论文作者：谢应明 刘道平 刘妮 梁德青 郭开华 樊栓狮
摘要：采用针翅换热管和光管分别对冰、THF气体水合物以及HCFC141b气体水合物的生长特性进行对比研究。针翅管对冰、THF气体水合物和HCFC141b气体水合物的生长过程均具有良好的强化作用，内外双翅式针翅管比外翅式针翅管可以更大幅度地强化生长过程。
关键词：气体水合物 针翅换热管 R141b
0 绪言
气体水合物是由某些气体（或易挥发液体）和水形成的包络状晶体[1]，其重要特点是可以在冰点以上结晶固化，又称“暖冰” ，其一般的反应方程为：
作为新一代蓄冷介质，气体水合物克服了冰（蓄冷效率低）、水（蓄冷密度小）、共晶盐（换热效率低，易老化失效）等蓄冷介质的弱点：相变温度在4～15℃之间，适合常规空调冷水机组；熔解热约为270～464kJ／kg，蓄冷密度大（与冰相当）；易于采用直接接触式蓄、放冷系统，蓄冷和放冷过程的热传递效率高。其低压蓄冷系统的造价相对较低，因为被认为是一种比较理想的蓄冷方式[2]。
不过，气体水合物蓄冷技术要想达到可以工程应用的要求，必须克服气体水合物诱导时间长、生长缓慢的缺点。
针翅管（Pin fin Tube）是一种新型的三维强化管，瑞典、日本等将其应用于油冷却器和般用锅炉上，我国很早就在青岛引进了瑞典制造技术，并已国产化，已经应用于电厂等，出口德国等地[3]。作者认为，针翅换热管所具有的独特表面特性（表面积大，表面粗糙）可能有利于冰或气体水合物的结晶，为此，作者特在本文中采用针翅换热管和光管分别对冰、THF气体水合物以及HCFC141气体水合物的生长特性进行对比研究。图1即是本实验中所采用的针翅管，由四川惊雷科技股份有限公司加工制造，针翅是直接在基管上炮制。
1 实验装置与实验程序
具体的实验装置说明详见[4]，冰和THF气体水合物的生长过程实验程序详见[5]，HCFC141b气体水合物的生长过程详见[6]。
表1 针翅强化管对冰的结晶-分解动力学特性的
影响a 换热管 | 过冷度(℃) | 诱导时间(min) | 生长速度(g/min) |
光管 | 2.0 | 240 | 1.5 |
针翅管（外翅式） | 1.0 | 10 | 3.0 |
针翅管（内外双翅式） | 0.5 | 10 | 4.1 |
a反应器垂直放置，冷媒流向由上向下，冷媒温度为-5℃；b指整个生长过程的平均生长速度
表2 针翅强化管对THF气体水合物的结晶-分解动力学特性的影响
a 换热管 | 过冷度(℃) | 诱导时间(min) | 生长速度(g/min) |
光管 | 3.8 | 10 | 1.5 |
针翅管（外翅式） | 4.4 | 10 | 3.0 |
针翅管（内外双翅式） | 3.6 | 10 | 3.5 |
a反应器垂直放置，冷媒流向由上向下，冷媒温度为-5℃；b指整个生长过程的平均生长速度
表3 针翅强化管对HCFC141b气体水合物的结晶-分解动力学特性的影响
a 换热管 | 过冷度(℃) | 诱导时间(min) | 生长速度(g/min) |
光管 | 6.4 | 360 | 2.9 |
针翅管（外翅式） | 6.4 | 180 | 6.0 |
针翅管（内外双翅式） | 6.0 | 90 | 6.5 |
a反应器垂直放置，冷媒流向由上向下，冷媒温度从0℃以1℃/1h的速率降低到-5℃，SDS浓度为0.03%；b指整个生长过程的平均生长速度
2 针翅换热管对冰和THF气体水合物生长过程的强化
通过实验观察发现，针翅管外冰或THF气体水合物的生长形态和光管外的生长形态是一样的，也是冰或THF气体水合物围绕换热管慢慢长厚，图像在此省略。
针翅管对冰或THF气体水合物结晶动力学特性的影响如表1和表2所示。
分析表1可以发现，与光管相比，冰在针翅片外生长的过冷度、诱导时间均有很大的降低，而生长速率则提高了一倍。由此可见，针翅管对冰的生长过程的强化作用是非常显著的。相比较而言，内外双翅式针翅管比外翅式针翅管的强化作用要更为明显，所以作者认为针翅管应用于冰蓄冷技术是完全可行的。
分析表2可以发现，与光管相比，THF气体水合物在针翅管外的过冷度、诱导时间并没有明显的变化，但生长速率却增大了一倍。由此可见，针翅管对THF气体水合物生长过程的强化作用主要体现于增大了生长速率，而对过冷度和诱导时间的影响不大，作者认为原因在于THF气体水合物在光管外的过冷度和诱导时间本身就比较小，降低的空间有限。由于THF气体水合物在同等实验温度下的生长速率要比冰小，因此作者认为采用针翅管来加快THF气体水合物的生长速率是非常有实用价值的。对于针翅管本身来说，内外双翅式针翅管比外翅式针翅管可以更大幅度地加快生长速率。
3 针翅换热管对HCFC141b气体水合物生长过程的强化
通过实验观察发现，针翅管外HCFC141b气体水合物的生长形态和光管外的生长形态是一样的，也是在表面自由能的作用下沿着换热管向下渗透到液态HCFC141b中生长，具体见[6]。
针翅管对HCFC141b气体水合物结晶动力学特性的影响如表3所示。
分析表3可以发现，与光管相比，HCFC141b气体水合物在针翅管外的过冷度没有明显的变化，但诱导时间却有了明显的减小，而且生长速率也增大了一倍。由此可见，针翅管对HCFC141b气体水合物生长过程的强化作用主要体现于减少诱导时间和增大生长速率，而对过冷度的影响不大，具体原因还有待于进一步的研究。由于HCFC141b气体水合物在光管外的诱导时间非常长（一般超过360min），而针翅管正好可以明显改善这一缺点，所以作者认为采用针翅管来强化HCFC141b气体水合物的生长特性是非常有实用价值的。对于针翅管本身来说，内外双翅式针翅管比外翅式针翅管可以更大幅度地加快生长速率和缩短诱导时间。
本文中作者将针翅强化管应用于冰、THF气体水合物以及HCFC141b气体水合物生长过程的强化研究中，取得了预期的良好效果。冰的强化生长实验研究表明，相对于光管，针翅管可以大大降低冰的过冷度、明显缩短冰的诱导时间并且显著地加快了冰的生长速率，因而对冰的生长过程有着明显的强化效果；THF气体水合物的强化生长实验研究表明，相对于光管而言，针翅管可以大大提高THF气体水合物的生长速率；HCFC141b气体水合物的强化生长实验研究表明，与光管相比，针翅管可以明显缩短HCFC141b气体水合物的诱导时间并且大大加快了它的生长速率。由此可见，针翅管对冰、THF气体水合物和HCFC141b气体水合物的生长过程均具有良好的强化作用。对于针翅管本身来说，内外双翅式针翅管比外翅式针翅管可以更大幅度地强化生长过程（减小过冷度、加快生长速率和缩短诱导时间）。
1. D. W. Dividson, Clathrate Hydrates, . Water-A Comprehensive Treatise（Edited by Felix Franks）. Plenium Press, New York-London,1973
2. 郭开华,舒碧芬.空调蓄冷及气体水合物蓄冷.制冷,1995,53(3):15-21
3. 钱颂文，朱冬生，李庆领等.管式换热器强化传热技术[M] . 北京，化学工业出版社，2003，116
4. 谢应明，郭开华，梁德青等.气体水合物融冰快速成核与静态渗透生长. 中国科学B辑-化学,2004，34（5），375~381
5. [5]谢应明，梁德青，郭开华等.四氢呋喃水合物换热管外结晶分解动力学研究.西安交通大学学报，2005，39（3），313~316
6. Xie, Y.M., Guo, K.H., Liang, D.Q., etc..Steady Gas Hydrate Growth Along Vertical Heat Transfer Tube Without Stirring. Chemical Engineering Science, 2005, 60(3), 777~786
减小字体
增大字体