蓄冷用二元气体水合物工质匹配的研究

　　1 引言

　　针对目前我国电力紧缺的现状,气体水合物蓄冷作为一种新型蓄冷技术,在/移峰填谷0、均衡电网供电负荷方面将发挥积极作用。新型蓄冷工质-气体水合物,主要是制冷剂水合物,以其与常规空调兼容性好、蓄冷密度大、化学稳定性好等优点,备受各国关注^[1]。

　　为保护臭氧层及减缓全球变暖,氟氯烃(Hydrochlorofluorocarbons,简称HCFCS)的淘汰转换对气体水合物的客体工质(主要是制冷剂)的研究提出了新的挑战^[2]。目前该蓄冷工质的替代研究,朝着氢氟烃(Hydroflurocarbons,简称HFCS)类、烷烃类、天然工质类(包括融水类)三个方向发展。但是在实验研究中,纯工质形成的简单水合物用于蓄冷,一般在温度、压力、反应速度、过冷度等方面不能完全满足蓄冷技术的要求,如HFC-152a、HFC-134a、HFC-125等,它们是较为活跃的致水物质,但是相变温度和相变压力偏高,而异丁烷(iC4H10)、环戊烷(Cyclopentane)等相变温度和相变压力偏低,但是水合反应压力也较低,结晶过冷度大。一般认为相变温度较高和较低的水合物客体物质-制冷剂混合可以性能优势互补,相变温度和工作压力更满足空调工况,具有比单一工质更好的蓄冷特性。

　　本文阐述了二元气体水合物在生长动力学、相平衡热力学等生长特性方面的优越性,揭示了其共融和非共融的相变特性,根据水合物性能优势互补的原则,列出了新型环保水合物蓄冷的工质对,提出了蓄冷研究中应该注意的问题,对水合物蓄冷走向实用化作了展望。

　　2 二元气体水合物生长特性方面的优越性

　　生长特性主要包括水合物生长动力学研究和水合物热力学相平衡研究。水合物生长动力学研究,针对水合物制备过程中存在的诱导期长、过冷度大、生长速度慢等问题,探讨使水合物的快速均匀生成的方法,利于气体水合物蓄冷技术进一步走向实用化。水合物热力学相平衡研究,主要是通过采集相平衡参数(主要是温度、压力),确定水合物的三相平衡线^[3]。这样方便预测给定压力下水合物可以存在的温度,或是给定温度下水合物可以存在的压力,即该水合物在其蓄冷工况中稳定存在的条件,可以判定水合物是否适合空调工况(相变温度5~12°C,压力条件0.1~0.3MPa),同时方便在蓄冷工程中控制水合物的生成条件,使得水合物蓄冷技术进一步完善。对二元气体水合物生长特性方面的优越性,下面从水合物生长动力学和相平衡热力学方面作分析和总结。

　　2. 1 生长动力学研究

　　目前在水合物动力学研究方面,关于二元水合物的形成和动力学机制方面的研究不多。中国科学院广州能源研究所刘勇^[4]等人对混合制冷剂HCFC141b/HFC152a水合物晶体生成及HFC-227ca分解过程的形态进行研究。从动力学和形态学方面验证了混合制冷剂水合物的性能互补特点。结果表明,该混合制冷剂水合物与低压制冷剂HCFC141b水合物相比,其引导时间更短,生成速度更快。混合制冷剂HCFC141b/HFC152a水合物可在10°C融化,较单一低压制冷剂HFC152a水合物相变温度15e更适合蓄冷空调的工况。证明了混合制冷剂水合物较单一制冷剂水合物具有较优的生长动力学特性,更适合作为蓄冷空调的储冷介质。