HCFC-141b水合物漿流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

王武昌 李玉星 樊栓獅 梁德青

(1中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)建學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)工程系 青島 266555)

(2華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

(3中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640)

HCFC-141b水合物漿流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

王武昌1李玉星1樊栓獅2梁德青3

(1中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)建學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)工程系 青島 266555)

(2華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

(3中國科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640)

利用實(shí)驗(yàn)環(huán)道進(jìn)行了水合物顆粒體積分?jǐn)?shù)為0到70%的HCFC-141b水合物漿的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在固相體積分?jǐn)?shù)小于28.5%時(shí)，管道中水合物呈稀漿狀，漿體為牛頓流體;當(dāng)固相體積分?jǐn)?shù)大于37.5%時(shí)，管道中水合物呈泥狀，漿體為Bingham流體。回歸了泥狀水合物的屈服應(yīng)力及表觀粘度，并根據(jù)水合物漿的流動(dòng)特性分段回歸了水合物漿在管道中流動(dòng)的壓降計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明回歸的計(jì)算公式可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算管道中水合物漿流動(dòng)的壓降，可以為制冷系統(tǒng)HCFC-141b水合物的流動(dòng)及其它水合物漿的流動(dòng)提供指導(dǎo)。

HCFC-141b 水合物漿 流動(dòng)特性 流變性 壓降

1 引言

一氟二氯乙烷(CH3CCl2F，HCFC-141b)作為一種制冷劑，與水不互溶，密度比水大，可以與水形成II型水合物，是理想的油替代物，因此常被用來作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)研究管道中水合物漿的流動(dòng)特性［1-3］。另一方面利用HCFC-141b水合物漿作為相變材料的制冷系統(tǒng)目前也越來越得到重視［4］，對(duì)于兩種應(yīng)用領(lǐng)域，目前都缺乏針對(duì)這種系統(tǒng)的水合物漿流動(dòng)特性的研究［5-8］。因此本文選擇HCFC-141b作為介質(zhì)來研究水合物漿的流動(dòng)特性及流變性，為采用水合物漿的制冷系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及進(jìn)一步研究天然氣水合物漿在管道中的流動(dòng)特性研究提供一些參考。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括一套低壓環(huán)道系統(tǒng)，如圖1所示。環(huán)道系統(tǒng)主要由磁力泵、原料罐、緩沖罐、螺旋流量計(jì)、管道、溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中管道包括水平部分、局部低凹段(C)以及立管(E)3種管道形態(tài)，而且包含一段透明管(D)，用于觀察。管道為不銹鋼管，內(nèi)徑42 mm、長30 m。系統(tǒng)可以模擬水平管道、地形低凹管段以及立管內(nèi)的正常流動(dòng)、停輸以及停輸后再啟動(dòng)等不同工況下的水合物流動(dòng)情況。

圖1 環(huán)道系統(tǒng)流程示意圖1.原料儲(chǔ)罐;2.磁力泵;3.流量計(jì);4.緩沖罐;5.差壓傳感器;6.排水閥;7.壓力傳感器;8.溫度傳感器;A.支路;B.流量計(jì)支路;C.局部低凹段;D.透明段;E.垂直段。Fig.1 Schematic diagram of flow loop

整個(gè)環(huán)道系統(tǒng)放置于低溫室中，低溫室可以維持在設(shè)定的低溫條件，模擬室外的低溫環(huán)境。低溫室降溫范圍-40℃—(40±0.5)℃。實(shí)驗(yàn)中選用的試劑為工業(yè)級(jí)的HCFC-141b，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%，實(shí)驗(yàn)用水為自來水。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)根據(jù)設(shè)定的比例在原料罐中加入自來水和HCFC-141b，然后啟動(dòng)低溫室開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降溫。待低溫室溫度降到設(shè)定的溫度時(shí)，啟動(dòng)泵，以較小的流量運(yùn)行，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行降溫。

在通過取樣判斷出水合物漿達(dá)到配制的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，進(jìn)行水合物漿的不同流速下的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)下水合物漿的流動(dòng)特性;之后增加HCFC-141b量，完全生成水合物后進(jìn)行下一體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)體積分?jǐn)?shù)從5%開始，逐漸增大管道中水合物體積分?jǐn)?shù)，直至管道堵塞，各體積分?jǐn)?shù)下流速從0.5 m/s逐漸增大到3.6 m/s。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中維持環(huán)境溫度不變，管道內(nèi)水合物漿體在實(shí)驗(yàn)過程中基本穩(wěn)定，始終低于HCFC-141b水合物的平衡溫度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

水合物固體含量(φh)對(duì)水合物漿的流動(dòng)特性有著決定性的作用，因此水合物漿中固相含量的確定非常重要。本文采用一種傳統(tǒng)的取樣分析方法來測量水合物固相含量。首先從管道中取樣，然后將樣品分解，并采用蒸餾的方法分離水和HCFC-141b。根據(jù)兩者的質(zhì)量mw和mx，采用式(1)計(jì)算固相含量［8］:

式中:mh為樣品中水合物的質(zhì)量，mwh為生成水合物消耗的水的質(zhì)量，兩者都可以根據(jù)兩種水合物的水合物數(shù)由mx計(jì)算得到。有一點(diǎn)必須指出，在采用式(1)計(jì)算水合物漿的固相含量時(shí)，是假設(shè)管道中全部的HCFC-141b都轉(zhuǎn)化成水合物，這一點(diǎn)可以通過延長實(shí)驗(yàn)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)管道中的溫度，壓力等參數(shù)以及取樣觀察等多種手段都判斷水合物轉(zhuǎn)化完全時(shí)才進(jìn)行取樣分析。

3.1 管道中水合物漿的流動(dòng)壓降

水合物漿在管道中流動(dòng)，流動(dòng)的壓降主要取決于漿體的流速、介質(zhì)特性、管道的特性等因素，由于管道的特性，包括管道內(nèi)壁的粗糙度、管徑、地形起伏等，相對(duì)來說比較固定，此次研究針對(duì)建設(shè)的環(huán)道，沒有作詳細(xì)的分析，主要分析了流速和水合物漿中固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓降的影響。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了不同水合物體積含量下漿體的流動(dòng)特性研究。

對(duì)于水合物體積含量固定的漿來說，壓降的最大影響因素就是漿的流速。管道中壓降梯度與流速的關(guān)系如圖2所示。圖2中給出了各個(gè)水合物體積含量的流速對(duì)壓降的影響曲線。其中0%對(duì)應(yīng)的是沒有水合物生成時(shí)，HCFC-141b和水組成的液液兩相流動(dòng)的壓降與流速的關(guān)系。而68%對(duì)應(yīng)的是此次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行的最大的水合物體積含量的漿的流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在管道中水合物體積含量接近70%時(shí)，漿體的流動(dòng)不再連續(xù)，會(huì)失去流動(dòng)，堵塞管道。

圖2 不同流速下HCFC-141b水合物漿流動(dòng)壓降與固相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.2 Pressure drops as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry in pipeline at different mean velocity

與其它流體類似，HCFC-141b水合物漿流動(dòng)的壓降梯度隨著流速的增大而增大，然而壓降梯度與水合物體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系則呈現(xiàn)分段的性質(zhì):對(duì)于每一個(gè)固定的平均流速，水合物體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓降梯度的影響可以分為3段:當(dāng)體積分?jǐn)?shù)小于28.5%時(shí)，水合物漿的壓降梯度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大;而在28.5%—37.5%之間，是一個(gè)轉(zhuǎn)折區(qū)，水合物漿的壓降隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而減小;當(dāng)漿體積分?jǐn)?shù)大于37.5%后，水合物漿的壓降隨著體積分?jǐn)?shù)的增加再次增加，而且增加的速度加快。轉(zhuǎn)折區(qū)受漿體的流速影響，流速越大，轉(zhuǎn)折區(qū)輕微右移。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中的觀察以及數(shù)據(jù)分析，各個(gè)流速下管道中漿體體積分?jǐn)?shù)介于對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折區(qū)間時(shí)，管道中水合物的形態(tài)正從漿狀水合物向泥狀水合物轉(zhuǎn)變［7］，在形成泥狀水合物之前，由于顆粒在管道中聚集成比較大的顆粒，造成壓降相對(duì)于沒有水合物生成時(shí)有明顯的增加，隨著水合物顆粒的增多，管道中形成泥狀水合物，在這一過程中，顆粒紊亂程度減小，造成管道中的壓降減小，從而造成轉(zhuǎn)折區(qū)的出現(xiàn)，而隨著水合物含量進(jìn)一步增大，漿體的粘度急劇增加，流動(dòng)性能變差，壓降隨著水合物量的增加急劇增大，管道很快被堵塞。

3.2 HCFC-141b水合物漿的流變性分析

隨著管道中水合物含量的增加，水合物漿體的形態(tài)和性質(zhì)在發(fā)生變化，其流變性也隨之變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，在水合物體積分?jǐn)?shù)大于37.5%后，管道中出現(xiàn)泥狀水合物，泥狀水合物在管道中流動(dòng)，在小流速下處于層流狀態(tài)，因此可以根據(jù)層流狀態(tài)的流動(dòng)壓降與流速的數(shù)據(jù)來分析泥狀水合物的流變性。水合物的剪切力與剪切速率分別由式(2)和式(3)計(jì)算得到，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到各種體積分?jǐn)?shù)下水合物漿體的表觀粘度和屈服應(yīng)力的值如表1所示。

表1 HCFC-141b水合物漿體的表觀粘度和屈服應(yīng)力Table 1 Relative viscosity and yield stress of HCFC-141b hydrate slurry

從表1中可以看出，隨著水合物體積分?jǐn)?shù)增大，水合物變稠，流變性變差，表觀粘度和屈服應(yīng)力都增大。在實(shí)際運(yùn)行過程中，水合物漿的表觀粘度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，可以用來分析流動(dòng)特性和壓降的估算，因此本文借鑒Bingham流體的一個(gè)著名的表觀粘度計(jì)算模型，Thomas 模型［2，5］，回歸出 HCFC-141b 水合物漿的表觀粘度計(jì)算公式:

式(4)使用范圍:37.5% ＜φh＜68%。式中:ηB為HCFC-141b泥狀水合物的表觀粘度，×10-3Pa·s，ηL是載體介質(zhì)的表觀粘度，即水的粘度，在2℃—4℃，取1.60×10-3Pa·s?；貧w的曲線與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的比較如圖3所示，回歸的方差為R2=0.989，可以用于估算不同體積分?jǐn)?shù)HCFC-141b水合物漿的表觀粘度。

然而對(duì)于Bingham流體的屈服應(yīng)力，目前還沒有比較好的模型可以借鑒，與其它研究人員類似［2］，采用簡單的多項(xiàng)式對(duì)屈服應(yīng)力進(jìn)行回歸如式(5)所示:

式(5)的使用范圍:37.5＜φh＜68%，式中 τB表示HCFC-141b泥狀水合物的屈服應(yīng)力，Pa。

圖3 HCFC-141b水合物漿的表觀粘度與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relative viscosity as a function of volume concentration of HCFC-141b hydrate slurry

3.3 水合物漿流動(dòng)壓降的計(jì)算

如前文所述，HCFC-141b水合物漿在管道中流動(dòng)時(shí)，壓降主要受到管道內(nèi)平均流速和水合物體積分?jǐn)?shù)的影響，在管道水合物形態(tài)為漿狀水合物時(shí)，水合物體積含量小于37.5%，漿體為牛頓流體;而當(dāng)管道中水合物形態(tài)為泥狀水合物時(shí)，水合物體積含量大于37.5%，則為Bingham流體。下面根據(jù)兩種流體的特性對(duì)水合物漿在管道中流動(dòng)壓降進(jìn)行分析。

3.3.1 漿狀水合物

由于此次實(shí)驗(yàn)中管徑較大，管道中水合物流動(dòng)都處于紊流狀態(tài)，通過分析壓降與流速的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)漿體水合物流動(dòng)時(shí)，各個(gè)體積分?jǐn)?shù)下水合物漿流動(dòng)的壓降梯度的對(duì)數(shù)與流速的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，即:ΔP=Kwn，因此為了便于計(jì)算管道中水合物漿體流動(dòng)時(shí)的壓降，根據(jù)上述分析，提出一個(gè)計(jì)算HCFC-141b水合物漿(φh＜37.5%)流動(dòng)壓降ΔP(Pa/m)的計(jì)算關(guān)系式如式(6)所示:

式(6)使用范圍:0.5 m/s＜w＜3.5 m/s;0＜φh＜37.5%，該式主要表達(dá)了兩個(gè)重要參數(shù)即平均流速和水合物體積分?jǐn)?shù)對(duì)管道中壓降梯度的影響，其它參數(shù)的影響，比如管道的特性等，都包含4個(gè)系數(shù)里面。3.3.2 泥狀水合物

對(duì)于泥狀水合物(φh＞37.5%)，根據(jù)上文進(jìn)行的流變性分析和Bingham流體壓降計(jì)算的公式計(jì)算如下［5］:

根據(jù)達(dá)西公式:

其中f的計(jì)算與管道中介質(zhì)的流態(tài)有關(guān)，分層流和紊流兩種，水合物漿由層流向紊流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)根據(jù)Hanks提出的式(8)計(jì)算。

其中:參數(shù)a由式(9)計(jì)算:

綜上分析:對(duì)于水合物體積分?jǐn)?shù)小于37.5%時(shí)，采用式(6)計(jì)算水合物流動(dòng)壓降;而對(duì)于水合物體積分?jǐn)?shù)大于37.5%的情況，采用式(7)—式(11)計(jì)算水合物流動(dòng)的壓降。為了驗(yàn)證上述提出的計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖4所示。從圖中可以看出，除了體積分?jǐn)?shù)為68%的水合物漿在大流速下的壓降估算偏大外，其它體積分?jǐn)?shù)的水合物漿的壓降估算值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，說明提出的計(jì)算方法可以用于實(shí)際工程中HCFC-141b水合物漿流動(dòng)壓降的估算。

圖4 水合物漿壓降回歸關(guān)系式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of experimental and calculated pressure drops of hydrate slurry

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)環(huán)道中進(jìn)行了HCFC-141b水合物漿在管道中流動(dòng)試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論:

(1)管道生成水合物后，水合物漿的壓降梯度隨著流速的增加而增加;隨水合物體積分?jǐn)?shù)的變化存在一個(gè)臨界體積分?jǐn)?shù)37.5%，當(dāng)管道中的水合物體積分?jǐn)?shù)小于臨界值時(shí)，壓降隨體積分?jǐn)?shù)的增加而出現(xiàn)很小的增加;當(dāng)管道中體積分?jǐn)?shù)大于臨界值時(shí)，壓降梯度隨體積分?jǐn)?shù)的增加急劇增加。

(2)管道中水合物漿體積分?jǐn)?shù)低于臨界體積分?jǐn)?shù)37.5%時(shí)，管道中水合物漿為牛頓流體，而當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于臨界體積分?jǐn)?shù)時(shí)，管道中水合物漿成Bingham流體。

(3)借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Bingham流體特性理論回歸了水合物漿的表觀粘度和屈服應(yīng)力，并藉此提出了HCFC-141b漿在管道中流動(dòng)的壓降計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明計(jì)算模型可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算水合物漿流動(dòng)的壓降變化。

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Study on flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry

Wang Wuchang1Li Yuxing1Fan Shuanshi2Liang Deqing3

(1College of Storage＆Transportation and Architectural Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)
(2Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation，Ministry of Education，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
(3Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China)

The flow behaviors of HCFC-141b hydrate slurry with volume concentration of 0%-70%were studied on the flow loop with a diameter of 42.0 mm and length of 30.0 m.Pressure drops in pipeline were also studied and an exceptional pressure transition zone with hydrate volume concentration between 28.5%and 37.5%was found for the first time.According to experiments，the hydrate slurry with a volume concentration less than 28.5%shows Newton behaviors while the hydrate slurry with a volume concentration larger than 37.5%shows Bingham behaviors.Moreover the yield stress as well as the relative viscosity of the hydrate slurry show Bingham behaviors.At last，relations to estimate the pressure drop of hydrate slurry in pipeline with a volume concentration 0%-68%was presented and verified，which showed a good agreement.

HCFC-141b;hydrate slurry;flow behavior;rheological character;pressure drop

TQ022.4

A

1000-6516(2010)04-0013-05

2010-05-18;

2010-07-29

國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項(xiàng)目(2008ZX05017-004)、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2009FM036)。

王武昌，男，31歲，博士、講師。