碳封存超临界CO2螺旋管换热器传热规律

马亮 邓广哲 王守印 蔚斐 高亮 袁超

摘 要：在“双碳”目标背景下，探索CO2高效地质封存和高能利用途径，是CO2减排研究的热点问题。基于CO2多相态变化特性以及能源利用方面表现出的安全环保及成本优势，提出一种新型碳封存超临界CO2螺旋管换热器，并建立了数值仿真模型，以5 ℃条件下CO2为对象，设计水作为载热流体的换热方案，研究了螺旋换热器在不同水温作用下对CO2的温度、压力及其热应力耦合变化规律。结果表明：随着水热流体温度的增加，CO2的升温速率与水温成正比，CO2输出温度与水热流体温度呈正相关变化；与CO2传热效率相比，受CO2相变吸热影响导致水热流体传热效率较慢，水热流体传热与温度变化成正比；初始水温升高，CO2相变速度明显增加，流量对CO2相变吸热影响较大，水热流体的体积流量与CO2温度变化呈负相关；受CO2升温吸热影响，水热流体的耗散温度与CO2吸热温度成正比；当管径和入口压力恒定情况下，100 ℃的水热流体与CO2进行换热可以较好地满足CO2相变吸热的要求。试验验证了水热流体螺旋管换热器的有效性和便捷性，研究为超临界CO2螺旋式换热器的设计提供了依据。 关键词：超临界CO2；螺旋管换热器；水热交换；传热；数值模拟

中图分类号：TK 123

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）03-0467-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0307开放科学（资源服务）标识码（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期马亮，等：

碳封存超临界CO2螺旋管换热器传热规律

0 引 言

在“双碳”背景下，实现能源结构从化石能源向可再生能源的平稳过渡，是中国“双碳”进程中面临的重要挑战之一。碳捕集、利用与封存技术是减少化石能源消费CO2排放的关键技术，也被认为是中国未来减少CO2排放、保障能源安全以及实现可持续发展的重要方法。超临界CO2（Supercritical CO2，SC-CO2）以其流动性好、渗透性高和黏度低的特点，在CO2注入地层过程中，不仅可以实现对甲烷的驱替，也能达到地质封存的目的；同时，SC-CO2可以对高应力低渗煤层起到致裂增渗的效果，对于CO2高能利用和清洁能源高效开采具有重要意义[1]。

由于CO2具有独特的热物理属性，载热流体温压变换对CO2相变过程具有较强的敏感性，国内外学者基于不同类型热交换器的质量流量和工作流体的特性对热交换器性能影响进行深入研究。一些学者发现在地热量较低的环境下，水作为载热流体是热交换系统的一种可行方案[2-4]。宋子琛利用管式换热器模型，对冷热CO2开展传热模拟研究，发现了换热系数随着温度和流量的上升逐渐增加[5]；张全等基于不同换热器的余热回收和换热效果，采用数值模拟方法研究了热管换热器中空气的流速、压力和温度变化特性[6]；陈晨提出利用矿井低温涌水作为冷源与螺旋管式换热器热交换以对矿井降温的方法，发现水流增加与换热器降温效果成正比[7]。

杜春涛、路膺祚、吕向阳等通过建立矿井回风的变温调节与新风之间的关系，发现热管工况有利于传热效果，管壁温度对采热量具有重要影响[8-10]；陈凯研究了矿井回风源管式换热器流场规律，发现入口风速越大风道进出口压差越大，压降越明显[11]。上述主要围绕深部矿井换热器特性及优化热物理参数方面进行了研究，分析了物理降温和余热开采效能的影响。在气-水换热规律研究方面，田峰等研究了矿井排风余热喷淋换热效率，发现喷淋换热效率随着大气温度的增加而增加[12]；冯小强对矿井水换热器传热性能进行研究，发现管外水入口流量与管内水出口温度和总换热系数成正比[13]；张波等对换热器蓄/释热过程中的热干扰问题进行数值模拟，发现单层蛇形管管间热干扰影响较小，层间热干扰系数对热物理参数不太敏感[14]；徐丽娜通过高温采场液态CO2降温试验，研究了液态CO2风流中温度、相对湿度、湿度和焓的变化[15]；苏现波等基于新疆准南煤田工程背景，采用不同比例的CO2与CH4混合气体进行吸附试验，发现混合气体中CO2的比例有助于提升CH4采收率以及CO2深地封存的能力[16]；平建明等对螺旋式通风机结构进行优化设计，发现喷淋式矿井螺旋管式热回收系统可以满足冬季井筒防冻需求[17]；杜春涛等基于矿井回风换热器换热性能影响因素进行模拟研究，发现制冷、顺喷和小液滴3种工况下回风换热器的换热性能更好[18]；荣雅静对矿井回风热管换热器传热及阻力特性进行研究，发现换热量随流体流速的增加而增加，风量的增大也会导致换热器压力损失的增加[19]；董志峰等研究了喷淋高度对液滴吸热的影响，液滴温度分布随喷淋高度的增加逐渐减小[20]；何瑞敏采用模拟方法研究了矿井回风换热过程中气-水换热效率，发现合理设计挡水板有助于减小回风换热系统中的回风阻力[21]。在CO2深地封存与利用方面，研究发现深地高压换热器可以有效达到高换热量和高承压贮存气体的目的[22]。为此，学者们通过理论分析探究了CO2深地封存微观机理，发现煤岩层CO2与煤中水-气的微观作用具有相关性，进一步揭示了煤层CO2注入后引起的水润湿性变化规律，得出煤岩吸附与毛细管封存是影响煤层CO2封存潜力的主要因素

[23-24]。一些学者还针对高瓦斯煤层抽采效率低的问题，采用CO2致裂增透解吸技术研究了提高煤层透气性系数和瓦斯抽采效率问题，发现CO2致裂后瓦斯抽采效率平均提高70%[25]。为进一步增加CO2致裂及封存可控性，学者们还采用试验手段研究了CO2煤岩渗流裂隙微观演化特征及铀矿地浸式开采的手段进行碳CO2捕捉、封存和利用，研究得出CO2对煤岩润湿性和裂隙扩展具有显著作用[26-30]。上述主要采用理论分析和试验方法，以水气液三相作为载热流体对换热器的换热效率、CO2驱替机理、不同载热流体工质及其性能参数进行了研究，但是这些方面已形成完整技术体系并广泛商业化应用。上述主要针对水流介质换热器性能进行了研究，但是在高应力低渗透煤层压裂开采中炸药爆破易产生火花且矿用炸药在受到严格管制的影响下，需要一种安全环保的压裂介质对煤岩层进行压裂卸压。尤其在深部岩层钻孔中的换热器内水热流体与CO2相变传热规律以及CO2相变致裂破岩后储能利用方面还鲜有研究。为此，提出一种CO2螺旋管换热器（SC-CO2 Spiral Pipe Heat Exchanger，SPHE），将水作为载热流体为CO2相变提供热源，研究换热器的传热规律，对高应力低渗煤层卸压增透及深地碳封存协同利用具有重要意义。

1 碳封存CO2螺旋管换热器碳封存CO2螺旋管换热器系统，原理是在岩层钻孔内布置CO2螺旋管换热器后，将螺旋管内水热流体作为CO2相变的热源载体，通过加压系统使高温高压CO2致裂高应力低渗煤岩层后，SC-CO2被注入岩层中填充裂隙孔隙间，以替代部分原生孔隙中的气水，并且通过溶解捕获、矿物捕获、残余水气捕获等方式，实现CO2安全稳定封存过程的同时有效解决高应力低渗煤层压裂增透卸压的问题，且可以利用CO2螺旋管换热器将地热能进行同步采集，如图1所示。图1中A部分的碳封存CO2螺旋管换热器（长1 500 mm）作为CO2深地封存的核心系统。该系统主要由充装系统、控制系统及加压系统组成，如图2所示。

2 SC-CO2螺旋管换热器

2.1 模型构建基于图1中A部分螺旋管换热器，通过建立数值模型，研究SC-CO2螺旋管换热器的传热规律。SC-CO2螺旋管换热器模型主要由SC-CO2螺旋管实体、水热流体及CO2流体组成，如图3所示。

由于ANSYS标准k-ε模型具有稳定性和比较高的计算精度，图3模型采用ANSYS的k-ε模型求解。初始条件定义为湍流模型和标准壁面函数，边界条件设定为压力入口，利用分量定义方式定义流动方向。采用六面体单元进行螺旋管换热器的离散化网格划分，如图4所示。

2.2 模拟方案由于标准纯液态CO2温度为-78.5 ℃，每上升1 ℃热物理参数会发生较大变化。为了减小模拟误差，将CO2初始温度设定为5 ℃条件下，经过观察足以满足相变需求。

模拟假设条件：①忽略相与相之间的滑移；②默认相与相之间热力学平衡；③忽略螺旋管内的摩擦阻力；④管内部流动是三维流动方式。

对3种水温状态下的换热器传热效率进行分析，基本参数分别见表1、表2。

为了更精确获得管内的热物理变化，通过采用数值模拟手段，研究全管程温度、传热以及流速变化规律。因受限于现有试验设备未能精准观测到管内CO2相变演化规律，为了更加直观的观测管内CO2在某一点上相态变化运动规律，通过在模拟过程中对螺旋管全长1 500 mm的范围内每间隔50 mm布置一个热交换监测点，如图5所示。

2.3 控制方程基于CO2螺旋管换热器对称特点，设定物体边界上的温度函数，换热器中SC-CO2与水热流体发生热交换能量方程为

㎜Tr

t

+

（Vr×Tr）

z

=

kr（Ter-Tr）

ρAcp

（1）

式中 Tr为CO2流体温度，℃；Vr为SC-CO2流体流速，m·s-1；kr为SC-CO2与外部水流间的传热系数，W·（m2·K）-1；Ter为水流温度，℃；

Tr为CO2流体温度；

A为内管横截面积，m2；

cp为比热容，J/（kg·K）。管内液态CO2对流产生的热量为

Qtr=?·

-

Kfkw

μw

?Pw·ρwcw

ΔT

（2）

式中 μw为液态CO2动力黏度，Pa·s；

Pw

为液态CO2压强，MPa；cw为比热容，J/（kg·K）。管内流体断面出口温度

tf=2R2um

∫R0turdr

（3）

式中 R为管道半径，m；um为管内流体平均流速，

m/s；t为流体温度，℃；u为管内流体出口流速，m/s。

CO2液相对流换热系数

α=0.023Re0.8Pr0.4

λlDh

（4）普朗特数

Pr=va

（5）

式中 Re为雷诺系数；λl为导热系数，W/（m·K）；Dh为水力直径，m；v为运动黏度，m2/s；a为热扩散系数，m2/s。

CO2努塞尔数

Nu=0.14Re0.69Pr0.66

（6）CO2气相对流换热系数

α=NuλD（7）

3 仿真结果

3.1 温度变化规律

水热流体与低温CO2之间温度差导致激烈的热对流扩散过程，该过程表现为高低温相互平衡，出现波动趋势。流体在50 s左右达到流体热稳定值，温度变化速率减小，可视为稳态换热，如图6所示。

从图6（a）可以看出，从入口到管路中部，SC-CO2温度上升至15.5 ℃，从管路中部至出口处，SC-CO2温度上升至22.5 ℃，SC-CO2温度呈逐渐上升趋势。从入口到管路中部水温由40 ℃下降至29.5 ℃，在出口处水温下降至26 ℃，水温呈现逐渐降低趋势。从图6（b）可以看出，从入口到管路中部，SC-CO2温度上升至24.5 ℃，从管路中部到出口，SC-CO2温度上升至36 ℃，SC-CO2温度呈逐渐上升趋势。从入口到管路中段水温由70 ℃下降至57 ℃，在出口处水温下降至41 ℃，水温呈现逐渐降低趋势。从图6（c）可以看出，从入口到管路中部，SC-CO2温度上升至24 ℃，从管路中部到出口处，SC-CO2温度上升至43 ℃，SC-CO2温度呈现逐渐上升趋势。从螺旋钢管外腔入口到中段水温由100 ℃下降至81 ℃，在出口处水温下降至58 ℃，水温呈现逐渐降低趋势。

基于上述管内CO2温度变化曲线，对CO2温度以及水耗散温度进行量化分析。管内水温为40，70和100 ℃时，SC-CO2入口处温度恒定为5 ℃条件下，根据表2物性参数计算出CO2相变吸热及水温耗散情况，见表3。

水和SC-CO2的出口温度计算公式为

tf=

2R2um

∫R0t（r）u（r）rdr

（8）

式中 R为管道半径，mm；

um为管内流体平均流速，mm/s。

t与u的函数表达式为

t=tw1-tw2

ln

r2r1

1r

（9）u=4vπr2

（10）

式中 tw1，tw2分别为SC-CO2出口温度，水流出口温度，℃；r1，r2分别为内管半径和外管半径，r；v为流量，m3/s。对式（8）求极限后，联立式（9）、式（10）得出流体的出口温度，对流体初始温度与出口温度做差求出水的滤失温度和CO2吸收的温度，见表4。

从图7可以看出，水流耗散温度与CO2吸收温度呈上升趋势，水流耗散温度和CO2吸收温度成正比，综合比较下水流耗散温度的上升速率比CO2吸收温度的上升速率快。

3.2 传热变化规律

流体各处的温度及传热量不随时间变化，传热过程处于稳态。通过研究水与CO2的传热状态，可以获得流体传热过程的强弱变化。通过反演管程流体的传热变化，揭示热传递过程中的流体热量分布状态，如图8所示。

从图8（a）可以看出，管内SC-CO2流体传热效率由入口至出口均保持在521 W/（m2·K），传热效率保持恒定。水流传热效率由入口1 030 W/（m2·K）减少至出口处521 W/（m2·K），传热效率呈现逐渐降低趋势。从图8（b）可以看出，管内SC-CO2流体传热效率由入口至出口均保持在615 W/（m2·K），传热效率保持恒定。水流传热效率由入口1 070 W/（m2·K）减少至出口714 W/

（m2·K），传热效率呈现逐渐降低趋势。从图8（c）可以看出，管内SC-CO2流体传热效率由入口至出口均保持在728 W/

（m2·K），传热效率保持恒定。水流传热效率由入口至出口均保持在1 530 W/（m2·K），传热效率保持恒定。研究表明，SC-CO2受初始温度的影响其传热效率随水温增加逐渐增大，表明SC-CO2对水的吸热量也呈递增趋势，水流传热效率受SC-CO2吸热影响其增长幅度较低。

CO2的传热与温度之间关系，如图9所示。从图9可以看出，CO2传热系数随流体的温度增加迅速上升，当达到热量交换平衡状态后，又随温度增加逐渐下降，表明在临界状态31.04 ℃前期传热与温度成正比，临界温度对传热有较大影响，模拟可以展现出热流固耦合过程的非均质特性。

在水温为40，70，100 ℃，CO2初始温度为5 ℃条件下的基本参数，见表5。

通过联立式（3）、式（4）、式（5）、式（6）和式（7），

得出水和CO2相变传热系数基本参数，见表6。

水-CO2传热变化规律，如图10所示。

从图10可以看出，在初始水温不同、SC-CO2初始温度相同的工况下，水的传热系数先下降后上升；基于液态CO2相变后产生的气态CO2，二者的传热系数变化趋势相近，但是气态CO2传热系数远大于液态CO2。原因是不同水温提供的热量不同导致CO2吸收热量不同，使得传热系数之间有差异。考虑到高质量供热温度的稳定性，选择100 ℃的水和SC-CO2为5 ℃作为介质可以有效提高换热效率。

3.3 流速变化规律

根据热物理参数的变化，结合流体流动变化规律及CO2相变吸热原理，对CO2流体速度变化进行模拟分析，变化规律如图11所示。

从图11（a）可以看出，SC-CO2入口处流速0.894 m/s，从入口到管路中部，流速逐渐升高至1.78 m/s，在出口处流速升高2.67 m/s，流速逐渐增大。水入口处流速为0.008 28 m/s，从入口到管路中部，流速升高至1.78 m/s，从管路中部至出口处流速升高至3.11 m/s，流速呈现逐渐增大趋势。从图11（b）可以看出，管内SC-CO2入口处流速为1.30 m/s，从入口到管路中部，流速升至2.16 m/s，在出口处流速升高至2.59 m/s，流速逐渐增大。水流速由入口处0.008 28 m/s升至管段中部的1.30 m/s，从管段中部至出口处流速逐渐升至3.15 m/s，流速呈现出逐渐增大趋势。

从图11（c）可以看出，管内SC-CO2流速由入口处的0.914 m/s升至管段中部1.37 m/s，在出口处流速上升为2.27 m/s，流速逐渐增大。水的流速由入口处的0.008 28 m/s升至管段中部的1.82 m/s，从管路中段至出口处流速升高至3.3 m/s，流速逐渐增大。

随着水温逐渐升高，SC-CO2的流速随水流速度增长逐渐增大。原因是水温越高，SC-CO2相变吸热越多，最终作为气体冲击的速度越快表现出流速越快。

从图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体积流量逐渐增大；水流体积由3.53×10-5 m3/s增至5.88×10-5 m3/s。由此可见，在管径和入口压力恒定条件下，体积流量与流体的温度变化无关。

4 SC-CO2水热螺旋换热器试验

4.1 试验系统CO2水热交换试验系统主要由SC-CO2换热管、恒速恒压泵、温度控制系统、压力表以及其他连接辅助件组成，如图13所示。

4.2 试验步骤及方案首先将水温分别增至 40，70，100 ℃，由于 CO2的临界参数较低，在水热循环过程中，通过给CO2施加7.38 MPa至临界压力，相变为SC-CO2。冲击岩体造成应力集中致使岩体裂缝扩展达到CO2深地封存目的。考虑到安全性和满足超临界CO2临界温压条件（Tc=31.1 ℃，Pc=7.38 MPa），分别选择

合适的水温对CO2进行加热相变，试验方案见表7。

4.3 温度变化规律从图14可以看出，通过控制初始压力恒定条件下，SC-CO2气体在管内流动的温度随流动距

离的增加呈现近似线性规律，初始水温越高CO2温度变化曲线上升幅度越大。在3种水温环境下，第1监测点CO2平均温度在18 ℃，第3监测点CO2平均温度在34.3 ℃，第5监测点平均温度在37.5 ℃，第7监测点平均温度在42.5 ℃。由此可见，试验环境与模拟环境的演化趋势均呈正相关变化，也验证了模拟与试验的一致性。从图14可以看出，综合比较在水温100 ℃条件下，CO2温度曲线呈现突增趋势且水热流体的温度变化较大，表明水释热效果好，有利于CO2相变吸热。

通过对照试验与模拟环境下的水热流体初始温度对CO2变温的影响，研究发现在CO2初始压力相同的条件下，CO2相变受自身初始温度影响较小，管内SC-CO2的温度主要受水热流体初始温度变化的影响较大。与此同时，试验也较好地验证了数值模拟的可靠性。

5 结 论

1）

在CO2温度不变的条件下，随着水热流体温度的升高，CO2温度逐渐增加，CO2的升温速率与水温成正比。初始水温每升高1 ℃，SC-CO2输出端温度约增加0.9 ℃；SC-CO2温度每增加1 ℃，水热流体换热后的平均温度减少0.6 ℃。

2）随着水热流体温度的增加，CO2传热系数由521 W/（m2·K）增加至728 W/（m2·K），水热流体传热系数由1 030 W/（m2·K）增加至1 530 W/（m2·K），水热流体传热系数与温度变化成正比。随着水温的增加，水流量由3.53×10-5 m3/s增加至5.88×10-5 m3/s 时，SC

-CO2的流速随着水流速度呈近似线性关系。

3）受CO2升温影响，水的耗散温度与CO2吸热温度成正比，在管径和入口压力不变情况下，100 ℃的水热流体与CO2进行换热可以较好地满足CO2相变吸热的要求。试验较好地验证了换热器的有效性，也为超临界CO2换热器的设计提供了理论依据。

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