R134a气体水合物蓄冷实验

　2007年1月重庆大学学报(自然科学版)

Jan .2007第30卷第1期Journal of Chongqing University (Natural Science Editi on )

Vol .30　No .1

文章编号:10002582X (2007)0120058203

R134a 气体水合物蓄冷实验

3

李夔宁,刘玉东,吴治娟,唐　娟

(重庆大学动力工程学院,重庆　400030)

摘　要:空调蓄冷是实现电网“移峰填谷”的重要手段.为缩短蓄放冷时间,以R134a 为工质,在气

体水合物蓄冷循环中加入引射器,研究结果表明:引射器增强了水和R134a 气体的混合,在引射器内生成了部分水合物晶核.与无引射循环相比,水合物的成核过冷度降低约2～4℃,水合物的生成时间缩短13%～25%,获得了较好的蓄冷效果.并提出“热势”理论对实验现象进行解释,采用引射器后,水合物形成需要的“热势”降低,从而使水合物的成核过冷度和形成时间有明显降低.

关键词:气体水合物;蓄冷;引射器;热势

中图分类号:TK124

文献标识码:A

空调蓄冷技术是为实现电网电力移峰填谷而兴起的一门新技术,对建设节约型社会具有重要意义.但目前在工程中普遍应用的是冰蓄冷系统和冰-水混合蓄冷系统,压缩机运行在蒸发温度-5℃的制冷工况,而不是5℃左右的空调工况,降低了压缩机的运行效率.为使蓄冷系统在空调工况运行,要求蓄冷工质的相变温度在8～12℃,相变潜热大,传热性能好,传统的蓄冷工质水已不能满足要求.研究表明,氟利昂气体水合物具有以上特点,此外,这种高温相变蓄冷材料还具有很好的化学稳定性,长期使用也不会老化失效,腐蚀性低,安全性较好,因此被认为是理想的新一代空调蓄冷介质[1]

.目前,强化传热传质,缩短蓄放冷时间是气体水合

物蓄冷技术研究的主要方向[223]

.笔者以R134a 为气体水合物工质,在蓄冷循环中加入引射器,对气体水合物的成核过冷度和生成时间进行了实验研究和理论分析.

1　实验装置

实验装置按照非直接接触蓄冷和直接接触放冷方式设计[4]

,如图1所示,主要由蓄冷系统、放冷系统、制

冷系统、循环动力系统和数据采集系统5部分组成.引射器结构如图2所示.蓄冷罐体采用不锈钢管制做,内部尺寸为<200mm ×600mm ,在蓄冷罐的上部和下部设有观察窗,用以观察水合物的生成现象.在蓄冷罐内布置了15对铜-康铜热电偶测量温度,分别布置在高

度不同的5个层面上,每个层面布置3对热电偶其相对罐底的位置如表1所示.

图1　实验装置系统简图

图2　引射器结构示意图表1　蓄冷罐内的热电偶分布表热电偶位置/mm

数量/对

15032150332503445035

550

3

3

收稿日期:2006209212

作者简介:李夔宁(19702),男,重庆大学副教授,博士,主要从事制冷与低温工程方向的研究,

电话(Tel .):023*********;E 2mail :leekn@cqu .edu .cn .

2　实验现象及机理分析

实验中观察到,首先在气-液界面处生成一薄层气体水合物,随着引射过程的进行,这层水合物的厚度不断增加,形状呈泡沫状,同时,在液-液界面处也可以观察到少量水合物的出现,但其生成速率很慢,呈半透明状.与无引射器循环相比,两者的实验现象基本类似,气体水合物都主要在气-液界面处生成,但加入引射器后,水合物的生成速率加快,蓄冷时间缩短.

水合物的形成需要一定的过冷度和诱导时间来推动[5].水合物生成的关键在于稳定晶核的形成,而晶核的形成又可分为3个阶段:水和制冷剂分子形成不稳定簇;不稳定簇形成亚稳团聚体;亚稳团聚体形成晶核[627].笔者认为,气体水合物的形成过程,需要一种“热推动力”,将其定义为“热势”.它表示由温差作用,推动水合物晶核形成的“势”.过冷度的存在即可形成一定热势来推动水合物的形成.过冷度越大,“热推动力”就越强,所需的诱导时间就越短.而热势又可分为“基本热势”和“附加热势”.“基本热势”是水合物生成过程中必不可少的“趋势”,它破坏反应物分子原本的排列次序,使水合物的生成成为可能,并且只与水和制冷剂的初始状态及制冷剂的性质有关.而“附加热势”则是水合物生成过程的推动力,其大小决定了水合物生成时间的长短.

3　实验结果与分析

图3和图4表示蓄冷罐内温度随时间变化的关系.从图中可以看到,有、无引射器两种状态下温度时间曲线的趋势大致相似.在实验开始阶段,温度都呈下降趋势,直到最低点.有引射器时(图4),其后的温度基本保持不变,其成核过冷度和形成过冷度基本相等,“诱导时间”已不能从图上观察到,实验直接进入稳定状态,直到蓄冷结束后温度才继续下降.而无引射器时,温度有2～3℃的回升,然后才进入稳定状态,持续到蓄冷结束后继续下降.

图5(a)、(b)是不同工况下有、无引射器2种状态蓄冷温度-时间曲线对比图.从图中可以看出,采用引射器后,水合物的成核过冷度和形成时间有较明显降低,在实验参数范围内,成核过冷度降低约2～4℃,形成时间缩短约13%～25%.

在引射循环实验中,水和R134a分子在引射器内的混合室里剧烈混合和扰动,一方面,打乱了水分子的初始排列次序,降低了水合物形成所需要的“热势”,从而降低了水合物的成核过冷度.另一方面,

混合后的

图3　无引射循环蓄冷温度-

时间图

图4　蓄冷温度-时间图(引射循环比0.73

)

(a)主流量:1.15m3/h,引射比:0.

47

(b)主流量:0.53m3/h,引射比:0.73

图5　有、无引射循环的蓄冷对比曲线图

温度较蓄冷罐内的温度低,使得混合室内的“附加热势”相对较大,加速了成核过程的进行,在上述作用下,引射器内生成了部分水合物晶核,加快了水合物的生成速度,从而缩短了蓄冷所需的时间.

95

第30卷第1期 李夔宁,等:R134a气体水合物蓄冷实验