用式（5）的Sieder-Tate公式計(jì)算。

式中，定性溫度為流體平均溫度tf；ηf按壁溫計(jì)算，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為式（6）。

3.3CO2水合物漿傳熱特性分析方法

采用套管式電加熱水的加熱方式，水合物漿受熱均勻，熱量散失小，但水受熱比較緩慢，加熱功率不能直接帶入公式計(jì)算，需要按照漿體在加熱管路中的吸熱量來計(jì)算，然后代入式（1）和式（2）得到水合物漿的對流傳熱系數(shù)。

無論是采用定壁溫法還是定熱流密度法，水合物漿的溫度是很重要的因素。水合物漿溫度是指管道截面積分平均溫度。CO2水合物漿是固液兩相流體，在流動(dòng)過程中伴隨著水合物的生成與分解。由于管徑較小，漿體在截面位置處的溫度分布比常規(guī)的單相流體要均勻，因此采用管中心溫度代替漿體在截面上的溫度。

假設(shè)CO2水合物漿在加熱段內(nèi)吸熱分解時(shí)仍為連續(xù)介質(zhì)，由于水合物的分解使得漿體的定壓比熱容和密度發(fā)生變化，因此在計(jì)算漿體的吸熱量和對流傳熱系數(shù)時(shí)要區(qū)分開來。

圖3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)漿體段傳熱示意圖。距離傳熱段入口x1=0.05m處，漿體與管內(nèi)壁的局部對流傳熱系數(shù)hlocal計(jì)算方法如式（7）、式（8）。

漿體在長度0.5 m的管道內(nèi)吸收的熱量為

則CO2水合物漿在x1=0.05m長度內(nèi)的吸熱量Q1為

再按照定熱流密度的方法，即可求出CO2水合物漿的局部對流傳熱系數(shù)hlocal。

圖3　漿體傳熱段示意圖（單位：mm）

4　結(jié)果與討論

4.1CO2水合物漿相變特性

圖4所示固相體積分?jǐn)?shù)為13.2%的CO2水合物漿在加熱功率為75W的條件下受熱分解時(shí)管外壁面溫度Tw,1和管中心溫度Tb,1隨時(shí)間的變化圖。實(shí)驗(yàn)中CO2水合物漿穩(wěn)定在層流階段[11]，將與管壁作用的影響降至最小。圖中按照曲線的變化分為分解開始與分解結(jié)束階段。熱量通過水與管外壁的對流傳熱，管外壁與管內(nèi)壁的導(dǎo)熱，管內(nèi)壁與水合物漿的對流傳熱傳給水合物漿。管外壁面溫度Tw,1在水合物漿分解開始時(shí)呈先升高、然后保持不變、接著再升高的變化。水合物漿受熱，溫度上升，達(dá)到一定溫度，水合物開始分解，此時(shí)水合物的相變作用對管外壁面溫度Tw,1影響較強(qiáng)，導(dǎo)致Tw,1在該時(shí)間段內(nèi)幾乎保持不變。此時(shí)管外壁溫度所對應(yīng)的水合物漿的溫度（8～12℃）即為CO2水合物的相變溫度，這與Osmann Sari等[16]所得到的CO2水合物的分解溫度（8～10℃）接近。此后Tw,1迅速上升，管內(nèi)介質(zhì)由漿體變?yōu)槿芤?，可認(rèn)為水合物完全分解，完全分解的標(biāo)志為Tw,1保持一段時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2加熱功率對管壁溫的影響

劉妮等[11]在研究CO2水合物漿在圓管中的流動(dòng)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)水合物漿與管壁的切應(yīng)力隨著切變速率的增大而增大，這是由于水合物顆粒與管壁的相互作用力引起，流動(dòng)摩擦力相應(yīng)增加，而切變速率與流速成正比，因此水合物漿流速選擇0.45m/s。水合物顆粒之間的相互作用引起黏度的改變，其表觀黏度隨著固相分?jǐn)?shù)的增大而增大，固相分?jǐn)?shù)大于某一值時(shí)水合物顆粒容易發(fā)生聚集，流動(dòng)阻力增大，甚至?xí)枞艿繹17]，水合物漿固相體積分?jǐn)?shù)選擇為13.2%。圖5所示為固相體積分?jǐn)?shù)為13.2%的CO2水合物漿在流速為0.45m/s、4種不同加熱功率（70W、100W、140W、180W）下受熱分解時(shí)的管道外壁面溫度Tw,1和管中心溫度Tb,1的變化圖。隨著加熱功率的增大，Tw,1與Tb,1之間的溫差逐漸減小，根據(jù)牛頓冷卻公式Φ=hAΔt，在某一加熱功率下，減小流體與管壁的溫差，傳熱系數(shù)增大，有利于增強(qiáng)傳熱，因此增大加熱功率，有利于提高傳熱效率。隨著加熱功率的增大，水合物受熱分解的時(shí)間相應(yīng)提前，這也是提高傳熱效率的另一個(gè)表現(xiàn)。在CO2水合物分解過程中，管外壁面溫度Tw,1的變化相對更加明顯，表明加熱功率對Tw,1的影響較大。

4.3CO2水合物漿對流傳熱特性

根據(jù)式（8）計(jì)算所得CO2水合物漿在某一位置處的吸熱量Q1與式（1）計(jì)算所得局部對流傳熱系數(shù)hlocal隨時(shí)間的變化如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著時(shí)間的延長，漿體吸熱量穩(wěn)定增加，但是漿體與管壁的局部對流傳熱系數(shù)不是線性增大的，增大的速率呈先增加后減小的趨勢，表明存在一個(gè)最佳對流傳熱區(qū)，此時(shí)水合物漿的對流傳熱強(qiáng)烈，相變作用對傳熱影響明顯，傳熱系數(shù)最大。當(dāng)加熱過程進(jìn)行時(shí)間為26.7～27.2min時(shí)，漿體局部對流傳熱系數(shù)hlocal穩(wěn)定在1600W/(m2·K)附近，而恰好與圖4中的外壁面溫度Tw,1保持穩(wěn)定的時(shí)間段相吻合，表明CO2水合物在相變過程中，其對流傳熱系數(shù)hlocal在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分利用水合物的相變作用來增強(qiáng)傳熱，提高效率。

圖4　加熱功率75W時(shí)Tw,1和Tb,1隨時(shí)間的變化

圖5　不同加熱功率下Tw,1與Tb,1隨時(shí)間的變化

圖7所示為CO2水合物漿在不同的加熱功率下局部對流傳熱系數(shù)hlocal的變化。從圖中可以看出，漿體局部對流傳熱系數(shù)hlocal隨著吸熱量Q1的增加而增大，當(dāng)水合物受熱完全分解時(shí)，加熱功率分別為75W、100W和140W條件下的CO2水合物漿的局部對流傳熱系數(shù)hlocal穩(wěn)定在1600W/(m2·K)附近，加熱功率為180W時(shí)漿體的局部對流傳熱系數(shù)hlocal為1800W/(m2·K)。由此可得，隨著加熱功率的增加，漿體吸熱量增加，對流傳熱系數(shù)相應(yīng)增大，但水合物的相變溫度決定了其傳熱系數(shù)不會(huì)無限增大，只能在一定范圍上下波動(dòng)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，在獲得最大局部對流傳熱系數(shù)的同時(shí)也應(yīng)盡量減小加熱功率，以節(jié)省能耗。

Hu等[9]采用套管加熱的方式融解固相分?jǐn)?shù)為15%的CO2水合物漿并計(jì)算出理想狀態(tài)下漿體的對流傳熱系數(shù)為3658W/(m2·K)，與本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果差距主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置的加熱段高溫水是靜止?fàn)顟B(tài)，而Hu等研究所用高溫水與管內(nèi)漿體發(fā)生逆向?qū)α鱾鳠?，且漿體流速為本文實(shí)驗(yàn)值的3.28倍。

圖6　加熱功率75 W條件下Q1和hlocal隨時(shí)間的變化

圖7　不同加熱功率下hlocal隨Q1的變化

5　結(jié) 論

采用套管式電加熱水的方法來對循環(huán)制備的CO2水合物漿進(jìn)行分解，通過計(jì)算得到相應(yīng)的局部對流傳熱系數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO2水合物漿的相變溫度在8～12℃。隨著漿體吸熱量增加，CO2水合物漿分解速度加快，相變作用對管外壁面溫度影響較強(qiáng)，導(dǎo)致管外壁溫在該時(shí)間段內(nèi)幾乎保持不變。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著漿體吸熱量的增加，存在一個(gè)最佳對流傳熱區(qū)，此時(shí)水合物漿的對流傳熱強(qiáng)烈，相變作用對傳熱影響明顯，傳熱系數(shù)最大。在相變過程中CO2水合物漿在不銹鋼水平圓管中與管壁的對流傳熱系數(shù)為1500～1800W/(m2·K)。

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研究開發(fā)

Heat transfer characteristics of CO2hydrate slurry in horizontal circular tube

LIU Ni，YOU Longtao，ZHANG Yanan，LIU Xiuting
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：The flow and heat transfer characteristics of CO2hydrate slurry in horizontal circular tube was studied experimentally.The dissociation properties of CO2hydrate slurry was investigated using the electric heating water around the tube method.The analysis of phase transition and heat transfer characteristics of CO2hydrate slurry indicated that the phase transition temperature of CO2hydrate slurry was at 8—12℃.The heat transfer characteristics of CO2hydrate slurry with 13.2%（vol） solid fraction in a 8 mm straight stainless steel horizontal circular tube were studied at the flow rate of 0.45 m/s in a dynamic loop.The corresponding local convective heat transfer coefficient in horizontal circular tube increased and then stayed constant and the range was calculated to be 1500—1800 W/(m2·K).The results showed that the largest corresponding convective heat transfer coefficient appeared in the phase transition field of CO2hydrate slurry.The influences of heating power on tube wall temperature and the convective heat transfer coefficient were discussed respectively.It was discovered that the heating power had a strong effect on wall temperature.The phase transition effect of CO2hydrate slurry can be used to enhance the heat transfer and increase the heat transfer efficiency in related applications.

Key words：carbon dioxide；hydrate slurry；heat transfer；phase transition

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（50706028）及上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（12YZ106）。

收稿日期：2014-04-14；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.01.012

文章編號(hào)：1000-6613（2015）01-0069-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TQ 031

修改稿日期：2014-05-05。

第一作者及聯(lián)系人：劉妮（1974—），女，博士，副教授。E-mail ni-liu@hotmail.com。