HCFC-141b制冷剂气体水合物生长过程的形态

    引 言

    气体水合物是指气体或易挥发的液体在一定温度下(一般高于冰点温度)被水分子环绕,通过van der Waals力与水结合而形成的包络状晶体.制冷剂气体水合物晶体在5~12℃之间形成,同时释放相变潜热.由于制冷剂水合物作为相变储能介质在空调蓄冷[1,2]和天然气储存方面的独特优势[3],加上未来巨大能源)))深海天然气气体水合物的发现[4,5],对气体水合物生成过程的研究已成为能源、环保、油气等工业重要而迫切的研究课题.

    在制冷剂水合物作为相变储能介质的实际应用中,水合物的快速均匀生成是技术成功的关键,也是技术的难点.其生成过程是在一多元多相[气-液(制冷剂)-液(水)-固(水合物)]体系中进行的,该过程的特点是相界面处扩散速率很慢,相与相之间难于充分混合,水合物结晶的诱导期长、过冷度大、生成速率小.同时,该生成过程是一具有非常规相变特性和不规则瞬变形态的多元多相复杂热流体系的水合反应动力学过程[6~8],与该过程紧密结合的传递现象包含相与相之间的质量扩散、热量和动量传递.

    在已发表的水合物动力学研究方面的文章中,关于水合物相形成和生长形态的报道很少,主要收录在Makogon[5]的天然气水合物论文集中. Sugaya和Mori[9]观测了HFC134a制冷剂气体水合物的生成过程.本文的目的是对制冷剂气体水合物的生成过程进行观测研究,通过了解水合物生长过程中的形态学深入了解水合物的生长动力学机制.

    1 实验装置

    本实验是在气体水合物生成可视化低温显微实验台上进行的,实验系统装置如图1所示,由台体、冷源系统、可控硅加热系统、数据采集控制系统、数字图像摄录系统、水合反应器6部分组成.

    实验台台体由具有隔热功能的中空玻璃框体组成,中空玻璃框体的内框装有吸湿材料,并通过小孔与玻璃夹层相通,可有效吸收夹层内的少量水蒸气,防止因实验台内低温而引起玻璃夹层出现水雾甚至冰珠.实验台的冷源由小型制冷机组构成,通过铜管与台内蒸发器相连,为了能够连续调整台内温度,在蒸发器冷风出口安设加热管,由可控硅调控加热管温度,再与蒸发器送风温度配合来形成需要的冷气流,以维持台内温度.台内安设热电偶,与台外微机多点数据采集系统相连,测控台内温度.

    数字图像摄录系统有宏观和微观两种,为能观测到实验容器内气体水合物的微观生成过程,考虑配置的显微镜应具有较大的工作距离,并使所观测到的现象具有立体效果,采用了可连续调焦的体视显微镜(XTL-1),并由高清晰度摄像头(PanasonicWV-CP430)与显微镜相连,摄像头输出的信号通过图像数据采集卡(DC-30PLUS)进入计算机,捕捉连续的数字图像,最后将连续的数字图像(由20~30帧•s^-1的图片组成)存入硬盘,建立了由体视显微镜-高清晰度摄像头-图像采集卡-微型计算机组成的数字微观图像摄录系统.宏观摄录系统由数码摄像机(Panasonic NV-DX100EN)代替体视显微镜和高清晰度摄像头即可.