陳文勝,　潘長虹

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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瞬態(tài)熱線法測定瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)

陳文勝,潘長虹

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為研究瓦斯水合物的熱量傳遞機(jī)理,基于瞬態(tài)熱線法原理,建立一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備對瓦斯水合物及純甲烷水合物的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)所選瓦斯氣體生成水合物的導(dǎo)熱系數(shù)與甲烷水合物導(dǎo)熱系數(shù)均隨溫度的升高而升高。該研究從瓦斯水合物的熱物性因素方面論證了對煤礦抽采瓦斯進(jìn)行水合固化分離后以NGH(水合物儲運(yùn))形式進(jìn)行儲運(yùn)的可行性。

導(dǎo)熱系數(shù); 瓦斯水合物; 瞬態(tài)熱線法

0　引　言

瓦斯水合固化過程是吸附放熱過程,這就要求將其產(chǎn)生的反應(yīng)熱及時傳遞出去以提高瓦斯水合物的生成速率;并且在以水合物形式儲運(yùn)瓦斯的過程中,瓦斯水合物的分解也需要吸收熱量。因此,有必要開展瓦斯水合固化、儲運(yùn)過程的溫度分布及熱量傳遞機(jī)理研究。從導(dǎo)熱的基本定律Fourier定律q=-λgradt來看,開展瓦斯水合物的熱量傳遞機(jī)理研究,瓦斯水合物的導(dǎo)熱系數(shù)是必需的熱物性參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)是各種物體最基本也是最重要的熱物性參數(shù),它不僅是評價材料熱學(xué)特性的依據(jù),也是材料設(shè)計應(yīng)用的一個依據(jù)。因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化,還明顯受材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化的影響,所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中常用實(shí)驗(yàn)的方法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù),根據(jù)傅里葉定律[1]有

(1)

絕大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)值都根據(jù)式(1)通過實(shí)驗(yàn)測得。實(shí)驗(yàn)測定方法分為兩大類:穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法,先用熱源對測試樣品進(jìn)行加熱,并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布后,用熱電偶測出其溫度,進(jìn)而求出物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的方法。溫度場穩(wěn)定需要較長時間,因此測定時間較長。相比穩(wěn)態(tài)法,非穩(wěn)態(tài)法則具有測試快速、時間短、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[2]。在1930年被用來測定某些氣體及液體的導(dǎo)熱系數(shù)的瞬態(tài)熱線法[3],是非穩(wěn)態(tài)法的一種,它速度更快、精度更高。近年來,又有學(xué)者將該方法應(yīng)用于測定水合物的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。但目前,大多數(shù)是測定的天然氣水合物的導(dǎo)熱系數(shù),而瓦斯水合物的導(dǎo)熱系數(shù)很少有測定的,因此,文中基于瞬態(tài)熱線法原理,建立了一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備對瓦斯水合物的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原理

瞬態(tài)熱線法以無限大介質(zhì)中的徑向一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題為理論基礎(chǔ):設(shè)一根半徑為r的無限長金屬線源豎直地插入被測物體中,當(dāng)給線源施加恒定的熱流q時,在金屬線源和物體介質(zhì)間引起耦合的徑向一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。假設(shè)線源的導(dǎo)熱系數(shù)無限大,熱容量近似為零,則所測物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)

λ=(q/4π)/[dT/d(lnt)]。

式中:q——單位長度的熱流量,W/m2;

T——溫度,K;

t——通電時間,s。

在瞬態(tài)熱線法的實(shí)驗(yàn)原理基礎(chǔ)上,參考他人研究,特做了用于實(shí)驗(yàn)測試的熱針。將熱針插入被測物質(zhì)中,給熱針內(nèi)金屬絲通入穩(wěn)定的電流,這樣熱針測量時的溫度分布導(dǎo)熱微分方程為

(2)

最初時刻,被測物質(zhì)和線源二者處于熱平衡狀態(tài),穩(wěn)定的電流提供恒定的熱流,式(2)導(dǎo)熱微分方程的解為

(3)

式中:θ——溫升,K;

l——線源到某點(diǎn)的距離,m;

T0——初始溫度,K;

Ei——指數(shù)積分。

Ei的表達(dá)式為

Ei(-x)=c+lnx-O(x2),

(4)

當(dāng)x的值較小時,式(4)可表示為

Ei(-x)=c+lnx。

(5)

聯(lián)合式(3)和(5)可得

?。簍=t1,T=T1;t=t2,T=T2；則

即

λ=(q/4π)/[dT/d(lnt)]。

(6)

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

測試瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,該裝置主要由恒溫控制箱、水合反應(yīng)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

該測試裝置的優(yōu)點(diǎn)主要為:

(1)導(dǎo)熱系數(shù)的測量過程本身就是熱量傳遞的過程,測量過程中的信號與鉑絲傳感器溫度密切相關(guān),因此將高壓反應(yīng)釜(即瓦斯水合反應(yīng)器)放入高低溫恒溫控制箱內(nèi),以保證熱針的初始熱平衡狀態(tài)穩(wěn)定,使測出來的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(2)高低溫恒溫溫控系統(tǒng)能快速和精確控制溫度(控溫范圍-15～60 ℃,控溫精度0.1 ℃)，滿足測試高精度要求。

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時采集、存儲測試數(shù)據(jù)。

(4)該系統(tǒng)不但能測試瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù),還可對瓦斯水合物的生成與分解進(jìn)行模擬分析,方便瓦斯水合物生成與分解過程熱量傳遞機(jī)理的研究。

1.3實(shí)驗(yàn)方法與條件

將恒溫箱設(shè)定某個溫度,當(dāng)瓦斯水合物生成并且溫度達(dá)到穩(wěn)定后,給金屬絲通入一恒定電流,同時啟動計時器,記錄熱針壁溫度隨時間的變化,根據(jù)式(6)計算出生成瓦斯水合物的導(dǎo)熱系數(shù)。

瓦斯氣體成分為:CH485%,N27%,O23%,CO25%。采用體積分?jǐn)?shù)為99.99%的純甲烷作瓦斯氣體的對照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)氣體購自哈爾濱黎明氣體有限公司。反應(yīng)的初始溫度、壓力條件為:0 ℃,4 MPa。

2　結(jié)果與討論

文中先后對純甲烷、所選瓦斯氣體生成的水合物的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試,結(jié)果見圖2。實(shí)驗(yàn)測出的純甲烷水合物的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.56 W/(m·K),和大多數(shù)的研究結(jié)果基本相符,證明該實(shí)驗(yàn)方法和裝置是可行的。水合物的導(dǎo)熱特性與其結(jié)構(gòu)有關(guān)[5],甲烷水合物是Ⅰ型結(jié)構(gòu),該成分瓦斯氣體生成的水合物也為Ⅰ型結(jié)構(gòu),該次實(shí)驗(yàn)所測二者的導(dǎo)熱系數(shù)也基本相符,從而支持了該方法測試瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)可行的觀點(diǎn)。從圖2可知,瓦斯氣體生成水合物的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高呈增大趨勢,與甲烷水合物導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系一致;不過二者相比,瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增大的趨勢較甲烷水合物的明顯。

圖2　純甲烷、瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)

Waite等[6]測量了冰和甲烷水合物的導(dǎo)熱系數(shù),-10 ℃下,甲烷水合物的導(dǎo)熱系數(shù)0.49 W/(m·K)遠(yuǎn)小于冰的導(dǎo)熱系數(shù)2.23 W/(m·K),且比普通的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)(0.02～3.00 W/(m·K))還低。從熱量傳遞定律可知,在相同的環(huán)境溫度下,導(dǎo)熱系數(shù)小的物質(zhì)若進(jìn)行分解,需要的時間較長,所以瓦斯水合物能長時間的保存而分解量很小,這從瓦斯水合物的熱物性因素方面支持了對煤礦抽采瓦斯進(jìn)行水合固化分離后以NGH(水合物儲運(yùn))形式進(jìn)行儲運(yùn)可行的觀點(diǎn)。現(xiàn)已證實(shí),天然氣水合物可在常壓、-15 ℃的條件下穩(wěn)定存在15 d[7]。國內(nèi)大部分煤炭企業(yè)地處偏遠(yuǎn)山區(qū),居中心城市較遠(yuǎn),限制了管道運(yùn)輸瓦斯,而瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)小,能長時間保存,采用NGH方式用車、船運(yùn)輸瓦斯,具有較高的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。因此,應(yīng)用水合物技術(shù)對瓦斯進(jìn)行處理與儲運(yùn),無疑會為煤層氣工業(yè)的發(fā)展注入新的生機(jī)。

3　結(jié)　論

(1)實(shí)驗(yàn)測出純甲烷的導(dǎo)熱系數(shù)和大多數(shù)的研究結(jié)果基本相符,證明該實(shí)驗(yàn)方法和裝置測定瓦斯水合物導(dǎo)熱系數(shù)是可行的。

(2)實(shí)驗(yàn)所測瓦斯水合物的導(dǎo)熱系數(shù)與甲烷水合物導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系一致,隨著溫度的升高而增大。

(3)從瓦斯水合物的熱物性因素方面論證了對煤礦抽采瓦斯進(jìn)行水合固化分離后以NGH(水合物儲運(yùn))形式進(jìn)行儲運(yùn)的可行性。

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(編輯王冬)

Measurement of thermal conductivity of gas hydrate with transient hot-wire method

CHENWensheng,PANChanghong

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is an effort to study the heat transfer mechanism of gas hydrate by developing an experiment apparatus based on the principle of transient hot-wire method in order to measure thermal conductivity of methane hydrate and gas hydrate. The results show an increase in the thermal conductivity of the selected gas hydrate formation and methane hydrate due to the increasing temperature. From the aspects of thermal factors of gas hydrate, the study verifies the feasibility of gas storage and transportation in the form of NGH(natural gas hydrate) following the hydration solidification and separation of coal mine gas.

thermal conductivity; gas hydrate; transient hot-wire technique

2013-02-22

國家自然科學(xué)基金項目(51174264)

陳文勝(1977-),男,河南省開封人,講師,碩士,研究方向:煤礦瓦斯治理,E-mail:cwshk@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.008

TD712

1671-0118(2013)03-0251-03

A