水合物漿體流動相變和蓄冷特性研究.pdf

1、近幾十年來，隨著世界范圍內(nèi)的能源危機出現(xiàn)，蓄冷空調(diào)在日本、美國等發(fā)達國家得到了迅速的發(fā)展，被廣泛用于區(qū)域供冷和中央空調(diào)，兼具社會效益和經(jīng)濟效益。由于既可以被用作蓄冷介質(zhì)也可被用作載冷劑輸送冷量，具有流動性能的相變漿體得到了廣泛的關注和研究。這些漿體的融化過程存在固液相變，蓄冷密度較高，在作為載冷劑輸送冷量時的載冷密度是傳統(tǒng)單相載冷劑的數(shù)倍，這使得所消耗的泵功較低；使用漿體作為二次載冷劑減少了含氟制冷劑的填充和泄露量，為環(huán)境保護作出了貢獻

2、。
　　目前，一種新型的漿體蓄冷材料—水合物漿體以其合適的溫度范圍、較大的蓄冷/載冷能力和較好的流動換熱性能成為當前漿體蓄冷材料的研究熱點之一，但相關研究較少，基礎數(shù)據(jù)不足。本文主要對四丁基溴化銨（TBAB）水合物漿體的流動換熱特性及其在蓄冷空調(diào)中的應用進行了研究。
　　首先，對TBAB水合物漿體的基本熱物性進行了全面的測量和計算。利用差示掃描量熱儀得到了不同初始溶液的升溫曲線，以此確定了TBAB水合物漿體的完整相圖，同時還

3、確定了漿體在相變過程中的熱量變化；利用高精度天平和量筒并以水為參照測量得到了不同濃度、不同溫度下TBAB鹽溶液的密度，再結合水合物晶體的密度和質(zhì)量分數(shù)計算得到了水合物漿體的密度；利用板式換熱器與TBAB鹽溶液換熱，基于熱量守恒得到了鹽溶液的比熱；采用瞬態(tài)熱線法測量溶液和漿體的導熱系數(shù)，建立相應的物理模型，結合測量結果并利用導熱微分方程組求解出了TBAB溶液和水合物漿體的導熱系數(shù)。
　　在得到了完整TBAB水合物漿體熱物性的基礎上，

4、對其在管路系統(tǒng)內(nèi)的流動特性進行實驗研究。實驗測量了TBAB水合物漿體在直管內(nèi)的流動壓降和流速，在此基礎上確定 TBAB水合物漿體為擬塑性流體，并采用冪律模型（power-law）作為其本構方程，結果還表明TBAB水合物漿體在小管徑管道中偏離牛頓流體的程度比在大管徑管道中更大；采用修正的雷諾數(shù)，確定了適用水合物漿體的摩擦系數(shù)關聯(lián)式為 Poiseuille公式和Dodge-Metzner公式；漿體壓降結果表明流動過程中管道壁面對固相顆粒流動

5、的限制作用使得小管徑管道中漿體的摩擦壓降被放大；漿體流動過程中，固液兩相的相互作用導致了層流化現(xiàn)象，這使得漿體壓降并不總隨固相質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。另外，還實驗測量了TBAB水合物漿體在彎頭、突縮管、突擴管、分流三通和匯聚三通等管道組件內(nèi)的流動壓降，并計算得到相應的摩擦阻力系數(shù)和關聯(lián)式。
　　實驗測量了TBAB水合物漿體在加熱直管內(nèi)流動時的進出口溫度、壁面溫度和流體流速，在此基礎上得到了水合物漿體管內(nèi)強制對流換熱特性。利用能量守恒

6、的方法計算得到了漿體的沿程溫度分布；漿體換熱系數(shù)的結果表明，加熱功率對小管徑管道內(nèi)漿體的換熱系數(shù)影響較大，層流區(qū)漿體的換熱系數(shù)主要隨固相含量的增大而增大，而在紊流區(qū)漿體換熱系數(shù)主要受其流速的影響；參照一般換熱經(jīng)驗關聯(lián)式并借鑒冰漿、微膠囊乳液的研究結果，在實驗數(shù)據(jù)的基礎上總結得出水合物漿體的管內(nèi)換熱經(jīng)驗關聯(lián)式，其中利用Stefan數(shù)描述相變潛熱對換熱系數(shù)的影響；建立對流換熱方程、動量方程和連續(xù)性方程，作為計算漿體溫度分布的一般性方法，得到

7、了水合物漿體沿程溫度隨時間的變化。
　　水合物漿體的實際應用必然涉及到其在換熱器內(nèi)的流動換熱，因此本文實驗研究了TBAB水合物漿體在板式換熱器和套管換熱器內(nèi)融化時的流動換熱特性。測量得到了漿體的流動壓降，并總結出其摩擦系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式；通過計算得到了漿體在換熱器內(nèi)的沿程溫度分度，并在測得整體換熱系數(shù)的基礎上細化研究換熱器內(nèi)部換熱情況，總結得到漿體的局部換熱關聯(lián)式。另一方面，生成過程中晶體在換熱壁面上的粘結不僅使得漿體流動壓降增大，還

8、使得換熱條件變差并阻礙了水合物漿體的溫度下降和質(zhì)量分數(shù)增加，因此本文還對水合物漿體在套管換熱器內(nèi)生成時的流動換熱進行研究。通過對比漿體在無換熱條件和生成過程中的壓降差值確定了換熱器內(nèi)晶體粘結層的厚度，結果表明粘結層厚度通常不超過1 mm并且是時間、流量、固相質(zhì)量分數(shù)以及換熱溫差的函數(shù)；晶體粘結層的存在使得換熱器換熱系數(shù)下降可達85％，而利用所提出的熱水熔化粘結晶體層的方法，可將變差的換熱系數(shù)恢復到未粘結條件下的換熱系數(shù)。
　　最后

9、，在得到TBAB水合物漿體基本熱物性和流動換熱特性的基礎上，設計、建立并測試了水合物漿體蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。測試并確定了反轉(zhuǎn)制冷機組熔化粘結晶體層作為高效、穩(wěn)定生成水合物漿體的方法；粘結晶體層的存在使得系統(tǒng) COP較低，并從漿體剛生成時的1.92~2.95約降低至末期的1.05~1.49；增大換熱器內(nèi)漿體的流速使得系統(tǒng)COP得到提高；與使用水作為二次載冷劑的空調(diào)系統(tǒng)相比，泵功的降低使得TBAB水合物漿體的蓄冷空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能，節(jié)能比率可達10