碳封存超臨界CO2螺旋管換熱器傳熱規律

馬亮 鄧廣哲 王守印 蔚斐 高亮 袁超

摘?要：在“雙碳”目標背景下，探索CO2高效地質封存和高能利用途徑，是CO2減排研究的熱點問題。基于CO2多相態變化特性以及能源利用方面表現出的安全環保及成本優勢，提出一種新型碳封存超臨界CO2螺旋管換熱器，并建立了數值仿真模型，以5 ℃條件下CO2為對象，設計水作為載熱流體的換熱方案，研究了螺旋換熱器在不同水溫作用下對CO2的溫度、壓力及其熱應力耦合變化規律。結果表明：隨著水熱流體溫度的增加，CO2的升溫速率與水溫成正比，CO2輸出溫度與水熱流體溫度呈正相關變化；與CO2傳熱效率相比，受CO2相變吸熱影響導致水熱流體傳熱效率較慢，水熱流體傳熱與溫度變化成正比；初始水溫升高，CO2相變速度明顯增加，流量對CO2相變吸熱影響較大，水熱流體的體積流量與CO2溫度變化呈負相關；受CO2升溫吸熱影響，水熱流體的耗散溫度與CO2吸熱溫度成正比；當管徑和入口壓力恒定情況下，100 ℃的水熱流體與CO2進行換熱可以較好地滿足CO2相變吸熱的要求。試驗驗證了水熱流體螺旋管換熱器的有效性和便捷性，研究為超臨界CO2螺旋式換熱器的設計提供了依據。 關鍵詞：超臨界CO2；螺旋管換熱器；水熱交換；傳熱；數值模擬

中圖分類號：TK 123

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）03-0467-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0307開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Heat transfer law of carbon storage supercritical CO2

spiral tube heat exchanger

MA Liang1，DENG Guangzhe2，WANG Shouyin1，YU Fei2，GAO Liang1，YUAN Chao2

（1.Shenmu Ningtiaota Coal Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.，Ltd.，Yulin 719300，China；

2.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Under the background of the “dual carbon” target，exploring the pathway of efficient geological storage and high energy utilization of CO2 is a hot issue in CO2 emission reduction research.Based on the multi-phase change characteristics of supercritical CO2and the safety，environmental protection and cost advantages in energy utilization，a new supercritical CO2 spiral tube heat exchanger for deep earth storage is proposed，and a numerical simulation model is established.A heat transfer scheme with water as the heat-carrying fluid is designed for CO2 at 5 C.

A study has been made of

temperature，pressure，and thermal stress coupling changes of

supercritical

CO2 in a spiral heat exchanger under different water temperatures.The results ?show：As the temperature of the hydrothermal fluid increases，the heating rate of

supercritical CO2 is directly proportional to the water temperature，and the CO2 output temperature is positively correlated with the temperature of the hydrothermal fluid；compared with the heat transfer efficiency of CO2，the heat transfer efficiency of hydrothermal fluids is slower due to the influence of CO2 phase change heat absorption，and the heat transfer of hydrothermal fluids is directly proportional to temperature changes；as the initial water temperature increases，the rate of CO2 phase change significantly increases，the flow rate has a significant impact on the heat absorption of CO2 phase change，and the volumetric flow rate of the hydrothermal fluid is negatively correlated with the temperature change of CO2；the dissipation temperature of hydrothermal fluids is directly proportional to the CO2 endothermic temperature due to the influence of CO2 heating and heat absorption.When the pipe diameter and inlet pressure is constant，100 ℃ hydrothermal fluid and supercritical CO2 heat transfer can achieve the CO2 phase change heat absorption requirements.The effectiveness and convenience of the spiral tube heat exchanger for hydrothermal fluids are verified through experiments，and the research provides a

guideline

for the design of supercritical CO2 spiral heat exchanger.

Key words：supercritical CO2；spiral pipe heat exchanger；water heat exchange；heat transfer；numerical simulation

第3期馬亮，等：

碳封存超臨界CO2螺旋管換熱器傳熱規律

0?引?言

在“雙碳”背景下，實現能源結構從化石能源向可再生能源的平穩過渡，是中國“雙碳”進程中面臨的重要挑戰之一。碳捕集、利用與封存技術是減少化石能源消費CO2排放的關鍵技術，也被認為是中國未來減少CO2排放、保障能源安全以及實現可持續發展的重要方法。超臨界CO2（Supercritical CO2，SC-CO2）以其流動性好、滲透性高和黏度低的特點，在CO2注入地層過程中，不僅可以實現對甲烷的驅替，也能達到地質封存的目的；同時，SC-CO2可以對高應力低滲煤層起到致裂增滲的效果，對于CO2高能利用和清潔能源高效開采具有重要意義[1]。

由于CO2具有獨特的熱物理屬性，載熱流體溫壓變換對CO2相變過程具有較強的敏感性，國內外學者基于不同類型熱交換器的質量流量和工作流體的特性對熱交換器性能影響進行深入研究。一些學者發現在地熱量較低的環境下，水作為載熱流體是熱交換系統的一種可行方案[2-4]。宋子琛利用管式換熱器模型，對冷熱CO2開展傳熱模擬研究，發現了換熱系數隨著溫度和流量的上升逐漸增加[5]；張全等基于不同換熱器的余熱回收和換熱效果，采用數值模擬方法研究了熱管換熱器中空氣的流速、壓力和溫度變化特性[6]；陳晨提出利用礦井低溫涌水作為冷源與螺旋管式換熱器熱交換以對礦井降溫的方法，發現水流增加與換熱器降溫效果成正比[7]。

杜春濤、路膺祚、呂向陽等通過建立礦井回風的變溫調節與新風之間的關系，發現熱管工況有利于傳熱效果，管壁溫度對采熱量具有重要影響[8-10]；陳凱研究了礦井回風源管式換熱器流場規律，發現入口風速越大風道進出口壓差越大，壓降越明顯[11]。上述主要圍繞深部礦井換熱器特性及優化熱物理參數方面進行了研究，分析了物理降溫和余熱開采效能的影響。在氣-水換熱規律研究方面，田峰等研究了礦井排風余熱噴淋換熱效率，發現噴淋換熱效率隨著大氣溫度的增加而增加[12]；馮小強對礦井水換熱器傳熱性能進行研究，發現管外水入口流量與管內水出口溫度和總換熱系數成正比[13]；張波等對換熱器蓄/釋熱過程中的熱干擾問題進行數值模擬，發現單層蛇形管管間熱干擾影響較小，層間熱干擾系數對熱物理參數不太敏感[14]；徐麗娜通過高溫采場液態CO2降溫試驗，研究了液態CO2風流中溫度、相對濕度、濕度和焓的變化[15]；蘇現波等基于新疆準南煤田工程背景，采用不同比例的CO2與CH4混合氣體進行吸附試驗，發現混合氣體中CO2的比例有助于提升CH4采收率以及CO2深地封存的能力[16]；平建明等對螺旋式通風機結構進行優化設計，發現噴淋式礦井螺旋管式熱回收系統可以滿足冬季井筒防凍需求[17]；杜春濤等基于礦井回風換熱器換熱性能影響因素進行模擬研究，發現制冷、順噴和小液滴3種工況下回風換熱器的換熱性能更好[18]；榮雅靜對礦井回風熱管換熱器傳熱及阻力特性進行研究，發現換熱量隨流體流速的增加而增加，風量的增大也會導致換熱器壓力損失的增加[19]；董志峰等研究了噴淋高度對液滴吸熱的影響，液滴溫度分布隨噴淋高度的增加逐漸減小[20]；何瑞敏采用模擬方法研究了礦井回風換熱過程中氣-水換熱效率，發現合理設計擋水板有助于減小回風換熱系統中的回風阻力[21]。在CO2深地封存與利用方面，研究發現深地高壓換熱器可以有效達到高換熱量和高承壓貯存氣體的目的[22]。為此，學者們通過理論分析探究了CO2深地封存微觀機理，發現煤巖層CO2與煤中水-氣的微觀作用具有相關性，進一步揭示了煤層CO2注入后引起的水潤濕性變化規律，得出煤巖吸附與毛細管封存是影響煤層CO2封存潛力的主要因素

[23-24]。一些學者還針對高瓦斯煤層抽采效率低的問題，采用CO2致裂增透解吸技術研究了提高煤層透氣性系數和瓦斯抽采效率問題，發現CO2致裂后瓦斯抽采效率平均提高70%[25]。為進一步增加CO2致裂及封存可控性，學者們還采用試驗手段研究了CO2煤巖滲流裂隙微觀演化特征及鈾礦地浸式開采的手段進行碳CO2捕捉、封存和利用，研究得出CO2對煤巖潤濕性和裂隙擴展具有顯著作用[26-30]。上述主要采用理論分析和試驗方法，以水氣液三相作為載熱流體對換熱器的換熱效率、CO2驅替機理、不同載熱流體工質及其性能參數進行了研究，但是這些方面已形成完整技術體系并廣泛商業化應用。上述主要針對水流介質換熱器性能進行了研究，但是在高應力低滲透煤層壓裂開采中炸藥爆破易產生火花且礦用炸藥在受到嚴格管制的影響下，需要一種安全環保的壓裂介質對煤巖層進行壓裂卸壓。尤其在深部巖層鉆孔中的換熱器內水熱流體與CO2相變傳熱規律以及CO2相變致裂破巖后儲能利用方面還鮮有研究。為此，提出一種CO2螺旋管換熱器（SC-CO2 Spiral Pipe Heat Exchanger，SPHE），將水作為載熱流體為CO2相變提供熱源，研究換熱器的傳熱規律，對高應力低滲煤層卸壓增透及深地碳封存協同利用具有重要意義。

1?碳封存CO2螺旋管換熱器碳封存CO2螺旋管換熱器系統，原理是在巖層鉆孔內布置CO2螺旋管換熱器后，將螺旋管內水熱流體作為CO2相變的熱源載體，通過加壓系統使高溫高壓CO2致裂高應力低滲煤巖層后，SC-CO2被注入巖層中填充裂隙孔隙間，以替代部分原生孔隙中的氣水，并且通過溶解捕獲、礦物捕獲、殘余水氣捕獲等方式，實現CO2安全穩定封存過程的同時有效解決高應力低滲煤層壓裂增透卸壓的問題，且可以利用CO2螺旋管換熱器將地熱能進行同步采集，如圖1所示。圖1中A部分的碳封存CO2螺旋管換熱器（長1 500 mm）作為CO2深地封存的核心系統。該系統主要由充裝系統、控制系統及加壓系統組成，如圖2所示。

2?SC-CO2螺旋管換熱器

2.1?模型構建基于圖1中A部分螺旋管換熱器，通過建立數值模型，研究SC-CO2螺旋管換熱器的傳熱規律。SC-CO2螺旋管換熱器模型主要由SC-CO2螺旋管實體、水熱流體及CO2流體組成，如圖3所示。

由于ANSYS標準k-ε模型具有穩定性和比較高的計算精度，圖3模型采用ANSYS的k-ε模型求解。初始條件定義為湍流模型和標準壁面函數，邊界條件設定為壓力入口，利用分量定義方式定義流動方向。采用六面體單元進行螺旋管換熱器的離散化網格劃分，如圖4所示。

2.2?模擬方案由于標準純液態CO2溫度為-78.5 ℃，每上升1 ℃熱物理參數會發生較大變化。為了減小模擬誤差，將CO2初始溫度設定為5 ℃條件下，經過觀察足以滿足相變需求。

模擬假設條件：①忽略相與相之間的滑移；②默認相與相之間熱力學平衡；③忽略螺旋管內的摩擦阻力；④管內部流動是三維流動方式。

對3種水溫狀態下的換熱器傳熱效率進行分析，基本參數分別見表1、表2。

為了更精確獲得管內的熱物理變化，通過采用數值模擬手段，研究全管程溫度、傳熱以及流速變化規律。因受限于現有試驗設備未能精準觀測到管內CO2相變演化規律，為了更加直觀的觀測管內CO2在某一點上相態變化運動規律，通過在模擬過程中對螺旋管全長1 500 mm的范圍內每間隔50 mm布置一個熱交換監測點，如圖5所示。

2.3?控制方程基于CO2螺旋管換熱器對稱特點，設定物體邊界上的溫度函數，換熱器中SC-CO2與水熱流體發生熱交換能量方程為

㎜Tr

t

+

（Vr×Tr）

z

=

kr（Ter-Tr）

ρAcp

（1）

式中?Tr為CO2流體溫度，℃；Vr為SC-CO2流體流速，m·s-1；kr為SC-CO2與外部水流間的傳熱系數，W·（m2·K）-1；Ter為水流溫度，℃；

Tr為CO2流體溫度；

A為內管橫截面積，m2；

cp為比熱容，J/（kg·K）。管內液態CO2對流產生的熱量為

Qtr=?·

-

Kfkw

μw

?Pw·ρwcw

ΔT

（2）

式中?μw為液態CO2動力黏度，Pa·s；

Pw

為液態CO2壓強，MPa；cw為比熱容，J/（kg·K）。管內流體斷面出口溫度

tf=2R2um

∫R0turdr

（3）

式中?R為管道半徑，m；um為管內流體平均流速，

m/s；t為流體溫度，℃；u為管內流體出口流速，m/s。

CO2液相對流換熱系數

α=0.023Re0.8Pr0.4

λlDh

（4）普朗特數

Pr=va

（5）

式中?Re為雷諾系數；λl為導熱系數，W/（m·K）；Dh為水力直徑，m；v為運動黏度，m2/s；a為熱擴散系數，m2/s。

CO2努塞爾數

Nu=0.14Re0.69Pr0.66

（6）CO2氣相對流換熱系數

α=NuλD（7）

3?仿真結果

3.1?溫度變化規律

水熱流體與低溫CO2之間溫度差導致激烈的熱對流擴散過程，該過程表現為高低溫相互平衡，出現波動趨勢。流體在50 s左右達到流體熱穩定值，溫度變化速率減小，可視為穩態換熱，如圖6所示。

從圖6（a）可以看出，從入口到管路中部，SC-CO2溫度上升至15.5 ℃，從管路中部至出口處，SC-CO2溫度上升至22.5 ℃，SC-CO2溫度呈逐漸上升趨勢。從入口到管路中部水溫由40 ℃下降至29.5 ℃，在出口處水溫下降至26 ℃，水溫呈現逐漸降低趨勢。從圖6（b）可以看出，從入口到管路中部，SC-CO2溫度上升至24.5 ℃，從管路中部到出口，SC-CO2溫度上升至36 ℃，SC-CO2溫度呈逐漸上升趨勢。從入口到管路中段水溫由70 ℃下降至57 ℃，在出口處水溫下降至41 ℃，水溫呈現逐漸降低趨勢。從圖6（c）可以看出，從入口到管路中部，SC-CO2溫度上升至24 ℃，從管路中部到出口處，SC-CO2溫度上升至43 ℃，SC-CO2溫度呈現逐漸上升趨勢。從螺旋鋼管外腔入口到中段水溫由100 ℃下降至81 ℃，在出口處水溫下降至58 ℃，水溫呈現逐漸降低趨勢。

基于上述管內CO2溫度變化曲線，對CO2溫度以及水耗散溫度進行量化分析。管內水溫為40，70和100 ℃時，SC-CO2入口處溫度恒定為5 ℃條件下，根據表2物性參數計算出CO2相變吸熱及水溫耗散情況，見表3。

水和SC-CO2的出口溫度計算公式為

tf=

2R2um

∫R0t（r）u（r）rdr

（8）

式中?R為管道半徑，mm；

um為管內流體平均流速，mm/s。

t與u的函數表達式為

t=tw1-tw2

ln

r2r1

1r

（9）u=4vπr2

（10）

式中?tw1，tw2分別為SC-CO2出口溫度，水流出口溫度，℃；r1，r2分別為內管半徑和外管半徑，r；v為流量，m3/s。對式（8）求極限后，聯立式（9）、式（10）得出流體的出口溫度，對流體初始溫度與出口溫度做差求出水的濾失溫度和CO2吸收的溫度，見表4。

從圖7可以看出，水流耗散溫度與CO2吸收溫度呈上升趨勢，水流耗散溫度和CO2吸收溫度成正比，綜合比較下水流耗散溫度的上升速率比CO2吸收溫度的上升速率快。

3.2?傳熱變化規律

流體各處的溫度及傳熱量不隨時間變化，傳熱過程處于穩態。通過研究水與CO2的傳熱狀態，可以獲得流體傳熱過程的強弱變化。通過反演管程流體的傳熱變化，揭示熱傳遞過程中的流體熱量分布狀態，如圖8所示。

從圖8（a）可以看出，管內SC-CO2流體傳熱效率由入口至出口均保持在521 W/（m2·K），傳熱效率保持恒定。水流傳熱效率由入口1 030 W/（m2·K）減少至出口處521 W/（m2·K），傳熱效率呈現逐漸降低趨勢。從圖8（b）可以看出，管內SC-CO2流體傳熱效率由入口至出口均保持在615 W/（m2·K），傳熱效率保持恒定。水流傳熱效率由入口1 070 W/（m2·K）減少至出口714 W/

（m2·K），傳熱效率呈現逐漸降低趨勢。從圖8（c）可以看出，管內SC-CO2流體傳熱效率由入口至出口均保持在728 W/

（m2·K），傳熱效率保持恒定。水流傳熱效率由入口至出口均保持在1 530 W/（m2·K），傳熱效率保持恒定。研究表明，SC-CO2受初始溫度的影響其傳熱效率隨水溫增加逐漸增大，表明SC-CO2對水的吸熱量也呈遞增趨勢，水流傳熱效率受SC-CO2吸熱影響其增長幅度較低。

CO2的傳熱與溫度之間關系，如圖9所示。從圖9可以看出，CO2傳熱系數隨流體的溫度增加迅速上升，當達到熱量交換平衡狀態后，又隨溫度增加逐漸下降，表明在臨界狀態31.04 ℃前期傳熱與溫度成正比，臨界溫度對傳熱有較大影響，模擬可以展現出熱流固耦合過程的非均質特性。

在水溫為40，70，100 ℃，CO2初始溫度為5 ℃條件下的基本參數，見表5。

通過聯立式（3）、式（4）、式（5）、式（6）和式（7），

得出水和CO2相變傳熱系數基本參數，見表6。

水-CO2傳熱變化規律，如圖10所示。

從圖10可以看出，在初始水溫不同、SC-CO2初始溫度相同的工況下，水的傳熱系數先下降后上升；基于液態CO2相變后產生的氣態CO2，二者的傳熱系數變化趨勢相近，但是氣態CO2傳熱系數遠大于液態CO2。原因是不同水溫提供的熱量不同導致CO2吸收熱量不同，使得傳熱系數之間有差異。考慮到高質量供熱溫度的穩定性，選擇100 ℃的水和SC-CO2為5 ℃作為介質可以有效提高換熱效率。

3.3?流速變化規律

根據熱物理參數的變化，結合流體流動變化規律及CO2相變吸熱原理，對CO2流體速度變化進行模擬分析，變化規律如圖11所示。

從圖11（a）可以看出，SC-CO2入口處流速0.894 m/s，從入口到管路中部，流速逐漸升高至1.78 m/s，在出口處流速升高2.67 m/s，流速逐漸增大。水入口處流速為0.008 28 m/s，從入口到管路中部，流速升高至1.78 m/s，從管路中部至出口處流速升高至3.11 m/s，流速呈現逐漸增大趨勢。從圖11（b）可以看出，管內SC-CO2入口處流速為1.30 m/s，從入口到管路中部，流速升至2.16 m/s，在出口處流速升高至2.59 m/s，流速逐漸增大。水流速由入口處0.008 28 m/s升至管段中部的1.30 m/s，從管段中部至出口處流速逐漸升至3.15 m/s，流速呈現出逐漸增大趨勢。

從圖11（c）可以看出，管內SC-CO2流速由入口處的0.914 m/s升至管段中部1.37 m/s，在出口處流速上升為2.27 m/s，流速逐漸增大。水的流速由入口處的0.008 28 m/s升至管段中部的1.82 m/s，從管路中段至出口處流速升高至3.3 m/s，流速逐漸增大。

隨著水溫逐漸升高，SC-CO2的流速隨水流速度增長逐漸增大。原因是水溫越高，SC-CO2相變吸熱越多，最終作為氣體沖擊的速度越快表現出流速越快。

從圖12可以看出，SC-CO2的流量由2.35×10-5 m3/s增至3.53×10-5 m3/s，SC-CO2體積流量逐漸增大；水流體積由3.53×10-5 m3/s增至5.88×10-5 m3/s。由此可見，在管徑和入口壓力恒定條件下，體積流量與流體的溫度變化無關。

4?SC-CO2水熱螺旋換熱器試驗

4.1?試驗系統CO2水熱交換試驗系統主要由SC-CO2換熱管、恒速恒壓泵、溫度控制系統、壓力表以及其他連接輔助件組成，如圖13所示。

4.2?試驗步驟及方案首先將水溫分別增至 40，70，100 ℃，由于 CO2的臨界參數較低，在水熱循環過程中，通過給CO2施加7.38 MPa至臨界壓力，相變為SC-CO2。沖擊巖體造成應力集中致使巖體裂縫擴展達到CO2深地封存目的。考慮到安全性和滿足超臨界CO2臨界溫壓條件（Tc=31.1 ℃，Pc=7.38 MPa），分別選擇

合適的水溫對CO2進行加熱相變，試驗方案見表7。

4.3?溫度變化規律從圖14可以看出，通過控制初始壓力恒定條件下，SC-CO2氣體在管內流動的溫度隨流動距

離的增加呈現近似線性規律，初始水溫越高CO2溫度變化曲線上升幅度越大。在3種水溫環境下，第1監測點CO2平均溫度在18 ℃，第3監測點CO2平均溫度在34.3 ℃，第5監測點平均溫度在37.5 ℃，第7監測點平均溫度在42.5 ℃。由此可見，試驗環境與模擬環境的演化趨勢均呈正相關變化，也驗證了模擬與試驗的一致性。從圖14可以看出，綜合比較在水溫100 ℃條件下，CO2溫度曲線呈現突增趨勢且水熱流體的溫度變化較大，表明水釋熱效果好，有利于CO2相變吸熱。

通過對照試驗與模擬環境下的水熱流體初始溫度對CO2變溫的影響，研究發現在CO2初始壓力相同的條件下，CO2相變受自身初始溫度影響較小，管內SC-CO2的溫度主要受水熱流體初始溫度變化的影響較大。與此同時，試驗也較好地驗證了數值模擬的可靠性。

5?結?論

1）

在CO2溫度不變的條件下，隨著水熱流體溫度的升高，CO2溫度逐漸增加，CO2的升溫速率與水溫成正比。初始水溫每升高1 ℃，SC-CO2輸出端溫度約增加0.9 ℃；SC-CO2溫度每增加1 ℃，水熱流體換熱后的平均溫度減少0.6 ℃。

2）隨著水熱流體溫度的增加，CO2傳熱系數由521 W/（m2·K）增加至728 W/（m2·K），水熱流體傳熱系數由1 030 W/（m2·K）增加至1 530 W/（m2·K），水熱流體傳熱系數與溫度變化成正比。隨著水溫的增加，水流量由3.53×10-5 m3/s增加至5.88×10-5 m3/s 時，SC

-CO2的流速隨著水流速度呈近似線性關系。

3）受CO2升溫影響，水的耗散溫度與CO2吸熱溫度成正比，在管徑和入口壓力不變情況下，100 ℃的水熱流體與CO2進行換熱可以較好地滿足CO2相變吸熱的要求。試驗較好地驗證了換熱器的有效性，也為超臨界CO2換熱器的設計提供了理論依據。

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