专利名称：蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种水合物可视化相平衡实验装置，特别是一种 用于观测制冷剂水合物在静态法或是磁力搅拌促晶法完全生成水合 物的可视化研究实验装置。
背景技术：
随着制冷与空调装置的日益普及，由于制冷和空调引发的电负荷 "峰谷差"越来越大，造成高峰电力不足，低谷电力过剩的现象。为 了移峰填谷，提高电厂的发电效率，我国大部分地区的电力部门制定
了分时电价政策，鼓励用户采用蓄冷空调技术。目前应用在蓄冷空调 中的蓄冷工质主要是水、冰和共晶盐，但它们都存在不尽如意的缺点，
如水的蓄冷密度过低，占地面积大；冰的蓄冷密度很高，但蓄冷温度 太低，大大降低了蓄冷效率，而且增加了冷量损失;.共晶盐则是冰和 水的折中，蓄冷密度较高，蓄冷温度也比较高，但也存在着造价高， 易老化失效的缺点。由此， 一种全新的蓄冷介质——气体水合物的研 究被提出并得到了满意的蓄冷效果蓄冷密度高(与冰相当)，蓄冷 温度适中(4-15°C)，蓄冷效率高，在常压和低压下就可以制备。制 冷剂水合物相平衡条件实际上是指气体水合物在其生成介质中稳定 存在的条件气体水合物稳定存在的温度和压力为其相平衡参数。目 前，气体水合物蓄冷技术还处于实验室研究阶段，而蓄冷工质一制冷剂水合物的相平衡测定是制冷剂水合物研究的基本手段，为水合物在 蓄冷工程中的应用提供基本物性参数数据。
从制冷剂水合物的制备方式上看，有静态法和其他促晶方式(搅 拌，电磁波作用，加添加剂等)等方式使水合物快速制备。在相平衡 方法研究方面，可视法是早期用来测定水合物相平衡的主要方法。现 有好多文献都是以可视法测定相平衡数据的。在本世纪四十年代以后 基于安全考虑发展了非可视法，即以分析水合物形成时压力和温度的 变化为基础的作图法。分定温测量、定压测量、定容测量。两种方法 各有优劣。前者通过透明高压釜或视窗直接观察釜内水合物的生成和 分解，比较方便成熟。这种方法的显著优点是可以直接观察到釜内的 相变但是它受透视釜耐压的限制，且接近冰点时很难判别冰相和与之
相似的水合物相；后者没有直观的效果。并且在定温测量中，通过改
变反应釜气体量的方法来调节压力不能用于多组分系统，因为在改变 气体量的过程中可能会改变气体的成分。同样在定压测量中通过改变 反应釜中气体量的方法来保持压力不能用于多组分系统。所以针对制 冷剂水合物多组分系统相平衡数据的测量也很有必要。
在制冷剂水合物工质替代方面，随着空调制冷行业中使用的对臭
氧层具有破坏作用的CFCs和HCFCs制冷剂淘汰，基于0DP， GWP值和节能 的考虑，因此其制冷剂水合物工质替代研究也提上日程。利用该可视 化相平衡实验装置提供相平衡参数至关重要，相平衡测量的领域也要 求进一步拓宽，加入添加剂或是在纳米流体中相平衡研究也成为热 点。因此，蓄冷用制冷剂水合物新型可视化相平衡实验装置研究很有 必要。
在已有技术中，关于制冷剂水合物低压相平衡实验装置不多。在
200710026942. 7《天然气水合物相平衡模拟实验装置》的专利申请中， 该发明公开了一种天然气水合物相平衡模拟实验装置，其主要包括 相平衡模拟单元、压力控制单元、温度控制单元、稳压供液单元、稳 压供气单元、计量单元、数据采集单元。由以上各组成单元共同构成 的水合物相平衡模拟实验装置可以进行不同气体的水合物相平衡实 验，其中反应釜容积可变，并可以对不同化学药剂存在下的水合物以 及多孔介质中水合物的相平衡条件进行测定。反应釜容积的变化通过 一直流电机使釜内活塞上下移动实现。但是这种反应釜更多的是针对 天然气等高压工况，关于蓄冷用制冷剂水合物低压相平衡实验装置只 要常压下即可，关于测量的方法可以定容法，而且这样操作方便简单， 也比较精确。而且上述专利主要采用的是定压法测量得出相平衡数 据，但是该方法(定压法)测量的水合物相平衡数据与文献[Sloan E D. Clathrate Hydrates of Natural Gases. New .York :Maxcel Dekker ， 1997 ]中的数据也有一定的偏差。偏差详见《气体水合物相 平衡测定方法研究》[孙志高等，石油与天然气化工，164-166]。这 样以来，很有必要针对常压工况制冷剂水合物相平衡实验方法研究进 行研究。在制冷剂水合物装置的专利中，更多的是对促晶方法的研究， 在中国专利号01130148. 1《一种制备天然气水合物的方法及装置》中， 侧重的是一种制备天然气水合物的方法，将化学促进剂与水配制成水 溶液，在一定温度压力下，天然气与水作用，形成天然气水合物浆， 并把多余的水分离，更注重的是水合物的生产方法。在中国专利号
200410016234. 1《制冷剂气体水合物静态快速生成方法》等等都是介 绍的是水合物快速生成的方法，相关专利中关于蓄冷用制冷剂水合物 的相平衡实验装置目前还没有。 发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种蓄冷用制冷剂水合物 可视化相平衡实验装置，为制冷剂水合物在蓄冷工程中的应用提供基 本物性参数数据，使气体水合物蓄冷技术尽快走向实用化，为研制适 用于蓄冷空调工程中蓄冷工质应用提供依据。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下 一种蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装置，包括水浴、反 应筒体、摄像头、计算机、数据采集仪，其特点是反应筒体由石英 玻璃筒、搅拌电机，磁力搅拌器、上法兰端盖、下法兰端盖，温度传 感器、压力传感器组成，其中，石英玻璃筒两端分别密封连接上法兰 端盖和下法兰端盖，磁力搅拌器通过上法兰端盖中间的安装孔置于石 英玻璃筒内，其输入轴与搅拌电机相连，上法兰端盖上面分别开有二 个安装孔，反应物注入孔，抽真空连接孔，下法兰端盖上开有排出制 冷剂和水的中心孔，温度传感器和压力传感器分别安装在上法兰端盖 的二个安装孔中，并通过温度传感器数据线和压力传感器数据线与数 据采集仪相连。
石英玻璃筒的两端分别嵌入上下法兰端盖的凹槽内，里面垫上聚 四氟乙烯密封圈，并通过四根紧固螺栓将上下法兰端盖和石英玻璃筒
密实地连接在一起。
磁力搅拌器通过安装中心孔中的卡环和磁力连接装置与搅拌电 机相连接。
下法兰端盖上还开有四个备用孔，用于安装温度传感器和压力传
感器。温度传感器的精度为o.orc。
石英玻璃筒耐压值大于lMPa。
本实用新型的有益效果是
本实用新型可以非常方便地观测气体水合物在静态法或是磁力 搅拌促晶法在一定温度条件下的生成过程，该过程生成的气体水合物
非常致密，换热性能也很好；是一种可用观察法和定容法较为准确测
量制冷剂水合物(包括多元组分系统和纳米流体)相平衡参数的可视
化研究装置。
图1是蓄冷用制冷剂水合物相平衡实验系统示意图； 图2是本实用新型相平衡装置反应筒体平剖图； 图3是上法兰端盖结构内表面结构示意图； ' 图4是下法兰端盖结构内表面结构示意图。 具体实施方法
以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步描述。 如图1、 2所示，本实用新型主要包括水浴1、反应筒体2、温度 传感器数据线3、压力传感器数据线4、摄像头5、计算机6、数据采 集仪7。其中核心部件反应筒体主要由石英玻璃筒8、搅拌电机9、 磁力搅拌器IO、上法兰端盖ll、下法兰端盖12、紧固螺栓13、密封
垫圈14、温度传感器15、压力传感器16组成。
在上法兰端盖11和下法兰端盖12的外沿四周各开有四个紧固螺 栓安装螺纹孔17 (图3， 4所示)。石英玻璃筒8的两端分别嵌入上 下法兰端盖11和12的凹槽内，里面垫上聚四氟乙烯密封圈14，并 通过四根紧固螺栓13将上下法兰端盖11和12和石英玻璃筒8密实 地连接在一起，在上下法兰端盖11和12的中心位置各钻有中心孔 18和19，对上法兰端盖11，中心孔18位置通过卡环将磁力搅拌器 10通过磁力连接装置与搅拌电机9连接起来，对下法兰端盖12，中 心孔19用于排出制冷剂和水。分别在两个法兰端11和12盖靠近中 心孔18和19的四周均匀地钻上四个孔。其中对于上法兰端盖11， 一个孔20是温度传感器安装螺纹孔， 一个孔21是压力传感器安装螺 纹孔， 一个孔22是反应物注入孔， 一个孔23是抽真空连接孔。下法 兰端盖上的四个孔24是备用孔，可以用于某些情况下温度传感器和 压力传感器的安装螺纹孔等。上法兰端盖11上一个温度传感器安装 螺纹孔20，其上面安装的温度传感器15用于测量反应筒体2内部石 英玻璃筒8中间的温度，； 一个压力传感器安装螺纹孔21，其上面安 装的压力传感器16用于测量反应筒体2装置内部的压力，相平衡实 验中必须保持各个孔密封完好，不漏空气和水。
一定温度条件下制冷剂水合物完全生成过程。在利用该研究装置 作蓄冷用制冷剂水合物新型可视化相平衡过程研究时，先通过注入孔 22将蒸馏水注入反应筒体2中，并抽到所需的真空度(真空度要求 是反应釜上压力变送值为0. 002MPa以下)，利用负压在密封完好的情
况下，再注入制冷剂或其它致水合物质，可以将反应筒体2置于可视 化水浴l (如适当配比的乙烯乙二醇溶液低温冷媒)环境中，将反应 物的温度降低到可以生成气体水合物的温度，维持水合物在一定的温 度条件下，可以采用静态法或是磁力搅拌促晶法，通过透明的石英玻 璃筒观察水合物生长过程， 一直维持至气体水合物生成完成为止。水 合物诱导时间短，生成致密，也可以通过透明的石英玻璃筒观察水合
物生长过程。反应筒体2中反应结束后，通过采集到的压力数据长时
间无明显变化判定反应完成。人或摄像系统可以透过玻璃筒观察整个 气体水合物的生长过程。这样一定温度条件下水合物完全生成。
制冷剂水合物相平衡测定方法。通过促晶措施一定温度条件下完 全生成水合物后，可以通过观察法和定容法测定制冷剂水合物相平衡
参数。对于观察法，步骤如下 一定温度条件下完全生成水合物后， 温度调节完好的情况下，调节水浴温度缓慢升高水合物温度，使水合 物分解，当研究体系中仅有极少量的水合物晶体存在，这时保持温度
不变，则反应釜中水合物能存在3小时，如果温度稍微浮动上升0. 1°C
左右，反应釜中水合物完全分解，则反应釜中压力温度看作是该体系
的相平衡数据。对于定容法，步骤如下 一定温度条件下完全生成水 合物后，温度调节完好的情况下，改变恒温装置工况，升温缓慢分解
水合物。水合物分解过程中温度的升高可以分段进行(升高到18。C， 升高分5-6个阶段进行)，且每阶段都有充裕的时间使系统达到平衡 状态，保证水合物完全分解。这时水合物形成/分解图(V-T图)的 交点(利用作图法)为相平衡点。重新设定温度，重复上述过程，即
得其他相平衡点。
制冷剂水合物相平衡测定领域扩展。考虑到在定温测量中，通过 改变反应筒体气体量的方法来调节压力不能用于多组分系统，因为在 改变气体量的过程中可能会改变气体的成分。同样在定压测量中通过 改变反应筒体中气体量的方法来保持压力不能用于多组分系统。该蓄 冷用制冷剂水合物新型可视化相平衡实验装置采用定容法对多组分 系统相平衡实验参数同样适用。已经进行过研究的有
HCFC-141b/HFC-134a、 HCFC-141b/HFC-152a 、
HFC-32/HFC-143a/HFC-134a、 HFC-134a/环戊烷、HFC-407C等，可供
进一步研究的多元组分体系有HFC-365mfc/HFC-134a、
HFC-365mfc/HFC-152a、 HFC-365mfc/HFC-227ea、
HFC-236ea/HFC-134a、 HFC-236ea/HFC-152a、 HFC-236ea/HFC-227ea、
HFC-245fa/HFC-134a、 HFC-245fa/HFC-152a、 HFC-245fa/HFC-227ea、
HFC-236ea/HFC-134a、 HFC-236ea/HFC-152a、 HFC-236ea/HFC-227ea、
环戊垸/HFC-227ea、环戊垸/HFC-152a等等。
另外，由于较强的磁力电机搅拌作用，对于纳米流体中水合物相 平衡测量，借助外界剪切力等机械能使纳米粒子在介质中充分分散， 从而利于在液相介质形成稳定悬浮液，抑制纳米颗粒的团聚作用。纳 米粒子具有大的比表面积和高的比热，由于布朗运动，有利于形成稳 定的悬浮液，在水合物制备中具有良好的换热能力，而且纳米颗粒还 有可能起到润滑流道的作用，纳米流体中水合物的相平衡研究为制冷 剂水合物在空调蓄冷中的应用奠定了基础。
本实用新型可以非常方便地观测气体水合物在静态法或是磁力 搅拌促晶法在一定温度条件下的生成过程，该过程生成的气体水合物 非常致密，换热性能也很好；是一种可用观察法和定容法较为准确测 量制冷剂水合物(包括多元组分系统和纳米流体)相平衡参数的可视 化研究装置。
权利要求1.一种蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装置，包括水浴(1)、反应筒体(2)、摄像头(5)、计算机(6)、数据采集仪(7)，其特征在于，所述反应筒体(2)由石英玻璃筒(8)、搅拌电机(9)，磁力搅拌器(10)、上法兰端盖(11)、下法兰端盖(12)，温度传感器(15)、压力传感器(16)组成，其中，石英玻璃筒(8)两端分别密封连接上法兰端盖(11)和下法兰端盖(12)，磁力搅拌器(10)通过上法兰端盖(11)中间的安装孔(18)置于石英玻璃筒(8)内，其输入轴与搅拌电机(9)相连，上法兰端盖(11)上面分别开有二个安装孔(20，21)，反应物注入孔(22)，抽真空连接孔(23)，下法兰端盖(12)上开有排出制冷剂和水的中心孔(19)，温度传感器(15)和压力传感器(16)分别安装在上法兰端盖(11的二个安装孔(20，21)中，并通过温度传感器数据线(3)和压力传感器数据线(4)与数据采集仪(7)相连。
2. 根据权利要求1所述的蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装 置，其特征在于，所述石英玻璃筒(8)的两端分别嵌入上、下法兰 端盖(11， 12)的凹槽内，里面垫上聚四氟乙烯密封圈(14)，并通 过四根紧固螺栓(13)将上、下法兰端盖(11， 12)和石英玻璃筒(8) 密实地连接在一起。
3. 根据权利要求1所述的蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装 置，其特征在于，所述磁力搅拌器(10)通过安装中心孔(18)中的卡环和磁力连接装置与搅拌电机(9)相连接。
4. 根据权利要求1所述的蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装 置，其特征在于，所述下法兰端盖(12)上还开有四个备用孔(24)， 用于安装温度传感器和压力传感器。
5. 根据权利要求1所述的蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装置，其特征在于，所述温度传感器(15)的精度为o.orc。
6. 根据权利要求1所述的蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装 置，其特征在于，所述石英玻璃筒(8)耐压值大于lMPa。
专利摘要本实用新型涉及一种蓄冷用制冷剂水合物可视化相平衡实验装置，它包括水浴、反应筒体、摄像头、计算机、数据采集仪，其特点是反应筒体由石英玻璃筒、搅拌电机，磁力搅拌器、上法兰端盖、下法兰端盖，温度传感器、压力传感器组成。本实用新型可以非常方便地观测气体水合物在静态法或是磁力搅拌促晶法在一定温度条件下的生成过程，该过程生成的气体水合物非常致密，换热性能也很好；是一种可用观察法和定容法较为准确测量制冷剂水合物(包括多元组分系统和纳米流体)相平衡参数的可视化研究装置。
文档编号G01N33/00GK201184871SQ20072019906
公开日2009年1月21日 申请日期2007年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者刘道平, 刚 李, 谢应明 申请人:上海理工大学