[发明专利]超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价装置及方法

权利要求书

1.超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价装置，其特征在于：包括二氧化碳储存罐(1)、加热装置(3)、恒高温高压装置(8)，所述的二氧化碳储存罐(1)依次连接加热装置(3)、恒速恒压泵(4)、恒高温高压装置(8)和废气回收罐(11)，所述的恒速恒压泵(4)和恒高温高压装置(8)之间与恒高温高压装置(8)和废气回收罐(11)之间均设置有压力传感器(5)、温度传感器(6)和流量计(7)，所述的装置还包括计算机系统(12)，压力传感器(5)、温度传感器(6)和流量计(7)均与计算机系统(12)连接。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价装置，其特征在于：所述的二氧化碳储存罐(1)与加热装置(3)之间设置有控制阀门一(2)。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价装置，其特征在于：所述的恒高温高压装置(8)与废气回收罐(11)之间设置有控制阀门二(10)。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价装置，其特征在于：所述的恒高温高压装置(8)内设置有岩心夹持器(9)。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、将标准岩心进行压裂加工，产生人造裂缝，然后测量裂缝的长度与宽度，将其放入岩心夹持器(9)中；

S2、打开恒高温高压装置(8)，使标准岩心进行充分的增压加热后，记录下恒高温高压装置(8)中的压力与温度；

S3、打开加热装置(3)和恒速恒压泵(4)，待加热装置(3)和恒速恒压泵(4)中的温度、压力稳定后，打开控制阀门一(2)，使二氧化碳储存罐(1)中的二氧化碳进入实验流程；

S4、二氧化碳在加热装置(3)中加热，在恒速恒压泵(4)中增压后，达到超临界状态，经过温度传感器(6)、压力传感器(5)和流量计(7)计量后，进入恒高温高压装置(8)，与岩心夹持器(9)中的高温、高压的裂隙岩心进行充分的热交换，超临界二氧化碳携热离开恒高温高压装置(8)后，通过温度传感器(6)、压力传感器(5)、流量计(7)计量后，流入废气回收罐(11)；

S5、实验过程中的压力、温度、流量等实验参数自动采集后汇入计算机系统(12)，利用计算机系统(12)对实验效果进行分析，计算出超临界二氧化碳的内能、定压热容、定容热容、热焓和热熵热物性参数。

6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳在地热系统中的换热效率评价方法，其特征在于：计算机系统(12)超临界二氧化碳热物性参数计算采用Span-Wagner(SW)模型编程计算，基于Helmholtz自由能建立超临界二氧化碳热物性状态方程，S-W模型采用偏离函数计算法，以理想气体为参考，并借助亥姆赫兹函数进行实际流体热物性参数计算，其中Helmholtz自由能由两部分组成，一部分是理想部分φ0，另一部分是残余部分φr；

无因次亥姆赫兹自由能：φ(δ,τ)＝φ^o(δ,τ)+φ^r(δ,τ)

由上式构成的基本方程组可导出二氧化碳热物性参数表达式：

密度：

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

μ(ρ,T)＝μ₀(ρ,T)+Δμ(ρ,T)

δ：无因次对比密度；τ：无因次逆对比温度；ρ：流体密度，单位为kg/m³；T：流体温度，单位为K；T_c：临界温度，单位为K，T_c＝30.957℃为临界温度，对应的临界密度为ρ_c＝467.69kg/m³，临界压力P_c＝7.3721MPa；c、b、皆为常数系数，以Helmholtz自由能、超临界二氧化碳粘度、密度为基础，即可计算热容、内能、热焓等超临界二氧化碳的热物性参数。