混合气体水合物结晶生成过程及其反应速度的实验研究

    0 引言

    由于大多数制冷剂与水相互作用时能在5~12℃条件下形成气体水合物,其相变温度与空调工况相适应,且结晶反应热与水结冰相当,1982年美国人首先提出采用氟里昂气体水合物作为空调蓄冷介质[1]。其后在美日等发达国家迅速形成所谓/气体水合暖冰0蓄冷技术。由于CFC类物质受到全球环境保护和使用控制的挑战,CFC替代物的气体水合蓄冷材料的研究也提到了议事日程。20世纪80年代末人们开始对CFC的几种替代物的气体水合物进行了研究。90年代以来,中国科学院广州能源研究所展开了新型气体水合蓄冷材料及蓄冷技术的研究[2~5]。在研究中发现,气体水合物生成过程不同阶段有着不同的特征[6],其影响因素不尽相同,且各阶段也相互联系、相互影响。如何控制这些影响因素使气体水合反应在适宜的温度下进行,并获得最佳水合反应速率,这是 *国家自然科学基金资助项目(编号59836230)将气体水合物应用于空调蓄冷的基础性关键。本文将通过实验研究对气体水合物的结晶生成速度的各种影响因素进行探讨。

    1 实验装置及实验过程

    气体水合物生成过程实验是在气体水合反应特性测试台上进行的,其装置如图1所示,气体水合反应器(与文献[6]所述相同)由一圆柱型密闭不锈钢筒组成,圆筒的前后端板由视镜玻璃做成,便于观察气体水合物的生成。视镜和筒体之间用法兰联结,筒内容积为0.14 L。反应器内的温度由铂电阻温度传感器测量,HP3054A数据采集仪每隔15 s自动采集一次,由计算机记录、存盘、打印输出。水合反应器通过曲柄连杆机构被调速电机带动,转动角度为15b,改变电位,可调节电机的转速。转速由测速仪测定。

    实验过程如下:

    ①设定不同的水浴温度,固定转速和HCFC141b/HFC152a的比例,当反应器一放入恒温水浴中,就开始记录结晶过程中的温度。

    ②调节电位器,改变至另一转速。此时保持水浴温度和HCFC141b/HFC152a的比例不变,记录结晶过程中的温度。

    ③不断增加HFC152a的比例,固定转速及水浴温度,记录结晶过程中的温度。

    ④加入表面剂,记录结晶生成过程中的温度。

    2 水合物结晶生成速度的确定

    在水合物的结晶生成过程中,整个反应系统与外界冷却介质进行热量交换。由于反应器中介质受较强的扰动混合,而且反应器的金属壁较薄,可假定:①铂电阻测出的反应器中心温度代表整个水合反应介质的温度;②反应器器壁温度是均匀的;③对于相同的扰动条件,反应器内外壁面处的表面传热系数在结晶生成过程中分别为一定数,且近似于水的表面传热系数;④在结晶生成过程中(除生成反应后期)反应器内壁无冻结物。