超臨界甲烷及甲烷-氮混合物的冷卻換熱研究.pdf

1、煤層氣是一種潛在的高效清潔能源。在我國，煤層氣在采煤過程中通常會與空氣混合，經(jīng)預(yù)處理脫除氧、二氧化碳、硫化氫等雜質(zhì)后，其主要成分是甲烷和氮氣。煤層氣的液化是其存儲和利用的一個較好選擇。一般情況下，煤層氣的液化流程是在超臨界壓力下進行，因此甲烷及甲烷/氮混合物在超臨界壓力下的冷卻換熱過程是煤層氣液化流程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。本文采用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對超臨界甲烷及甲烷/氮混合物的冷卻換熱進行深入研究，主要完成以下研究

2、內(nèi)容：
　?。?）推導(dǎo)并求解了甲烷/氮混合物的密度、定壓比熱容、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)。在密度和定壓比熱容的求解中，反算了PR狀態(tài)方程的二元交互系數(shù)kij，并回歸了kij關(guān)系式。對比計算了基于PR狀態(tài)方程和對應(yīng)態(tài)原理的粘度模型，結(jié)果表明，基于PR狀態(tài)方程的粘度模型計算較為準(zhǔn)確?；趯?yīng)態(tài)原理的導(dǎo)熱系數(shù)模型計算結(jié)果較好。
　?。?）實驗研究了水平管內(nèi)超臨界甲烷及甲烷/氮混合物的冷卻換熱特性，分析了不同質(zhì)量流量、入口壓力及含氮量對換熱的

3、影響。結(jié)果表明，超臨界甲烷及甲烷/氮混合物的對流換熱系數(shù)隨溫度的降低先增大，在準(zhǔn)臨界點附近達到最大值，然后隨溫度降低而減小。在恒定的壓力下，甲烷的對流換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流量的增加而增大。在恒定質(zhì)量流量下，隨著入口壓力的增加，甲烷的對流換熱系數(shù)向高溫方向平移，且最大對流換熱系數(shù)隨入口壓力的增加而減小。在恒定質(zhì)量流量和入口壓力下，隨著含氮量的增加，對流換熱系數(shù)向低溫方向平移，且最大對流換熱系數(shù)隨含氮量的增加而減小。含氮量對甲烷換熱的實驗研究說

4、明超臨界甲烷/氮混合物的對流換熱主要是受其物性的影響。
　?。?）綜述并分析了公開發(fā)表的超臨界流體冷卻換熱的關(guān)聯(lián)式，并與已有的實驗數(shù)據(jù)進行對比。結(jié)果表明，當(dāng)熱流密度較小時，大多數(shù)關(guān)系式與實驗數(shù)據(jù)吻合較好；而當(dāng)熱流密度較大時，由于浮升力對換熱的影響，幾乎所有的關(guān)系式都不能準(zhǔn)確預(yù)測對流換熱系數(shù)。綜合前人的研究結(jié)論，歸納出超臨界流體冷卻換熱的影響因素，并根據(jù)量綱分析法，將其影響因素轉(zhuǎn)化為無量綱形式。通過回歸甲烷和甲烷/氮混合物的實驗數(shù)據(jù)

5、，開發(fā)出換熱關(guān)系式。
　?。?）數(shù)值計算了水平圓管及豎直圓管內(nèi)超臨界CO2、甲烷及甲烷/氮混合物的冷卻換熱特性。結(jié)果表明，LB低雷諾數(shù)湍流模型的計算結(jié)果最為準(zhǔn)確。
　　在水平圓管的超臨界 CO2冷卻換熱研究中，當(dāng) Gr/Re2<0.01時，強制對流是主要的換熱機理；當(dāng)0.010.1時，自然對流是主要的換熱機理，強

6、制對流忽略。
　　在豎直圓管的超臨界CO2冷卻換熱研究中，浮升力使得上升流中的換熱加強，而使下降流中的換熱受損。上升流中的流速曲線呈拋物線型，而下降流中，由于浮升力的影響，速度曲線發(fā)生扭曲。
　　在水平圓管的超臨界甲烷冷卻換熱研究中，浮升力作用使得流體在圓管截面處形成二次回流，上壁面換熱得到加強，而下壁面換熱受損。其換熱機理類似于豎直圓管內(nèi)不同流向時的換熱現(xiàn)象，即上壁面換熱相當(dāng)于浮升力抑制混合對流，而下壁面換熱相當(dāng)于浮升力輔

7、助混合對流。在四種浮升力對換熱影響的評判標(biāo)準(zhǔn)中，采用表達式Gr/Re2.7<10-5和Gr/Re2<10-2作為浮升力對換熱影響較小的標(biāo)準(zhǔn)相對較好。
　　在豎直圓管的超臨界甲烷冷卻換熱研究中，當(dāng)浮升力作用較大時，在近臨界點處的截面上，上升流速度矢量圖，流體從近壁面流向中心區(qū)，使得中心區(qū)的速度加大，湍流強度加強，換熱得到加強；而下降流速度矢量圖，流體從中心區(qū)流向近壁面，使得中心區(qū)的流速明顯扭曲，湍流強度減弱，因此換熱亦受損。當(dāng)浮升力