过冷解除法制备水合物浆体中的热物理现象和机理研究

The investigation of thermo-physical phenomena and mechanisms in the generation of clathrate hydrate slurry by using supercooling release method is very important to the understanding of the fundamental properties and increasing the generation efficiency of clathrate hydrate slurry as well as to cold storage and transport applications. The present research will focus on the heat and mass transfer in the generation of clathrate hydrate slurry using supercooling release method from the multi-disciplinary aspects of engineering thermophysics, chemical engineering and refrigeration. The investigation of the formation and growth of crystal nuclei will provide new idea and fundamental information to the high-efficiency generation of clathrate hydrate slurry. The investigations of the heat and mass transfer between solid phase and liquid phase along with the multi-fields coupled thermo-physical problem will be experimentally conducted, and the theoretical models will be proposed to describe the mechanisms. The research results can be very instructive to deepen the understanding of the fundamental heat and mass transport phenomena and mechanisms of the clathrate hydrate slurry and can provide fundamental data for its further application. Furthermore, it can add new knowledge to the fields of similar phase change material slurries and solid-liquid two-phase systems as well as to the discipline of the engineering thermophysics.

对过冷解除法制备水合物浆体过程中的热物理现象和机理的研究对深入认识水合物浆体的基本特性、提高水合物浆体的制备效率和在蓄冷与冷量输送等方面的应用都具有重要意义。本研究将从工程热物理、化学工程及制冷等多学科交叉的角度出发，结合理论分析、实验研究和数值计算，针对过冷解除法制备水合物浆体过程中的热质传递规律和机理进行深入研究。通过对水合物浆体晶核形成特性和晶体生长规律的研究，可为水合物浆体的高效制备提供基础数据和新思路；对水合物浆体固相颗粒和液相间的微观热质传递过程以及水合物浆体固相浓度提升过程中的多场耦合热物理问题进行实验研究，并建立数学物理模型进行理论分析和数值计算，以获得相关的热质传递特性和机理。通过本研究可进一步深入认识水合物浆体的基本热物理性质和规律，为其应用提供理论基础和指导；同时相关研究成果也可为其他相变浆体和固液两相体系的研究提供借鉴和参考，并可促进工程热物理学科同其他学科的交叉。

对过冷解除法制备水合物浆体过程中的热物理现象和机理的研究对深入认识水合物浆体的基本特性、提高水合物浆体的制备效率和在蓄冷与冷量输送等方面的应用都具有重要意义，同时对其他相变浆体的制备和研究也具有重要的参考价值。本研究从工程热物理、化学工程及制冷等多学科交叉的角度出发，结合理论分析、实验研究和数值计算，针对过冷解除法制备水合物浆体及其他相变浆体过程中的热质传递规律和机理进行了深入研究。针对过冷解除法制备水合物浆体的热物理过程建立了完整的数学物理模型，进一步在此基础上将相关的热物理模型拓展到水的过冷解除和相变微胶囊浆体的制备和相关流动与传热过程的描述中，深入分析了相关的现象和机理，特别是明晰了水的过冷解除过程中再辉现象-recalescence的具体热物理行为和过程机理。采用过冷解除法成功制备了高固相率的水合物浆体。针对水合物浆体应用于气体分离，深入研究了促进剂对CO2水合物的加速形成作用和机理，考察了TBAF对水合物的形成和促进并针对CO2/H2/TBAF水合物的形成特性在不同条件下进行了实验研究，获得了水合物的形成率等信息。开展了纳米相变微胶囊浆体的制备研究，并对其在蓄热过程中的流动与传热特性等进行了实验与理论研究，获得了相关的特性和机理；为进一步提升蓄热量，针对微米尺度的相变胶囊开展了光吸收和太阳能蓄存相关的研究，结合Mie散射和非独立散射分析了相变微胶囊浆体的光学特性，并将其耦合到相变微胶囊浆体的流动与传热过程中，对其流动与传热及蓄热过程进行了分析和计算。针对相变过程中的过冷现象与机理和相关应用进行了深入研究，提出了采用相变材料的过冷解除来构件新型热器件－固液相变热二极管，并采用其对传热过程进行调控，获得了较大的热调制比，并对该新型相变热二极管的工作机理进行了深入研究和揭示。通过本研究进一步深化了对过冷解除法制备水合物浆体的相关现象和机理的认识，为其应用提供了相关的基础数据和指导。本项目共发表SCI收录论文19篇，EI收录论文24篇，邀请论文1篇，项目负责人在重要国际会议上作特邀报告7次，申请发明专利1项，毕业博士生2人，1人获得2019年上海交通大学优秀博士学位论文提名奖，毕业硕士生3人，项目负责人担任国际期刊Energy编委和国际制冷学会A2委员会主席和国际制冷学会科技理事会理事。