含高濃度CO2的蒸汽凝結(jié)換熱及其強化傳熱性能研究.pdf

1、近年來,溫室效應已經(jīng)成為全球性的環(huán)境與氣候問題,其中,CO2對溫室效應的貢獻占70％左右。雖然近年來可再生能源得到一定程度的開發(fā)利用,但在未來數(shù)十年內(nèi)全球仍將依賴于化石燃料。因此,政府間氣候變化委員會(IPCC)提出利用碳捕捉與封存技術(CCS)緩解溫室氣體的排放。而為達到埋藏要求,在對CO2進行捕集后必須進行分離提純。無論是對于發(fā)展較為成熟的胺吸收分離法,還是具有經(jīng)濟性優(yōu)勢的鈣基吸收劑分離法,都需要對CO2與水蒸氣的混合蒸氣進行進一步

2、的分離提純。因此,研究含高CO2濃度的蒸汽的冷凝換熱特性,對提純CO2具有重要應用價值。
　　本文建立了CO2-水凝結(jié)換熱實驗系統(tǒng),對豎直表面和水平圓管外不同CO2質(zhì)量濃度的CO2-水混合蒸氣在不同蒸汽流速條件下,進行了膜狀凝結(jié)換熱實驗。結(jié)果表明:混合蒸氣在豎直表面的凝結(jié)換熱過程中,隨著CO2質(zhì)量濃度的增加,凝結(jié)換熱系數(shù)和熱流密度逐漸降低;在不同蒸汽流速下,存在一濃度分界值,在低于該濃度區(qū)間內(nèi),凝結(jié)換熱特性隨過冷度變化劇烈;超過這

3、一濃度值后凝結(jié)換熱曲線的變化趨勢減緩:混合蒸氣流速為0.4m/s工況下為64.2%,升至0.8m/s和1.2m/s后,這一CO2濃度值為75%左右。根據(jù)Fujii二元蒸汽凝結(jié)換熱模型計算得到氣膜/液膜傳熱熱阻比值、氣-液界面溫度等參數(shù)隨過冷度的變化曲線對冷凝換熱過程進行了進一步解釋說明。
　　對21組實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到了包括CO2質(zhì)量濃度以及表面過冷度因素在內(nèi)的實驗關聯(lián)式,其預測值與實驗值的誤差在±20%以內(nèi),并且含CO2的蒸

4、汽的凝結(jié)換熱系數(shù)h0與過冷度呈一定的關系,流速為0.43m/s時,凝結(jié)換熱系數(shù)ho與過冷度ΔT0.55成反比;流速為0.74m/s時,凝結(jié)換熱系數(shù)ho與過冷度ΔT0.47成反比;流速為1.2m/s時,凝結(jié)換熱系數(shù)ho與過冷度ΔT0.43成反比。通過比較豎壁表面與水平圓管外冷凝換熱特性發(fā)現(xiàn):水平管外凝結(jié)換熱系數(shù)曲線與豎壁表面凝結(jié)換熱系數(shù)曲線存在相交點,在低過冷度時,水平管外凝結(jié)換熱系數(shù)低于豎壁表面,在高過冷度時,水平管外凝結(jié)換熱系數(shù)高于豎

5、壁表面。相交點過冷度隨CO2濃度的增加以及混合蒸氣流速的增大而減小。
　　進行了CO2-水混合蒸氣在不銹鋼V形縱槽表面進行了凝結(jié)換熱實驗研究。結(jié)果表明,CO2質(zhì)量濃度在80%~94%范圍內(nèi),兩V形縱槽表面的凝結(jié)換熱特性均優(yōu)于光滑平板。1*2mm縱槽冷凝表面的凝結(jié)換熱系數(shù)比平板提高了8.51%~15.4%。在20%~94%濃度范圍內(nèi),1*2mm冷凝特性均優(yōu)于0.5*1mm冷凝塊,所以適當增加肋片的高度和肋間距在一定程度上可以強化冷凝

6、傳熱過程。
　　通過制備TiO2-FPS復合疏水表面、以及采用電沉積方法在黃銅冷凝塊表面嫁接碳鏈制備超疏水表面,可以使凝結(jié)表面產(chǎn)生疏水效果,實現(xiàn)珠狀凝結(jié)特性,但是由于單分子層在較高溫度和蒸汽流速的作用下易脫落,難以實現(xiàn)穩(wěn)定的實驗工況。對不銹鋼表面進行鍍金處理后,對含高濃度 CO2的蒸汽進行凝結(jié)換熱實驗發(fā)現(xiàn):混合蒸氣的凝結(jié)換熱特性與凝結(jié)形態(tài)相關,當凝結(jié)液量較大時,部分區(qū)域由于液珠的聚集,長期覆蓋一層液膜,平均凝結(jié)換熱系數(shù)比膜狀凝結(jié)提