封存CO_2在泄漏通道中迁移及相变过程的模拟分析

预测相变位置对封存CO2泄漏过程的监控和风险评估具有重要意义。针对泄漏通道中CO2的非等温流动相变过程,提出了Span-Wagner状态方程与等效比热法的耦合计算方法描述CO2泄漏过程中相变过程,研究了焦耳-汤姆逊效应、黏性耗散效应以及地层传热效应对CO2泄漏相变过程的影响,阐明CO2泄漏过程中相变过程的影响因素及其作用。研究表明:虽然焦耳-汤姆逊效应和黏性耗散对泄漏通道温度的作用相反,但两者均使泄漏CO2液气相变位置向深层移动;增强泄漏通道与地层之间换热将使泄漏通道温度降低,焦耳-汤姆逊效应和地层换热的共同作用将进一步降低泄漏通道的温度,导致泄漏CO2液气相变位置向浅层移动,泄漏通道出口处CO2的泄漏流率增大。     

干气密封的实际气体焦耳-汤姆逊效应分析

干气密封系统中气体通过过滤器、阀门、孔板和密封端面等组件时会发生焦耳-汤姆逊（JT）效应,可能导致密封气温度降低,甚至出现液相凝析。焦耳-汤姆逊效应一般通过焦耳-汤姆逊系数来反映。针对干气密封常面临的氢气、氮气、空气和二氧化碳,利用VDW方程、RK方程、SRK方程和PR方程4个经典状态方程（EOS）分别计算了相应的焦耳-汤姆逊（JT）系数,并与文献实验数据进行了比较,选择最佳状态方程作出各气体的JT系数曲线和焦耳-汤姆逊反转曲线（JTIC）,并利用编程计算出空气和氮气通过干气密封端面时,由于JT效应引起的气体温降。结果表明：实际气体的焦耳-汤姆逊效应,对干气密封的节流环节会产生重要影响。常温条件下,氢气发生致热效应,而氮气、空气和二氧化碳气体发生致冷效应。采用4种状态方程计算焦耳-汤姆逊系数时,RK方程的平均相对误差和最大相对误差最低且分别小于4%和10%。干气密封气体的实际气体焦耳-汤姆逊效应能引起较大的温度变化,其中气体介质压力比介质温度对温差的影响更大。压力较小时JT效应引起的温降可以忽略。关键词：干气密封;实际气体;状态方程;焦耳-汤姆逊系数;反转曲线     

干气密封的实际气体焦耳-汤姆逊效应分析

干气密封系统中气体通过过滤器、阀门、孔板和密封端面等组件时会发生焦耳-汤姆逊(JT)效应,可能导致密封气温度降低,甚至出现液相凝析。焦耳-汤姆逊效应一般通过焦耳-汤姆逊系数来反映。针对干气密封常面临的氢气、氮气、空气和二氧化碳,利用VDW方程、RK方程、SRK方程和PR方程4个经典状态方程(EOS)分别计算了相应的焦耳-汤姆逊(JT)系数,并与文献实验数据进行了比较,选择最佳状态方程作出各气体的JT系数曲线和焦耳-汤姆逊反转曲线(JTIC),并利用编程计算出空气和氮气通过干气密封端面时,由于JT效应引起的气体温降。结果表明:实际气体的焦耳-汤姆逊效应,对干气密封的节流环节会产生重要影响。常温条件下,氢气发生致热效应,而氮气、空气和二氧化碳气体发生致冷效应。采用4种状态方程计算焦耳-汤姆逊系数时,RK方程的平均相对误差和最大相对误差最低且分别小于4%和10%。干气密封气体的实际气体焦耳-汤姆逊效应能引起较大的温度变化,其中气体介质压力比介质温度对温差的影响更大。压力较小时JT效应引起的温降可以忽略。     

焦耳-汤姆逊系数的实验测定

焦耳-汤姆逊效应广泛应用于生产生活中，焦耳-汤姆逊系数能定量表达气体温度随压力的变化，在调研实验基础上，率先搭建了一套焦耳-汤姆逊系数测定实验装置，并测定了二氧化碳、氮气的焦耳-汤姆逊系数，实验结果表明，所测定的二氧化碳和氮气的焦耳-汤姆逊系数数值与文献值吻合。     

利用分布式温度传感器数据成功获取气井流量剖面

分布式温度传感器（DTS）配有一个温度-压力模拟器,在多产层复合生产气井中应用,成功获得了流量剖面。该技术能够定量评价每个独立层对气井产量的贡献和进入井筒的水量。本文分析表明,典型流量剖面所需的一些关键参数能够从生产和关井时DTS所获取的瞬态剖面提取。这些参数通常不能通过常规温度测井获得,包括：①地温剖面;②井筒和近井地带的焦耳—汤姆逊效应;③流体和地层的热力学性质。厚的非产层在校正局部流量和验证流体和地层性质时尤其有用。该流量剖面模型采用解析-数值方法建立,压力-温度模拟器用来预测井筒温度剖面,这个温度剖面是对每个独立层流量和生产层流入井筒流体温度的函数。此外,使用交互式错误最小化技术来拟合模拟温度与实际DTS数据。     

异常高压气井单相流态节流热效应计算

流体的绝热节流效应又称焦耳-汤姆逊效应,常用焦耳-汤姆逊系数E53表示（又称绝热节流系数）,K／kPa。     

基于HYSYS的焦耳—汤姆逊效应实验装置设计与模拟分析

对焦耳—汤姆逊效应实验装置进行设计,利用化工流程模拟软件HYSYS对该效应进行理论模拟研究与分析,得到多种焦汤系数的影响参数及因素,确定并分析各因素与焦汤系数之间的关系,绘制出各种影响因素条件下的节流出口压力—温度曲线及焦耳—汤姆逊系数曲线。     

关于注CO_2井井筒温度场的模型研究

注二氧化碳提高采收率是一种很具潜力的增油措施,在注入二氧化碳的过程中由于地层和井筒内存在温差,热量会由地层向井筒内传递。主要以注二氧化碳井筒温度场计算模型-注二氧化碳井井筒瞬态温度-压力耦合模型的演变方式为研究目标。     

钻井过程中井筒温度分布影响建模研究

为掌握钻井过程中的井筒温度分布规律。建立了直井钻井过程中井筒和地层瞬态二维传热模型,研究了入口温度、钻井液导热系数和地温梯度对直井井筒温度分布的影响,实验结果表明,环空内钻井液和钻柱内钻井液温差最大在井筒温度等于地层温度处;入口温度影响井口附近井筒温度,但井深增加后地温影响更大;钻井液密度增加,井筒上部温差增大;钻井液导热系数增加,井筒上部环空内温度降低,下部升高。模型计算结果与现场温度数据吻合度高,最大相对误差仅为1.65%和0.79%,表明模型有效可靠,可为钻井作业提供指导。     

液态CO_2措施井温度分布模型建立及应用

对于CO2驱、吞吐、气举井来说,准确预测井筒内流体的温度分布情况对于方案设计和参数优化至关重要。本文全面分析了低温液态CO2与地层及井筒流体以传导、辐射、对流形式的换热情况,并且综合考虑了注入速度、注入时间等参数的变化对井筒内流体温度分布规律的影响,最终提出预测注入CO2井井筒温度分布的计算方法,并实现程序化。以F18-138注入井实测数据为例加以验证,证实了该计算方法完全能满足工程精度要求,在此基础上预测了SS1-4天然气井CO2气举井筒流体温度分布情况。     

胶料热物性对微波加热硫化温度场的影响

采用闪光导热分析仪和差示扫描量热仪对异戊橡胶(IR)在硫化过程中的热物性参数进行测量,得出热导率和比热容随温度的变化规律。同时采用ANSYS有限元分析软件对IR进行三维建模,并对其微波加热硫化过程进行数值模拟,得到热导率和比热容恒定或随温度变化等4种情况下胶料内部的焦耳热密度分布和温度分布。结果表明,热导率变化对胶料温度分布影响不大,而比热容变化的影响较大。     

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能影响

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能有重要影响,通过改变不同冷却水流量和冷却水温度,研究了冷却水参数对钠钾合金热管传热性能的影响规律。实验结果表明,钠钾合金热管运行于较低冷却水流量（4~18 ml·s^-1）的冷却条件时,流量对热管冷凝段外壁面的温度影响很大,而当热管运行于较高冷却水流量的冷却条件时,冷却水流量对热管外壁面温度影响较小。整体而言,增大冷却水流量可以有效地提高钠钾合金热管的传热量及其传热性能。当热管运行于较大冷却水流量的冷却条件时,冷却水温度的变化对热管传热性能影响较小。     

纳米流体热管启动过程的试验研究

对Al2O3-水、CuO-水和SiO2-水3种纳米流体热管进行测试,给出了这3种纳米流体热管启动过程的温度分布,并与水热管进行比较。结果表明,纳米流体热管启动方式为均匀启动;与水热管相比,其加热段启动温度降低,启动时间缩短;加热段和冷凝段的温差相比水热管降低了2~5℃;加热段长度对其启动过程影响较小。     

蒸发式冷凝器管外水膜流动实验研究

研究蒸发式冷凝器传热传质性能时,涉及到管外喷淋水在管表面的分布形式和喷淋水与空气间的对流传热传质等问题。文内建立了蒸发式冷凝器管外水膜流动的可视化测试实验平台,采用高速摄像仪分析了喷嘴对管外水膜分布的影响,同时测试了时间、风量、水量、高度等参数对水膜温度分布的影响。结果表明,喷嘴B能获得更好的水膜分布效果,蒸发式冷凝器有一个最佳喷淋水量,其换热过程主要是由循环冷却水的显热换热和蒸发换热交替占主导作用构成的,在稳定操作条件下运行一段时间后水盘中的水温能保持较好的恒定。     

薄膜蒸发器温度场及膜内给热系数的数值模拟

应用CFD软件CFX4.4建立了薄膜蒸发器内水及粘性料液的传热计算模型,获得了沿轴向及膜厚方向的液膜平均温度分布,计算了各参数下加热段液膜内给热系数a. 结果表明,进料量及搅拌转速对各料液液膜温度分布及膜内给热系数影响显著. 不同粘度料液在不同操作条件下均存在同一最佳进料量,此时圈形波内截面平均速度 达到最大值, 相应的膜内给热系数a也达到最大值. 高转速或最佳进料量下,纯物质水流动边界层与膜厚之比及温度边界层与膜厚之比均最小,流动边界层与温度边界层存在内在联系. 传递边界层厚度严重影响液膜内温度分布及给热系数. 本研究各工况下,粘性料液尚未形成明显的温度边界层.     

新型换热表面硫酸腐蚀特性的数值预测

低温腐蚀是造成换热设备失效并降低其经济性的重要原因。基于汽液平衡理论和多组分扩散影响数值模拟了不同换热管管壁表面及翅片表面酸露点温度和酸蒸气、水蒸气冷凝沉积速率等影响低温腐蚀的相关因素,数值预测了换热表面局部酸露点温度,为换热器精细设计提供指导。结果表明,燃料类型、飞灰颗粒和翅片结构均会对换热表面酸露点温度造成不同程度影响。燃料类型决定烟气成分和燃烧温度,对酸露点温度影响较大;烟气中飞灰颗粒的存在会降低酸露点温度;翅片结构能够改变周围烟气速度,影响酸露点温度和壁面上酸蒸气、水蒸气冷凝沉积速率。基于以上数值研究提出丁胞和矩形纵向涡复合H型翅片结构可降低壁面上烟气酸露点温度,降低酸蒸气、水蒸气冷凝沉积速率。     

过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响

将孔径为20 nm的陶瓷膜组装制成膜冷凝器,在水蒸气-空气形成的模拟体系中,采用去离子水作为冷却介质,开展了传递膜冷凝技术在烟气除湿和工业余热综合应用方面的研究。考察了空气流量、冷却水流量、进气温度和冷却水温度对陶瓷内膜和外膜过程通量的影响,并比较了两者水热回收性能。结果表明,过程通量均随进气流量和进气温度的增大而增加。随着冷却水流量的增大,过程通量也不断增加,但是冷却水流量达到一定值后,过程通量基本不再变化。冷却水温度对过程水通量的影响较小,但是热通量对冷却水温度的改变较敏感。冷却水流量的变化对陶瓷外膜的过程通量影响更加显著,表明陶瓷外膜水热回收过程更易受流体边界层的影响。在各实验工况范围内,陶瓷内膜和外膜分别具有更高的热通量和水通量,采用陶瓷膜过程的水通量和热通量最高分别可达到23.1 kg·m^-2·h^-1和47.5 MJ·m^-2·h^-1。随着传递膜冷凝技术开发和研究的不断深入,该技术在除湿和工业余热综合应用领域有着广阔的发展空间,将为我国节水、节能以及环境保护等领域的发展提供新的解决思路。     

The direct experimental observation and solidification mechanism of heavy metals in blast furnace slag glass-ceramics

Glass-ceramics with high performance and high crystallinity was produced using rare earth blast furnace slag (REBFS) as the primary raw material, along with composite nucleating agents Fe₂O₃ and Cr₂O₃. The migration pattern, distribution characteristics, and solidification properties of heavy metals in glass-ceramics were investigated by the controlled heat treatment. The findings indicated that the heat treatment temperature has a significant effect on the distribution and color of heavy metals in glass-ceramic. In the crystallized glass-ceramic, spinel acts as the crystal core for heavy metal solidification, Cr, Cu, and Mn can exist stably in the spinel by the solid solution. The glass-ceramic was expected to be used as a decorative building material.     

平板微热管阵列-泡沫铜复合结构相变蓄热装置蓄放热特性

相变蓄热技术是节能减排的一个重要手段,在太阳能利用、余热回收和电力削峰填谷等领域发挥重要的作用。设计了以平板微热管阵列-泡沫铜复合结构为基础,多孔扁管为载热流体通路,水为载热介质,石蜡为相变材料的热管式蓄热装置。通过实验研究了蓄放热过程中装置内部石蜡的温度分布情况,不同载热流体温度和流量下的蓄放热功率变化,以及装置蓄放热效率等特性。实验结果表明,平板微热管阵列-泡沫铜复合结构可以使箱体内石蜡温度分布更加均匀;增加载热流体和相变材料的温差以及增大流量都可以提高蓄放热功率。实验条件下,该装置的最大蓄热功率为1.24 kW,最大放热功率为1.43 kW。装置蓄热效率为92%,放热效率为94%,总效率为87.4%。     

A multi-function compact fuel reforming reactor for fuel cell applications

A multi-function compact chemical reactor designed for hydrocarbon steam reforming was evaluated. The reactor design is based on diffusion bonded laminate micro-channel heat exchanger technology. The reactor consists of a combustor layer, which is sandwiched between two steam reforming layers. Between the two function layers, a temperature monitor and control layer is placed, which is designed to locate the temperature sensors. The combustor layer has four individually controlled combustion zones each connected to a separate fuel supply. The reactor design offers the potential to accurately control the temperature distribution along the length of the reactor using closed loop temperature control. The experimental results show that the variance of temperature along the reactor is negligible. The conversion efficiency of the combustor layer is approximately 90%. The heat transfer efficiency from combustion layer to reforming layers is 65-85% at 873 K and 673 K, respectively. The heat transfer rate to the reforming layers is sufficient to support a steam reformation of propane at a rate of 0.7 dm³/min (STP) with a steam to carbon ratio of 2 at 873 K.