馬亮 鄧廣哲 王守印 蔚斐 高亮 袁超

摘?要：在“雙碳”目標(biāo)背景下，探索CO2高效地質(zhì)封存和高能利用途徑，是CO2減排研究的熱點(diǎn)問題?；贑O2多相態(tài)變化特性以及能源利用方面表現(xiàn)出的安全環(huán)保及成本優(yōu)勢(shì)，提出一種新型碳封存超臨界CO2螺旋管換熱器，并建立了數(shù)值仿真模型，以5 ℃條件下CO2為對(duì)象，設(shè)計(jì)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(duì)CO2的溫度、壓力及其熱應(yīng)力耦合變化規(guī)律。結(jié)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(guān)變化；與CO2傳熱效率相比，受CO2相變吸熱影響導(dǎo)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(duì)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(fù)相關(guān)；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(dāng)管徑和入口壓力恒定情況下，100 ℃的水熱流體與CO2進(jìn)行換熱可以較好地滿足CO2相變吸熱的要求。試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞：超臨界CO2；螺旋管換熱器；水熱交換；傳熱；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TK 123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2024）03-0467-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0307開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guī)律

0?引?言

在“雙碳”背景下，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)從化石能源向可再生能源的平穩(wěn)過渡，是中國“雙碳”進(jìn)程中面臨的重要挑戰(zhàn)之一。碳捕集、利用與封存技術(shù)是減少化石能源消費(fèi)CO2排放的關(guān)鍵技術(shù)，也被認(rèn)為是中國未來減少CO2排放、保障能源安全以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方法。超臨界CO2（Supercritical CO2，SC-CO2）以其流動(dòng)性好、滲透性高和黏度低的特點(diǎn)，在CO2注入地層過程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷的驅(qū)替，也能達(dá)到地質(zhì)封存的目的；同時(shí)，SC-CO2可以對(duì)高應(yīng)力低滲煤層起到致裂增滲的效果，對(duì)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(dú)特的熱物理屬性，載熱流體溫壓變換對(duì)CO2相變過程具有較強(qiáng)的敏感性，國內(nèi)外學(xué)者基于不同類型熱交換器的質(zhì)量流量和工作流體的特性對(duì)熱交換器性能影響進(jìn)行深入研究。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)在地?zé)崃枯^低的環(huán)境下，水作為載熱流體是熱交換系統(tǒng)的一種可行方案[2-4]。宋子琛利用管式換熱器模型，對(duì)冷熱CO2開展傳熱模擬研究，發(fā)現(xiàn)了換熱系數(shù)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(shù)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(duì)礦井降溫的方法，發(fā)現(xiàn)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(fēng)的變溫調(diào)節(jié)與新風(fēng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)熱管工況有利于傳熱效果，管壁溫度對(duì)采熱量具有重要影響[8-10]；陳凱研究了礦井回風(fēng)源管式換熱器流場規(guī)律，發(fā)現(xiàn)入口風(fēng)速越大風(fēng)道進(jìn)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(yōu)化熱物理參數(shù)方面進(jìn)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(guī)律研究方面，田峰等研究了礦井排風(fēng)余熱噴淋換熱效率，發(fā)現(xiàn)噴淋換熱效率隨著大氣溫度的增加而增加[12]；馮小強(qiáng)對(duì)礦井水換熱器傳熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)管外水入口流量與管內(nèi)水出口溫度和總換熱系數(shù)成正比[13]；張波等對(duì)換熱器蓄/釋熱過程中的熱干擾問題進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)單層蛇形管管間熱干擾影響較小，層間熱干擾系數(shù)對(duì)熱物理參數(shù)不太敏感[14]；徐麗娜通過高溫采場液態(tài)CO2降溫試驗(yàn)，研究了液態(tài)CO2風(fēng)流中溫度、相對(duì)濕度、濕度和焓的變化[15]；蘇現(xiàn)波等基于新疆準(zhǔn)南煤田工程背景，采用不同比例的CO2與CH4混合氣體進(jìn)行吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(duì)螺旋式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)噴淋式礦井螺旋管式熱回收系統(tǒng)可以滿足冬季井筒防凍需求[17]；杜春濤等基于礦井回風(fēng)換熱器換熱性能影響因素進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)制冷、順噴和小液滴3種工況下回風(fēng)換熱器的換熱性能更好[18]；榮雅靜對(duì)礦井回風(fēng)熱管換熱器傳熱及阻力特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)換熱量隨流體流速的增加而增加，風(fēng)量的增大也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器壓力損失的增加[19]；董志峰等研究了噴淋高度對(duì)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(fēng)換熱過程中氣-水換熱效率，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)擋水板有助于減小回風(fēng)換熱系統(tǒng)中的回風(fēng)阻力[21]。在CO2深地封存與利用方面，研究發(fā)現(xiàn)深地高壓換熱器可以有效達(dá)到高換熱量和高承壓貯存氣體的目的[22]。為此，學(xué)者們通過理論分析探究了CO2深地封存微觀機(jī)理，發(fā)現(xiàn)煤巖層CO2與煤中水-氣的微觀作用具有相關(guān)性，進(jìn)一步揭示了煤層CO2注入后引起的水潤濕性變化規(guī)律，得出煤巖吸附與毛細(xì)管封存是影響煤層CO2封存潛力的主要因素

[23-24]。一些學(xué)者還針對(duì)高瓦斯煤層抽采效率低的問題，采用CO2致裂增透解吸技術(shù)研究了提高煤層透氣性系數(shù)和瓦斯抽采效率問題，發(fā)現(xiàn)CO2致裂后瓦斯抽采效率平均提高70%[25]。為進(jìn)一步增加CO2致裂及封存可控性，學(xué)者們還采用試驗(yàn)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(jìn)行碳CO2捕捉、封存和利用，研究得出CO2對(duì)煤巖潤濕性和裂隙擴(kuò)展具有顯著作用[26-30]。上述主要采用理論分析和試驗(yàn)方法，以水氣液三相作為載熱流體對(duì)換熱器的換熱效率、CO2驅(qū)替機(jī)理、不同載熱流體工質(zhì)及其性能參數(shù)進(jìn)行了研究，但是這些方面已形成完整技術(shù)體系并廣泛商業(yè)化應(yīng)用。上述主要針對(duì)水流介質(zhì)換熱器性能進(jìn)行了研究，但是在高應(yīng)力低滲透煤層壓裂開采中炸藥爆破易產(chǎn)生火花且礦用炸藥在受到嚴(yán)格管制的影響下，需要一種安全環(huán)保的壓裂介質(zhì)對(duì)煤巖層進(jìn)行壓裂卸壓。尤其在深部巖層鉆孔中的換熱器內(nèi)水熱流體與CO2相變傳熱規(guī)律以及CO2相變致裂破巖后儲(chǔ)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(guī)律，對(duì)高應(yīng)力低滲煤層卸壓增透及深地碳封存協(xié)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(tǒng)，原理是在巖層鉆孔內(nèi)布置CO2螺旋管換熱器后，將螺旋管內(nèi)水熱流體作為CO2相變的熱源載體，通過加壓系統(tǒng)使高溫高壓CO2致裂高應(yīng)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(shí)現(xiàn)CO2安全穩(wěn)定封存過程的同時(shí)有效解決高應(yīng)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?zé)崮苓M(jìn)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(tǒng)。該系統(tǒng)主要由充裝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及加壓系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2?SC-CO2螺旋管換熱器

2.1?模型構(gòu)建基于圖1中A部分螺旋管換熱器，通過建立數(shù)值模型，研究SC-CO2螺旋管換熱器的傳熱規(guī)律。SC-CO2螺旋管換熱器模型主要由SC-CO2螺旋管實(shí)體、水熱流體及CO2流體組成，如圖3所示。

由于ANSYS標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有穩(wěn)定性和比較高的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，邊界條件設(shè)定為壓力入口，利用分量定義方式定義流動(dòng)方向。采用六面體單元進(jìn)行螺旋管換熱器的離散化網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

2.2?模擬方案由于標(biāo)準(zhǔn)純液態(tài)CO2溫度為-78.5 ℃，每上升1 ℃熱物理參數(shù)會(huì)發(fā)生較大變化。為了減小模擬誤差，將CO2初始溫度設(shè)定為5 ℃條件下，經(jīng)過觀察足以滿足相變需求。

模擬假設(shè)條件：①忽略相與相之間的滑移；②默認(rèn)相與相之間熱力學(xué)平衡；③忽略螺旋管內(nèi)的摩擦阻力；④管內(nèi)部流動(dòng)是三維流動(dòng)方式。

對(duì)3種水溫狀態(tài)下的換熱器傳熱效率進(jìn)行分析，基本參數(shù)分別見表1、表2。

為了更精確獲得管內(nèi)的熱物理變化，通過采用數(shù)值模擬手段，研究全管程溫度、傳熱以及流速變化規(guī)律。因受限于現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備未能精準(zhǔn)觀測(cè)到管內(nèi)CO2相變演化規(guī)律，為了更加直觀的觀測(cè)管內(nèi)CO2在某一點(diǎn)上相態(tài)變化運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過在模擬過程中對(duì)螺旋管全長1 500 mm的范圍內(nèi)每間隔50 mm布置一個(gè)熱交換監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

2.3?控制方程基于CO2螺旋管換熱器對(duì)稱特點(diǎn)，設(shè)定物體邊界上的溫度函數(shù)，換熱器中SC-CO2與水熱流體發(fā)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(shù)，W·（m2·K）-1；Ter為水流溫度，℃；

Tr為CO2流體溫度；

A為內(nèi)管橫截面積，m2；

cp為比熱容，J/（kg·K）。管內(nèi)液態(tài)CO2對(duì)流產(chǎn)生的熱量為

Qtr=?·

-

Kfkw

μw

?Pw·ρwcw

ΔT

（2）

式中?μw為液態(tài)CO2動(dòng)力黏度，Pa·s；

Pw

為液態(tài)CO2壓強(qiáng)，MPa；cw為比熱容，J/（kg·K）。管內(nèi)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(nèi)流體平均流速，

m/s；t為流體溫度，℃；u為管內(nèi)流體出口流速，m/s。

CO2液相對(duì)流換熱系數(shù)

α=0.023Re0.8Pr0.4

λlDh

（4）普朗特?cái)?shù)

Pr=va

（5）

式中?Re為雷諾系數(shù)；λl為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Dh為水力直徑，m；v為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

CO2努塞爾數(shù)

Nu=0.14Re0.69Pr0.66

（6）CO2氣相對(duì)流換熱系數(shù)

α=NuλD（7）

3?仿真結(jié)果

3.1?溫度變化規(guī)律

水熱流體與低溫CO2之間溫度差導(dǎo)致激烈的熱對(duì)流擴(kuò)散過程，該過程表現(xiàn)為高低溫相互平衡，出現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。流體在50 s左右達(dá)到流體熱穩(wěn)定值，溫度變化速率減小，可視為穩(wěn)態(tài)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(shì)。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(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。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(shì)。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(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。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(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。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(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。

基于上述管內(nèi)CO2溫度變化曲線，對(duì)CO2溫度以及水耗散溫度進(jìn)行量化分析。管內(nèi)水溫為40，70和100 ℃時(shí)，SC-CO2入口處溫度恒定為5 ℃條件下，根據(jù)表2物性參數(shù)計(jì)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(jì)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(nèi)流體平均流速，mm/s。

t與u的函數(shù)表達(dá)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(nèi)管半徑和外管半徑，r；v為流量，m3/s。對(duì)式（8）求極限后，聯(lián)立式（9）、式（10）得出流體的出口溫度，對(duì)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(shì)，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(guī)律

流體各處的溫度及傳熱量不隨時(shí)間變化，傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)。通過研究水與CO2的傳熱狀態(tài)，可以獲得流體傳熱過程的強(qiáng)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(tài)，如圖8所示。

從圖8（a）可以看出，管內(nèi)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(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。從圖8（b）可以看出，管內(nèi)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(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。從圖8（c）可以看出，管內(nèi)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(duì)水的吸熱量也呈遞增趨勢(shì)，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(guān)系，如圖9所示。從圖9可以看出，CO2傳熱系數(shù)隨流體的溫度增加迅速上升，當(dāng)達(dá)到熱量交換平衡狀態(tài)后，又隨溫度增加逐漸下降，表明在臨界狀態(tài)31.04 ℃前期傳熱與溫度成正比，臨界溫度對(duì)傳熱有較大影響，模擬可以展現(xiàn)出熱流固耦合過程的非均質(zhì)特性。

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

通過聯(lián)立式（3）、式（4）、式（5）、式（6）和式（7），

得出水和CO2相變傳熱系數(shù)基本參數(shù)，見表6。

水-CO2傳熱變化規(guī)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(shù)先下降后上升；基于液態(tài)CO2相變后產(chǎn)生的氣態(tài)CO2，二者的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)相近，但是氣態(tài)CO2傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液態(tài)CO2。原因是不同水溫提供的熱量不同導(dǎo)致CO2吸收熱量不同，使得傳熱系數(shù)之間有差異?？紤]到高質(zhì)量供熱溫度的穩(wěn)定性，選擇100 ℃的水和SC-CO2為5 ℃作為介質(zhì)可以有效提高換熱效率。

3.3?流速變化規(guī)律

根據(jù)熱物理參數(shù)的變化，結(jié)合流體流動(dòng)變化規(guī)律及CO2相變吸熱原理，對(duì)CO2流體速度變化進(jìn)行模擬分析，變化規(guī)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(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。從圖11（b）可以看出，管內(nèi)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(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)。

從圖11（c）可以看出，管內(nèi)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(xiàn)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(guān)。

4?SC-CO2水熱螺旋換熱器試驗(yàn)

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

4.2?試驗(yàn)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(shù)較低，在水熱循環(huán)過程中，通過給CO2施加7.38 MPa至臨界壓力，相變?yōu)镾C-CO2。沖擊巖體造成應(yīng)力集中致使巖體裂縫擴(kuò)展達(dá)到CO2深地封存目的?？紤]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(duì)CO2進(jìn)行加熱相變，試驗(yàn)方案見表7。

4.3?溫度變化規(guī)律從圖14可以看出，通過控制初始?jí)毫愣l件下，SC-CO2氣體在管內(nèi)流動(dòng)的溫度隨流動(dòng)距

離的增加呈現(xiàn)近似線性規(guī)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(huán)境下，第1監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2平均溫度在18 ℃，第3監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2平均溫度在34.3 ℃，第5監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度在37.5 ℃，第7監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均溫度在42.5 ℃。由此可見，試驗(yàn)環(huán)境與模擬環(huán)境的演化趨勢(shì)均呈正相關(guān)變化，也驗(yàn)證了模擬與試驗(yàn)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(xiàn)突增趨勢(shì)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(duì)照試驗(yàn)與模擬環(huán)境下的水熱流體初始溫度對(duì)CO2變溫的影響，研究發(fā)現(xiàn)在CO2初始?jí)毫ο嗤臈l件下，CO2相變受自身初始溫度影響較小，管內(nèi)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(shí)，試驗(yàn)也較好地驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。

5?結(jié)?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(shù)由521 W/（m2·K）增加至728 W/（m2·K），水熱流體傳熱系數(shù)由1 030 W/（m2·K）增加至1 530 W/（m2·K），水熱流體傳熱系數(shù)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(shí)，SC

-CO2的流速隨著水流速度呈近似線性關(guān)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(jìn)行換熱可以較好地滿足CO2相變吸熱的要求。試驗(yàn)較好地驗(yàn)證了換熱器的有效性，也為超臨界CO2換熱器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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