纳米制冷剂蓄冷材料制备及其水合相变过程机理研究

制冷剂气体水合物具有独特的相变性能，可实现能量储存与合理利用，是新一代蓄冷工质，具有良好发展前景。针对目前制冷剂和水的相容性差、界面水合反应速率慢、传热传质效率低、两相混合能耗高的难题，该项目提出一种新型的纳米制冷剂水合物相变蓄冷材料，即利用复配添加剂的特殊增溶作用提高制冷剂和水的两相相容性，使制冷剂以纳米尺度分散于水相中，形成热力学稳定的微乳液相变蓄冷材料。研究内容包括微乳液相变蓄冷材料的制备、表面活性添加剂的筛选及复配、纳米制冷剂微乳液的界面性质、制冷剂水合物晶体成核与生长特性、水合反应动力学影响因素及强化机制、纳米制冷剂水合物热物性分析测试、水合反应过程热力学特性等。目的是认识微乳液中烃类水合物生成机理，优化纳米制冷剂水合物蓄冷材料性能，促进制冷剂水合物均匀快速生成，提高制冷剂水合物的蓄冷效率。研究成果有助于推动制冷剂气体水合物、微乳液反应、溶液结晶等领域的科学理论和应用技术的发展。

气体水合物（笼型水合物）在能源储存、化合物分离和提纯及气体储存等领域具有巨大的应用前景，制冷剂水合物是新型蓄冷相变材料。水合物快速、均匀生成是实现水合物技术实际应用的关键。制冷剂多不溶于水，生成水合物的诱导时间长、过冷度大，且反应转化率低。该研究通过增大制冷剂客体分子在水中的溶解度实现水合物大量快速生成，制备了热力学稳定的R141b/H2O微乳液，R141b在微乳液中的水合反应诱导时间显著缩短。观察了微乳液体系水合物生成形貌，水合反应速度快、晶体均匀、填充率高。探索了微乳液体系纳米制冷剂水合物晶体生长规律和机理。考察了T20浓度、R141b含量和温度等水合反应实验条件的影响。.考察了极性溶剂对R141b/H2O粗混合体系水合反应的影响。添加四氢呋喃（THF）促进了R141b水合反应，探讨了二元混合工质R141b/THF的蓄冷优势。在微乳液添加纳米粒子构建纳米流体，纳米Al和Cu对R141b制冷剂水合反应促进效果显著。微乳液中加入0.1 wt%的纳米粒子Al和Cu后反应诱导时间缩短了60.6%，过冷度减小了55.3%。.利用混合量热法测量了不同体系中生成R141b水合物浆体的蓄冷量，微乳液中生成水合物浆体蓄冷量高于粗混合体系中生成水合物浆体的蓄冷量。对制冷剂气体水合物的分解条件进行了实验测量和模型计算。采用定容法测量了水合物-制冷剂气体-水三相平衡数据。搭建了相平衡实验装置，测量了R141b、R134a、R152a和R32的饱和蒸汽压及其水合物的相平衡温度和压力，建立了制冷剂气体水合物相平衡理论模型，相平衡模型预测值与实验值平均误差分别为1.9%, 3.21%, 4.03%以及1.03%。计算了水合物分解热，计算结果与文献结果总体平均误差为2.87%。.为寻找可持续使用的制冷剂作为水合物蓄冷工质，测试了新型环保制冷剂的热力学性质。采用振动弦法测量了HFO-1234yf和HFO-1234ze(E)的黏度，实验结果的不确定度为2 %。利用基于硬球理论的模型对实验数据进行了关联计算，与实验数据的平均绝对误差分别为0.44%和0.59%。测量了HFE7、HFE7100、HFE7200以及HFE7500的黏度，总体置信区间为0.95的不确定度为2%，实验结果与Andrade-Tait经验方程相关性较高，平均绝对误差分别为0.44%, 0.38%, 0.56%和0.56%。