四氢呋喃水合物换热管外结晶分解动力学研究

    气体水合物可以在冰点以上结晶固化,其熔解热与冰相当,因而可以作为一种性能优良的蓄冷介质[1,2].一般用作蓄冷的气体水合物客体物质为有机制冷剂,但有机制冷剂难溶于水,在无机械搅拌的情况下只能在水和制冷剂的界面上生成少量的气体水合物,且诱导期长,过冷度大,生长速度慢.因此,寻找出一种可溶于水的客体物质,使之可以在静态(无搅拌)条件下与水生成气体水合物,这具有非常重要的现实意义.

    四氢呋喃与水完全互溶,并且可以和水在任意浓度下生成II型气体水合物[3](水合物中四氢呋喃和水的量之比为1:17,换算成质量分数为19%,该浓度一般被称为计量型浓度),该气体水合物在常压下的理想分解点为4.4℃,分解热为270 kJ/kg,完全适合用作空调蓄冷工质[4].早期人们经常采用四氢呋喃来研究气体水合物的热物性和结晶动力学,后来日本学者采用它进行蓄冷研究,并已经应用于具体的蓄冷式空调产品中[5],但一直未见有具体的公开报道,我国则还未见有人开展这方面的研究.

    为了研究四氢呋喃水合物作为一种蓄冷介质应用于间接接触换热式蓄冷系统的可行性,作者以四氢呋喃水溶液为蓄冷介质,对四氢呋喃气体水合物在单根换热管外的结晶分解动力学特性(诱导期、过冷度、生长速度、分解温度等)进行了可视化观测和分析,并与冰的生成和分解过程进行了对比.

    1 实验装置与实验程序

    本研究采用的反应器由一个中空的圆柱形硼硅酸玻璃筒体(内径50 mm,长度200 mm)和2块不锈钢法兰端盖通过4个螺栓组合在一起构成,有效容积为370 ml.一根外径为12 mm的换热铜管从反应器的中轴线上穿过整个玻璃筒体,并与外接管路相连.冷媒从换热管中流过,对反应筒体内的反应物进行冷却或加热.每个法兰端盖上围绕换热管钻有2个孔,分别用来安装1号和2号温度探头,剩下的孔焊上内径为3 mm的钢管,并装上阀门,作为反应物注入和排出管道(详见文献[6]).

    为了避免反应器表面结露,影响对反应过程的观测,反应器将被放入空气浴中.空气浴的温度和湿度由与制冷系统相连的风机盘管和由可控硅控制的加热器来联合调控,控温精度为±0.5℃.

    实验程序如下:首先,将四氢呋喃与蒸馏水配制成指定质量分数的360 ml的溶液,然后将溶液充入到反应器中,并将反应器放入空气浴中.为了尽量减小空气浴对反应过程的影响,在四氢呋喃和水/冰相变的实验中分别将空气浴的温度降到各自的分解温度点附近,即(4±0.5)e和(0±0.5)℃.然后,将水浴中冷媒的温度调到设定值,待温度稳定后将其通入换热管内,此时即开始反应过程,图片拍摄系统和温度采集系统分别开始拍摄图片和记录温度.