水合物浆体流动相变和蓄冷特性的研究

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1、Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityFLOWMELTINGANDCOLDSTORAGECHARACTERISTICSOFCLATHRATEHYDRATESLURRYAuthor:MaZhiweiAdvisor:Prof.ZhangPengSpecialty:RefrigerationandCryogenicsEngineeringSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityJune,2012万方

2、数据万方数据万方数据万方数据摘要水合物浆体流动相变特性和蓄冷应用研究摘要近几十年来，随着世界范围内的能源危机出现，蓄冷空调在日本、美国等发达国家得到了迅速的发展，被广泛用于区域供冷和中央空调，兼具社会效益和经济效益。由于既可以被用作蓄冷介质也可被用作载冷剂输送冷量，具有流动性能的相变浆体得到了广泛的关注和研究。这些浆体的融化过程存在固液相变，蓄冷密度较高，在作为载冷剂输送冷量时的载冷密度是传统单相载冷剂的数倍，这使得所消耗的泵功较低；使用浆体作为二次载冷剂减少了含氟制冷剂的填充和泄露量，为环境保护作出了贡献。目前，一种新型的浆体蓄

3、冷材料—水合物浆体以其合适的温度范围、较大的蓄冷/载冷能力和较好的流动换热性能成为当前浆体蓄冷材料的研究热点之一，但相关研究较少，基础数据不足。本文主要对四丁基溴化铵（TBAB）水合物浆体的流动换热特性及其在蓄冷空调中的应用进行了研究。首先，对TBAB水合物浆体的基本热物性进行了全面的测量和计算。利用差示扫描量热仪得到了不同初始溶液的升温曲线，以此确定了TBAB水合物浆体的完整相图，同时还确定了浆体在相变过程中的热量变化；利用高精度天平和量筒并以水为参照测量得到了不同浓度、不同温度下TBAB盐溶液的密度，再结合水合物晶体的密度和质

4、量分数计算得到了水合物浆体的密度；利用板式换热器与TBAB盐溶液换热，基于热量守恒得到了盐溶液的比热；采用瞬态热线法测量溶液和浆体的导热系数，建立相应的物理模型，结合测量结果并利用导热微分方程组求解出了TBAB溶液和水合物浆体的导热系数。在得到了完整TBAB水合物浆体热物性的基础上，对其在管路系统内的流动特性进行实验研究。实验测量了TBAB水合物浆体在直管内的流动压降和流速，在此基础上确定TBAB水合物浆体为拟塑性流体，并采用幂律模型（power-law）作为其本构方程，结果还表明TBAB水合物浆体在小管径管道中偏离牛顿流体的程度

5、比在大管径管道中更大；采用修正的雷诺数，确定了适用水合物浆体的摩擦系数关联式为Poiseuille公式和Dodge-Metzner公式；浆体压降结果表明流动过程中管道壁面对固相颗粒流动的限制作用使得小管径管道中浆体的摩擦压降被放大；浆体流动过程中，固液两相的相互作用导致了层流化现象，这使得浆体压降并不总随固相质量分数的增大而增大。另外，还实验测量了TBAB水合物浆体在弯头、突缩管、突扩管、分流三通和汇聚三通等管道组件第I页万方数据摘要内的流动压降，并计算得到相应的摩擦阻力系数和关联式。实验测量了TBAB水合物浆体在加热直管内流动时

6、的进出口温度、壁面温度和流体流速，在此基础上得到了水合物浆体管内强制对流换热特性。利用能量守恒的方法计算得到了浆体的沿程温度分布；浆体换热系数的结果表明，加热功率对小管径管道内浆体的换热系数影响较大，层流区浆体的换热系数主要随固相含量的增大而增大，而在紊流区浆体换热系数主要受其流速的影响；参照一般换热经验关联式并借鉴冰浆、微胶囊乳液的研究结果，在实验数据的基础上总结得出水合物浆体的管内换热经验关联式，其中利用Stefan数描述相变潜热对换热系数的影响；建立对流换热方程、动量方程和连续性方程，作为计算浆体温度分布的一般性方法，得到了

7、水合物浆体沿程温度随时间的变化。水合物浆体的实际应用必然涉及到其在换热器内的流动换热，因此本文实验研究了TBAB水合物浆体在板式换热器和套管换热器内融化时的流动换热特性。测量得到了浆体的流动压降，并总结出其摩擦系数经验关联式；通过计算得到了浆体在换热器内的沿程温度分度，并在测得整体换热系数的基础上细化研究换热器内部换热情况，总结得到浆体的局部换热关联式。另一方面，生成过程中晶体在换热壁面上的粘结不仅使得浆体流动压降增大，还使得换热条件变差并阻碍了水合物浆体的温度下降和质量分数增加，因此本文还对水合物浆体在套管换热器内生成时的流动换

8、热进行研究。通过对比浆体在无换热条件和生成过程中的压降差值确定了换热器内晶体粘结层的厚度，结果表明粘结层厚度通常不超过1mm并且是时间、流量、固相质量分数以及换热温差的函数；晶体粘结层的存在使得换热器换热系数下降可达85%，而利用所提出的热水熔化粘