液—液系统气体水合物生成驱动力初步研究

论文摘要

制冷剂水合物作为新型的空调蓄冷介质,与常规蓄冷介质水、冰和共晶盐相比,具有蓄冷温度适中（一般在5℃-12℃之间,适合常规空调冷水机组）,蓄冷密度与冰相当（约为330kJ/kg）,在储热-蓄冷过程中的传热效率比较高等优点,非常适合用于空调蓄冷系统。在制冷剂水合物应用到空调蓄冷过程中,水合物的快速生成是该技术的关键。由于水合物的生成过程非常复杂,国内外气体水合物生成动力学研究尚还处在初级阶段。为了研究水合物快速生成方法,本文从气体水合物生成驱动力入手,推导出了液-液系统气体水合反应生成驱动力公式,实验研究了不同驱动力条件下气体水合物的生成过程。具体来说,本文主要做了如下工作：一、本文利用热力学第一、第二定律以及物理化学相关理论推导出了液-液系统水合物生成驱动力公式,并且以制冷剂HCFC-141b为例,利用推导公式对制冷剂HCFC-141b水合物在0.1MPa-1MPa的压力范围内的驱动力进行了计算,推导公式如下：△g=△gT+△gp=△ν141b（peq-pexp）-△ν（pexp-peq）-s（Texp-Teq）本公式主要适用于有液体参加反应的水合过程,从而可以在水合物生成的温度、压力范围内计算水合物的生成驱动力,理论上确定何种条件下驱动力值最大,为水合物的快速制备提供理论依据。二、利用HCFC-141b和水在一个大气压、8.4℃以下可以生成HCFC-141b气体水合物的特点,本文在课题组自行设计的可视化实验装置上,在不同的温度、压力下对制冷剂HCFC-141b气体水合物静态生成过程的影响进行了详细的实验研究。结果发现：在压力改变的情况下,水合物才能快速生成,同时实验也发现在相同的制冷温度条件下,HCFC-141b制冷剂水合物在0.2MPa下最容易生成。对实验结果分析我们可以知道：一方面存在一个驱动力极大值,在这个温度、压力条件下,水分子可以重新组合排列成生成水合物时的结构状态,大大缩短了引导时间,促进水合物快速生成；另一方面,在压力刺激下以及温度梯度变化大的情况下,两相界面之间的物质传输使得两相能够充分混合,提供物质基础,能量传输使得相变潜热及时排走,以保证过冷条件,从而促进了水合反应的快速进行。本文创新点及意义在于：（1）推导出了液-液系统气体水合反应生成驱动力公式；（2）实验发现在改变压力以及温度梯度的共同作用下,可以促进水合反应的快速进行,从而为新型的空调蓄冷介质的制备提供一个方法,同时还可以促进制冷剂水合物作为新型的蓄冷介质应用到空调工业中,推动空调工业的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 气体水合物概述
• 1.2.1 气体水合物晶体的结构
• 1.2.2 气体水合物相关理论
• 1.3 国内外研究现状对本课题的启示
• 1.4 课题的提出
• 第2章 气体水合物反应动力学理论
• 2.1 气体水合物成核理论
• 2.1.1 成核概念
• 2.1.2 成核的结构条件
• 2.1.3 成核动力学发展方向
• 2.2 气体水合反应动力学
• 2.2.1 气体水合物成核动力学条件
• 2.3 气体水合物晶体生长的动力学条件
• 2.4 液-液系统气体水合物生成驱动力表达式
• 2.4.1 等温
• 2.4.2 等压
• 2.5 计算结果
• 2.5.1 HCFC-141b计算参数
• 2.5.2 理论计算结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 液-液系统气体水合物生成驱动力的研究
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验系统的校验
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 试剂
• 3.2 实验步骤
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 实验部分图像
• 3.3.2 实验数据曲线
• 3.4 生成厚度及速率
• 3.4.1 计算结果
• 3.5 本章小结
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 创新点
• 3 尚待继续解决的问题
• 4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间取得成果（论文）
• 附录B 攻读学位期间申请的专利