陈文胜,　潘长虹

(黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022)



瞬态热线法测定瓦斯水合物导热系数

陈文胜,潘长虹

(黑龙江科技大学 安全工程学院, 哈尔滨 150022)

为研究瓦斯水合物的热量传递机理,基于瞬态热线法原理,建立一套实验设备对瓦斯水合物及纯甲烷水合物的导热系数进行了测试。结果表明,实验所选瓦斯气体生成水合物的导热系数与甲烷水合物导热系数均随温度的升高而升高。该研究从瓦斯水合物的热物性因素方面论证了对煤矿抽采瓦斯进行水合固化分离后以NGH(水合物储运)形式进行储运的可行性。

导热系数; 瓦斯水合物; 瞬态热线法

0　引　言

瓦斯水合固化过程是吸附放热过程,这就要求将其产生的反应热及时传递出去以提高瓦斯水合物的生成速率;并且在以水合物形式储运瓦斯的过程中,瓦斯水合物的分解也需要吸收热量。因此,有必要开展瓦斯水合固化、储运过程的温度分布及热量传递机理研究。从导热的基本定律Fourier定律q=-λgradt来看,开展瓦斯水合物的热量传递机理研究,瓦斯水合物的导热系数是必需的热物性参数。导热系数是各种物体最基本也是最重要的热物性参数,它不仅是评价材料热学特性的依据,也是材料设计应用的一个依据。因为材料的导热系数不仅随温度、压力变化,还明显受材料的杂质含量、结构变化的影响,所以在科学实验和工程技术中常用实验的方法测定材料的导热系数,根据傅里叶定律[1]有

(1)

绝大多数材料的导热系数值都根据式(1)通过实验测得。实验测定方法分为两大类:稳态法和非稳态法。稳态法,先用热源对测试样品进行加热,并在样品内部形成稳定的温度分布后,用热电偶测出其温度,进而求出物质导热系数的方法。温度场稳定需要较长时间,因此测定时间较长。相比稳态法,非稳态法则具有测试快速、时间短、准确等优点[2]。在1930年被用来测定某些气体及液体的导热系数的瞬态热线法[3],是非稳态法的一种,它速度更快、精度更高。近年来,又有学者将该方法应用于测定水合物的导热系数[4]。但目前,大多数是测定的天然气水合物的导热系数,而瓦斯水合物的导热系数很少有测定的,因此,文中基于瞬态热线法原理,建立了一套实验设备对瓦斯水合物的导热系数进行测试。

1　实　验

1.1实验原理

瞬态热线法以无限大介质中的径向一维非稳态导热问题为理论基础:设一根半径为r的无限长金属线源竖直地插入被测物体中,当给线源施加恒定的热流q时,在金属线源和物体介质间引起耦合的径向一维非稳态导热。假设线源的导热系数无限大,热容量近似为零,则所测物质的导热系数

λ=(q/4π)/[dT/d(lnt)]。

式中:q——单位长度的热流量,W/m2;

T——温度,K;

t——通电时间,s。

在瞬态热线法的实验原理基础上,参考他人研究,特做了用于实验测试的热针。将热针插入被测物质中,给热针内金属丝通入稳定的电流,这样热针测量时的温度分布导热微分方程为

(2)

最初时刻,被测物质和线源二者处于热平衡状态,稳定的电流提供恒定的热流,式(2)导热微分方程的解为

(3)

式中:θ——温升,K;

l——线源到某点的距离,m;

T0——初始温度,K;

Ei——指数积分。

Ei的表达式为

Ei(-x)=c+lnx-O(x2),

(4)

当x的值较小时,式(4)可表示为

Ei(-x)=c+lnx。

(5)

联合式(3)和(5)可得

取：t=t1,T=T1;t=t2,T=T2；则

即

λ=(q/4π)/[dT/d(lnt)]。

(6)

1.2实验装置

测试瓦斯水合物导热系数的实验装置如图1所示,该装置主要由恒温控制箱、水合反应器和数据采集系统等组成。

该测试装置的优点主要为:

(1)导热系数的测量过程本身就是热量传递的过程,测量过程中的信号与铂丝传感器温度密切相关,因此将高压反应釜(即瓦斯水合反应器)放入高低温恒温控制箱内,以保证热针的初始热平衡状态稳定,使测出来的数据准确可靠。

(2)高低温恒温温控系统能快速和精确控制温度(控温范围-15～60 ℃,控温精度0.1 ℃)，满足测试高精度要求。

(3)数据采集系统能实时采集、存储测试数据。

(4)该系统不但能测试瓦斯水合物导热系数,还可对瓦斯水合物的生成与分解进行模拟分析,方便瓦斯水合物生成与分解过程热量传递机理的研究。

1.3实验方法与条件

将恒温箱设定某个温度,当瓦斯水合物生成并且温度达到稳定后,给金属丝通入一恒定电流,同时启动计时器,记录热针壁温度随时间的变化,根据式(6)计算出生成瓦斯水合物的导热系数。

瓦斯气体成分为:CH485%,N27%,O23%,CO25%。采用体积分数为99.99%的纯甲烷作瓦斯气体的对照实验。实验气体购自哈尔滨黎明气体有限公司。反应的初始温度、压力条件为:0 ℃,4 MPa。

2　结果与讨论

文中先后对纯甲烷、所选瓦斯气体生成的水合物的导热系数进行测试,结果见图2。实验测出的纯甲烷水合物的导热系数约为0.56 W/(m·K),和大多数的研究结果基本相符,证明该实验方法和装置是可行的。水合物的导热特性与其结构有关[5],甲烷水合物是Ⅰ型结构,该成分瓦斯气体生成的水合物也为Ⅰ型结构,该次实验所测二者的导热系数也基本相符,从而支持了该方法测试瓦斯水合物导热系数可行的观点。从图2可知,瓦斯气体生成水合物的导热系数随温度的升高呈增大趋势,与甲烷水合物导热系数随温度的变化关系一致;不过二者相比,瓦斯水合物导热系数随温度增大的趋势较甲烷水合物的明显。

图2　纯甲烷、瓦斯水合物导热系数

Waite等[6]测量了冰和甲烷水合物的导热系数,-10 ℃下,甲烷水合物的导热系数0.49 W/(m·K)远小于冰的导热系数2.23 W/(m·K),且比普通的保温材料的导热系数(0.02～3.00 W/(m·K))还低。从热量传递定律可知,在相同的环境温度下,导热系数小的物质若进行分解,需要的时间较长,所以瓦斯水合物能长时间的保存而分解量很小,这从瓦斯水合物的热物性因素方面支持了对煤矿抽采瓦斯进行水合固化分离后以NGH(水合物储运)形式进行储运可行的观点。现已证实,天然气水合物可在常压、-15 ℃的条件下稳定存在15 d[7]。国内大部分煤炭企业地处偏远山区,居中心城市较远,限制了管道运输瓦斯,而瓦斯水合物导热系数小,能长时间保存,采用NGH方式用车、船运输瓦斯,具有较高的灵活性和经济性。因此,应用水合物技术对瓦斯进行处理与储运,无疑会为煤层气工业的发展注入新的生机。

3　结　论

(1)实验测出纯甲烷的导热系数和大多数的研究结果基本相符,证明该实验方法和装置测定瓦斯水合物导热系数是可行的。

(2)实验所测瓦斯水合物的导热系数与甲烷水合物导热系数随温度的变化关系一致,随着温度的升高而增大。

(3)从瓦斯水合物的热物性因素方面论证了对煤矿抽采瓦斯进行水合固化分离后以NGH(水合物储运)形式进行储运的可行性。

[1]张兴中, 黄文, 刘庆国. 传热学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011.

[2]WAKEHAM W A, NAGASHIMA A, SENGERS J V. Measurement of the transport properties of fluids[M]. London: Blackwell Scientific Publications, 1991: 163-188.

[3]ASSAEL M J, ANTONIADIS K D, WAKEHAM W A.Historical evolution of the transient hot-wire technique[J]. International Journal of Thermophysics, 2010, 31(6): 1051-1072.

[4]刘爱贤, 李亮, 郭绪强. 水合物导热系数的测定[J]. 石油化工高等学校学报, 2011, 24(5): 6-9.

[5]黄犊子, 樊栓狮, 梁德青, 等. 水合物合成及导热系数测定[J]. 地球物理学报, 2005, 48(5): 1125-1131.

[6]WAITE W F, PINKSTON J, KIRBY S H, et al. Preliminary laboratory thermal conductivity measurements in pure mathane hydrates and methane hydrate-sediment mixtures[C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Gas Hydrate. Yokohama: The 4th ICGH crganization committee, 2002: 728-733.

[7]陈光进, 孙长宇, 马庆兰. 气体水合物科学与技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

(编辑王冬)

Measurement of thermal conductivity of gas hydrate with transient hot-wire method

CHENWensheng,PANChanghong

(School of Safety Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is an effort to study the heat transfer mechanism of gas hydrate by developing an experiment apparatus based on the principle of transient hot-wire method in order to measure thermal conductivity of methane hydrate and gas hydrate. The results show an increase in the thermal conductivity of the selected gas hydrate formation and methane hydrate due to the increasing temperature. From the aspects of thermal factors of gas hydrate, the study verifies the feasibility of gas storage and transportation in the form of NGH(natural gas hydrate) following the hydration solidification and separation of coal mine gas.

thermal conductivity; gas hydrate; transient hot-wire technique

2013-02-22

国家自然科学基金项目(51174264)

陈文胜(1977-),男,河南省开封人,讲师,硕士,研究方向:煤矿瓦斯治理,E-mail:cwshk@126.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.008

TD712

1671-0118(2013)03-0251-03

A