针翅换热管对蓄冷用气体水合物生长过程的强化

    气体水合物是由某些气体(或易挥发液体)和水形成的包络状晶体[1],其重要特点是可以在冰点以上结晶固化,又称/暖冰0,其一般的反应方程为: R(气体或液体)+nH₂OZR•nH2O(固体)+ΔH(反应热)。

    作为新一代蓄冷介质,气体水合物克服了冰(蓄冷效率低)、水(蓄冷密度小)、共晶盐(换热效率低,易老化失效)等蓄冷介质的弱点:相变温度在4~15℃之间,适合常规空调冷水机组;熔解热约为270~464 kJ/kg,蓄冷密度大(与冰相当);易于采用直接接触式蓄、放冷系统,蓄冷和放冷过程的热传递效率高。其低压蓄冷系统的造价相对较低,因此被认为是一种比较理想的蓄冷方式[2]。不过,气体水合物蓄冷技术要想达到工程应用的要求,必须克服气体水合物诱导时间长、生长缓慢的缺点。  针翅管(pin-fin tube)是一种新型的三维强化管,瑞典、日本等将其应用于油冷却器和一般用锅炉上,我国很早就在青岛引进了瑞典制造技术,并已国产化,已经应用于电厂等,出口德国等地[3]。作者认为,针翅换热管所具有的独特表面特性(表面积大,表面粗糙)可能有利于冰或气体水合物的结晶。为此,笔者特采用针翅换热管和光管分别对冰、THF气体水合物以及HCFC141气体水合物的生长特性进行对比研究。图1即是本试验中所采用的针翅管,由四川惊雷科技股份有限公司加工制造,针翅是直接在基管上炮制。

    1 针翅换热管对冰和THF气体水合物生长过程的强化

    具体的试验装置说明详见文献[4],冰和THF气体水合物的生长过程试验程序详见文献[5],HCFC141b气体水合物的生长过程详见文献[6]。

    通过试验观察发现,针翅管外冰或THF气体水合物的生长形态和光管外的生长形态是一样的,也是冰或THF气体水合物围绕换热管慢慢长厚。

    针翅管对冰或THF气体水合物结晶动力学特性的影响如表1和表2所示。

    分析表1可以发现,与光管相比,冰在针翅片外生长的过冷度、诱导时间均有很大的降低,而生长速率则提高了一倍。由此可见,针翅管对冰的生长过程的强化作用是非常显著的。相比较而言,内外双翅式针翅管比外翅式针翅管的强化作用要更为明显,所以作者认为针翅管应用于冰蓄冷技术是完全可行的。

    分析表2可以发现,与光管相比,THF气体水合物在针翅管外的过冷度、诱导时间并没有明显的变化,但生长速率却增大了一倍。由此可见,针翅管对THF气体水合物生长过程的强化作用主要体现于增大了生长速率,而对过冷度和诱导时间的影响不大,作者认为原因在于THF气体水合物在光管外的过冷度和诱导时间本身就比较小,降低的空间有限。由于THF气体水合物在同等试验温度下的生长速率要比冰小,因此作者认为采用针翅管来加快THF气体水合物的生长速率是非常有实用价值的。对于针翅管本身来说,内外双翅式针翅管比外翅式针翅管可以更大幅度地加快生长速率。