[發明專利]超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價裝置及方法

在審

• 申請號: 201810837586.5
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN109030554A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 唐慧瑩;張東旭;張烈輝;雷強
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

1.超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價裝置，其特征在于：包括二氧化碳儲存罐(1)、加熱裝置(3)、恒高溫高壓裝置(8)，所述的二氧化碳儲存罐(1)依次連接加熱裝置(3)、恒速恒壓泵(4)、恒高溫高壓裝置(8)和廢氣回收罐(11)，所述的恒速恒壓泵(4)和恒高溫高壓裝置(8)之間與恒高溫高壓裝置(8)和廢氣回收罐(11)之間均設置有壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)和流量計(7)，所述的裝置還包括計算機系統(12)，壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)和流量計(7)均與計算機系統(12)連接。

2.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價裝置，其特征在于：所述的二氧化碳儲存罐(1)與加熱裝置(3)之間設置有控制閥門一(2)。

3.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價裝置，其特征在于：所述的恒高溫高壓裝置(8)與廢氣回收罐(11)之間設置有控制閥門二(10)。

4.根據權利要求1所述的超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價裝置，其特征在于：所述的恒高溫高壓裝置(8)內設置有巖心夾持器(9)。

5.根據權利要求1～4任意一項所述的超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1、將標準巖心進行壓裂加工，產生人造裂縫，然后測量裂縫的長度與寬度，將其放入巖心夾持器(9)中；

S2、打開恒高溫高壓裝置(8)，使標準巖心進行充分的增壓加熱后，記錄下恒高溫高壓裝置(8)中的壓力與溫度；

S3、打開加熱裝置(3)和恒速恒壓泵(4)，待加熱裝置(3)和恒速恒壓泵(4)中的溫度、壓力穩定后，打開控制閥門一(2)，使二氧化碳儲存罐(1)中的二氧化碳進入實驗流程；

S4、二氧化碳在加熱裝置(3)中加熱，在恒速恒壓泵(4)中增壓后，達到超臨界狀態，經過溫度傳感器(6)、壓力傳感器(5)和流量計(7)計量后，進入恒高溫高壓裝置(8)，與巖心夾持器(9)中的高溫、高壓的裂隙巖心進行充分的熱交換，超臨界二氧化碳攜熱離開恒高溫高壓裝置(8)后，通過溫度傳感器(6)、壓力傳感器(5)、流量計(7)計量后，流入廢氣回收罐(11)；

S5、實驗過程中的壓力、溫度、流量等實驗參數自動采集后匯入計算機系統(12)，利用計算機系統(12)對實驗效果進行分析，計算出超臨界二氧化碳的內能、定壓熱容、定容熱容、熱焓和熱熵熱物性參數。

6.根據權利要求5所述的超臨界二氧化碳在地熱系統中的換熱效率評價方法，其特征在于：計算機系統(12)超臨界二氧化碳熱物性參數計算采用Span-Wagner(SW)模型編程計算，基于Helmholtz自由能建立超臨界二氧化碳熱物性狀態方程，S-W模型采用偏離函數計算法，以理想氣體為參考，并借助亥姆赫茲函數進行實際流體熱物性參數計算，其中Helmholtz自由能由兩部分組成，一部分是理想部分φ0，另一部分是殘余部分φr；

無因次亥姆赫茲自由能：φ(δ,τ)＝φ^o(δ,τ)+φ^r(δ,τ)

由上式構成的基本方程組可導出二氧化碳熱物性參數表達式：

密度：

粘度：粘度計算采用Fenghour^[2]等提出的解析模型計算，粘度的求解基本公式如下式：

μ(ρ,T)＝μ₀(ρ,T)+Δμ(ρ,T)

δ：無因次對比密度；τ：無因次逆對比溫度；ρ：流體密度，單位為kg/m³；T：流體溫度，單位為K；T_c：臨界溫度，單位為K，T_c＝30.957℃為臨界溫度，對應的臨界密度為ρ_c＝467.69kg/m³，臨界壓力P_c＝7.3721MPa；c、b、皆為常數系數，以Helmholtz自由能、超臨界二氧化碳粘度、密度為基礎，即可計算熱容、內能、熱焓等超臨界二氧化碳的熱物性參數。