水合物漿體流動傳熱特性及其高效制備方法研究.pdf

1、近年來，隨著電力需求的不斷增加，我國大多數(shù)的電網(wǎng)都出現(xiàn)了高峰期供電不足、低谷期供電過剩的局面。而蓄冷空調系統(tǒng)的提出可以解決上述問題，該技術在電力負荷低谷期開啟制冷機，并將產(chǎn)生的冷量儲存起來，在用電負荷高峰期將蓄存的冷量輸送到用戶端，這樣便降低了電力負荷高峰期的制冷空調系統(tǒng)的電力消耗，緩解了電網(wǎng)緊張的局面。此外，在蓄冷空調系統(tǒng)中，將冷量輸送到用戶端時可以采用二次載冷劑，從而可以有效減少制冷系統(tǒng)中的傳統(tǒng)制冷劑的充注量，進而減少了對環(huán)境有害氣

2、體在系統(tǒng)安裝調試及長期運行過程中的泄漏量，符合國家可持續(xù)發(fā)展的策略。
　　目前，一種潛熱蓄冷介質-水合物漿體以其適中的相變溫度（0~12℃）、較大的蓄冷密度以及良好的流動傳熱性能，逐漸成為了空調系統(tǒng)蓄冷及冷量輸送相關研究的熱點之一。但是目前相關的基礎研究和技術水平仍有很多不足。本文主要針對四丁基溴化銨（TBAB）水合物漿體（CHS）的流動傳熱特性及其高效制備方法進行了研究，包括水合物晶體的生成特性及其相關傳熱機理、水合物漿體儲存時

3、的沉降特性、水合物漿體在換熱通道內(nèi)的流動相變特性、水合物漿體、在不同熱物理條件下的高效制備方法。本文主要研究內(nèi)容包括了以下五個方面：
　?。?）TBAB過冷溶液在解除過冷狀態(tài)時，會析出兩種類型水合物晶體（A型和B型）。本章主要針對不同初始溶液濃度、過冷度下的TBAB水合物晶體的生成特性及其相關的傳熱特性進行了研究。通過溫度測量來判定過冷狀態(tài)是否解除并計算水合物漿體的固相濃度，同時借助顯微鏡的可視化手段對生成的水合物晶體形態(tài)進行觀察

4、，以確認生成晶體的種類。另外，通過向TBAB過冷溶液中添加提前制備好的不同類型不同劑量的水合物漿體，研究添加晶核對水合物晶體生成的影響。最終系統(tǒng)性地給出了兩種類型水合物晶體在不同熱物理條件下的生成特性，并分析了水合物晶體在生成過程中的傳熱特性。
　?。?）對儲罐中不同類型的水合物漿體的自由沉降過程進行實驗及數(shù)值研究。實驗通過取樣的方式測量了不同時刻儲罐內(nèi)不同位置的水合物漿體的固相濃度分布。另外，采用數(shù)值方法對儲罐中具有非牛頓流體特

5、性的水合物漿體的沉降過程進行理論分析，將得到的數(shù)值計算結果與實驗數(shù)據(jù)以及可視化結果進行對比分析，結果發(fā)現(xiàn)理論計算獲得的結果與實驗測量結果以及可視化結果吻合良好。A型水合物漿體因為具有較低的稠度系數(shù)、較大的顆粒尺寸以及較大的固相顆粒密度，因此其沉降速度要遠遠大于B型。當初始水合物漿體的固相濃度較高時，其沉降速度明顯放緩，尤其是當固相濃度為40.0wt%以上的B型水合物漿體在儲罐中幾乎不發(fā)生沉降。另外，基于A型水合物漿體易于沉降的特性，提出

6、了一種高蓄冷密度的水合物漿體儲存方法并給出了具體實施方案。
　?。?）對釋冷過程中TBAB水合物漿體的流動融化特性進行數(shù)值計算研究。采用歐拉-歐拉多相流模型以及顆粒動力學理論對水合物漿體在管道內(nèi)的流動進行數(shù)學描述，并考慮了水合物漿體在受熱融化時固液兩相間的熱質傳遞特性以及液相的溶質組分非均勻分布特性，經(jīng)過數(shù)值計算獲得了水合物漿體在管道內(nèi)流動融化過程中的諸多細節(jié)特征。經(jīng)過與實驗對比驗證了理論模型的可靠性。理論分析結果顯示，水合物漿體

7、在定壁面熱流密度下的水平直圓管內(nèi)流動時，固相顆粒與壁面之間存在碰撞作用，并且近壁面處受熱融化的固相顆粒較多，因此導致了近壁面處固相濃度較低。而由于相間熱質傳遞特性受固相含量影響，固相顆粒在管道截面上分布的不均勻性造成了管內(nèi)流體溫度分布隨流型而變化。另外，在90o彎管內(nèi)流動時，由于離心力的存在引發(fā)了管道橫截面上的二次流動，并且在彎曲段45o處由于邊界層的分離還導致了渦流的產(chǎn)生。
　　（4）B型水合物漿體相比A型具有更高的潛熱值，且具

8、有更好的流動以及傳熱性能，但在低初始溶液濃度下才易于生成。因此本文對15wt%初始濃度的TBAB水溶液中制備B型水合物漿體的高效方法進行了研究，提出了多種制備方案。傳統(tǒng)方法中對TBAB水溶液進行冷卻至水合物晶體開始出現(xiàn)，并持續(xù)對水合物漿體進行冷卻直至一定的固相濃度；間斷開啟制冷機法中在水合物晶體開始出現(xiàn)之后關閉制冷機一段時間另其自發(fā)生成；自然解除過冷法中在水合物晶體開始出現(xiàn)之前就關閉制冷機，通過沖擊震蕩來使過冷溶液解除過冷狀態(tài)；添加晶核

9、法中在水合物晶體開始出現(xiàn)之前關閉制冷機，然后向過冷溶液中添加提前制備的水合物漿體誘發(fā)過冷狀態(tài)的解除。通過對比四種不同方法的對比分析，發(fā)現(xiàn)間斷開啟制冷機法的COP比傳統(tǒng)方法高約11.7%~14.5%，而添加晶核法的COP比傳統(tǒng)方法要高約16.5%~23%。
　?。?）低初始溶液條件下生成的水合物漿體固相濃度有一定限制，因此本文對40.0wt%初始濃度的TBAB水溶液中制備高固相濃度的A型水合物漿體進行了研究?；贏型水合物漿體相比B

10、型更易于沉降的特性，實驗采取了三種儲存方式：均勻儲存方式、不帶濾網(wǎng)的非均勻儲存方式以及帶濾網(wǎng)的非均勻儲存方試。通過對比三種不同儲存方式下的水合物漿體制備過程以及該過程中的系統(tǒng)能效，并借助可視化實驗結果，發(fā)現(xiàn)采用非均勻儲存方式可以有效減少儲罐出口流出的水合物漿體中的固相顆粒的數(shù)量，從而減輕了換熱器壁面的晶體附著，增強了換熱。而在非均勻儲罐的基礎上再添加一層濾網(wǎng)，可以更有效地防止儲罐底部的水合物晶體流入儲罐上部的出口，從而使得從儲罐出口流出