二氧化碳水合物導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散特性

萬(wàn)麗華，梁德青，李棟梁，關(guān)進(jìn)安

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二氧化碳水合物導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散特性

萬(wàn)麗華1,2，梁德青1,2，李棟梁1,2，關(guān)進(jìn)安1,2

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2中國(guó)科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率是天然氣水合物資源開(kāi)采關(guān)鍵性基礎(chǔ)熱物性數(shù)據(jù)，采用反應(yīng)釜內(nèi)壁襯有氟塑料材料，低過(guò)冷度，讓水合物在反應(yīng)釜內(nèi)逐層生成的合成方法，獲得可直接用于導(dǎo)熱測(cè)試的二氧化碳水合物樣品。采用瞬變平面熱源法原位測(cè)試了溫度264.68～282.04 K、壓力1.5～3 MPa二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率，并測(cè)試了二氧化碳水合物在268.05 K、0.6 MPa左右發(fā)生自保護(hù)效應(yīng)過(guò)程中熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率，獲得了晶態(tài)下和自保護(hù)效應(yīng)過(guò)程中的二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率變化特性。測(cè)試結(jié)果將為天然氣水合物資源的開(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

水合物；熱力學(xué)性質(zhì)；熱傳導(dǎo)；熱擴(kuò)散率；平面熱源法；自保護(hù)效應(yīng)

引 言

氣體水合物是由氣體分子和水在一定溫度、壓力條件下生成的一種籠型晶體，天然氣組分如CH4、C2H6、C3H8、CO2、H2S，以及其他氣體如Ne、Ar、Kr、Xe、N2、O2等都可以形成水合物。天然氣水合物是21世紀(jì)最重要的能源資源[1]?？煽康臒嵛镄詳?shù)據(jù)對(duì)于自然界天然氣水合物的成藏和天然氣水合物資源勘探、開(kāi)采以及綜合利用等具有重要意義。

氣體水合物導(dǎo)熱、熱擴(kuò)散率目前研究較多的是甲烷水合物[2-7]、四氫呋喃（tetrahydrofuran，THF）水合物[8-10]的導(dǎo)熱和水合物作為晶體表現(xiàn)玻璃體導(dǎo)熱的特性[11-15]，以及獲得少量分散的熱擴(kuò)散率測(cè)試數(shù)據(jù)。Waite 等[5]采用探針?lè)▽?duì)溫度為253.15～280.15 K的sI甲烷水合物的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率做了測(cè)試，甲烷水合物的熱擴(kuò)散率值為(0.3～0.31)×10-6 m2·s-1。此外，Waite等[8]還使用探針測(cè)試了THF水合物的熱擴(kuò)散率，其測(cè)試值約為0.3×10-6 m2·s-1；而Huang 等[6]采用瞬變平面熱源法測(cè)試了甲烷水合物（sI 型）在263.15～278.15 K 附近的熱導(dǎo)率，其測(cè)試值約為0.56 W·m-1·K-1；Rosenbaum等[7]采用了瞬變平面熱源法測(cè)試了溫度261.5～277.4 K、壓力3.8～14.2 MPa的甲烷水合物的熱擴(kuò)散率，測(cè)量值為(0.196～0.208)×10-6 m2·s-1。Turner 等[16]也測(cè)試了甲烷水合物的熱擴(kuò)散率為(0.31～0.33)×10-6 m2·s-1。

研究人員采用不同方法對(duì)純水合物的導(dǎo)熱和熱擴(kuò)散率開(kāi)展了測(cè)試研究工作，獲得了相關(guān)參數(shù)。而二氧化碳水合物由于本身硬度較大，較難壓縮，難以獲得可以直接用于測(cè)試的二氧化碳水合物樣品，因而目前尚未有公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值。

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)水合法制備的樣品通常存在樣品稀松、孔隙大，需壓實(shí)致密的問(wèn)題，通常的做法是采用活塞裝置對(duì)其進(jìn)行原位加壓致密[17]。但這樣的做法通常會(huì)對(duì)水合物晶體造成一定的晶體缺陷，使得導(dǎo)熱測(cè)試值偏大，同時(shí)對(duì)硬度過(guò)大的水合物如二氧化碳水合物等無(wú)法進(jìn)行原位加壓致密。實(shí)際上，許多因素影響著水合物晶體的形成和成長(zhǎng)過(guò)程，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壁襯有氟塑料材料時(shí)，二氧化碳水合物在氣液界面處均勻形成[18-19]，沿著液相均勻生長(zhǎng)，生成的水合物塊表面平整、厚度均勻。因此本文采用反應(yīng)釜內(nèi)壁襯有氟塑料材料，生成前高溶解氣體、生成過(guò)程低過(guò)冷度，讓水合物在反應(yīng)釜內(nèi)逐層生成的樣品合成方法。本文測(cè)試了溫度263.15～282.15 K、壓力1.5～3 MPa二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率。

此外，由于天然氣水合物在動(dòng)態(tài)聚散過(guò)程中的熱物性參數(shù)變化特性對(duì)于天然氣水合物能源資源開(kāi)發(fā)利用具有重要意義，因此本文還測(cè)試了在自保護(hù)效應(yīng)過(guò)程中的二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率變化特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

導(dǎo)熱測(cè)量系統(tǒng)主要為基于瞬變平面熱源法（transient plane source method,TPS）[20-21]的瑞典Hotdisk AB 公司生產(chǎn)的Hotdisk 熱物性分析測(cè)試儀（Hotdisk Thermal Constant Analyser）。探頭是由10mm厚的鎳金屬按雙螺旋線布置，并用聚酰亞胺材料保護(hù)起來(lái)。探頭在測(cè)試過(guò)程既是加熱樣品的熱源，又是用來(lái)記錄溫度升高的阻值溫度計(jì)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置（圖1）集水合物樣品合成與水合物導(dǎo)熱測(cè)試于一體，系統(tǒng)主要是由水合物反應(yīng)釜、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和導(dǎo)熱探頭、Hotdisk導(dǎo)熱測(cè)試系統(tǒng)及相關(guān)管路組成。水合物反應(yīng)釜為圓柱形反應(yīng)器，反應(yīng)釜內(nèi)體積為150 ml，內(nèi)徑26 mm，用不銹鋼制成，耐壓25 MPa。水合物反應(yīng)釜內(nèi)壁襯有氟塑料材料，釜底部放置背景材料。氟塑料材料厚1 mm，高60 mm。背景材料為托馬斯高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠固化后的圓柱體，圓柱體內(nèi)徑25 mm，托馬斯高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠具有耐高壓、防腐性、耐酸堿性，固化后，298.15 K，熱導(dǎo)率0.42 W·m-1·K-1，熱擴(kuò)散系數(shù)0.2283×10-6 m2·s-1。同時(shí)導(dǎo)熱探頭亦通過(guò)托馬斯高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠粘在背景材料的表面上。本實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)材料見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)材料

進(jìn)氣管路臨近反應(yīng)釜處設(shè)1個(gè)壓力傳感器，量程0～25 MPa，精度為0.25級(jí)。1個(gè)溫度傳感器的測(cè)點(diǎn)位于反應(yīng)釜底部。溫度傳感器采用Pt-100鉑電阻溫度傳感器，量程為223.15～473.15 K，精度為±0.1 K。溫度控制系統(tǒng)由恒溫空氣浴控制，溫控范圍223.15～375.15 K，溫控精度為±0.1 K。壓力控制系統(tǒng)由壓力表和反應(yīng)釜控制，實(shí)驗(yàn)全程保證反應(yīng)釜及管路密封，無(wú)氣體泄漏。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀完成。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先反應(yīng)釜加入25 ml蒸餾水，蓋上反應(yīng)釜蓋。對(duì)反應(yīng)釜和管路進(jìn)行抽真空。反應(yīng)釜進(jìn)氣，壓力3 MPa，靜置3 d，讓二氧化碳?xì)怏w充分溶于水中。3 d后反應(yīng)釜再次進(jìn)氣，釜內(nèi)壓力再次達(dá)3 MPa，開(kāi)啟空氣浴，空氣浴設(shè)定溫度約283.15 K，對(duì)反應(yīng)釜降溫，反應(yīng)釜達(dá)到設(shè)定溫度前，確保釜內(nèi)溫度壓力不在水合物生成范圍內(nèi)。達(dá)到空氣浴設(shè)定溫度283.15 K后維持1 h。此后每隔1 h空氣浴設(shè)定溫度降低1 K。當(dāng)釜內(nèi)溫度壓力在水合物生成范圍內(nèi)，根據(jù)釜內(nèi)溫度、壓力，計(jì)算過(guò)冷度，并重新設(shè)定空氣浴溫度，控制過(guò)冷度不超過(guò)1 K，并維持1 h。當(dāng)釜內(nèi)壓力讀數(shù)基本不發(fā)生變化，可以認(rèn)為水合物反應(yīng)基本結(jié)束。再次充入二氧化碳?xì)怏w壓力達(dá)到3 MPa。靜置3 d，讓水合物老化3 d。水合物樣品合成完畢。內(nèi)襯氟塑料的特點(diǎn)是低導(dǎo)熱，表面光滑，不吸水。內(nèi)襯低導(dǎo)熱的材料，確保水合反應(yīng)始終在氣液界面處進(jìn)行，而不會(huì)在氣液界面以上的內(nèi)壁進(jìn)行，生成前高溶解氣體，確保水合反應(yīng)不被已經(jīng)形成的水合物層隔斷。低過(guò)冷度，確保水合物塊厚度均勻。因此，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，水合反應(yīng)僅在氣液界面處進(jìn)行，水合物在氣液界面處逐層形成，最終形成表面平整、內(nèi)部致密的水合物塊。

打開(kāi)Hotdisk 熱物性分析測(cè)試儀對(duì)樣品進(jìn)行導(dǎo)熱、熱擴(kuò)散率測(cè)試。測(cè)量時(shí)，每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量3次，每次測(cè)量時(shí)間間隔15 min，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該點(diǎn)的測(cè)量值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 可靠性校驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，本文測(cè)試了263.15～277.15 K的THF水合物的熱導(dǎo)率，測(cè)試結(jié)果與Waite 等[8]測(cè)試結(jié)果吻合（圖2），說(shuō)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有一定可靠性。THF水合物的熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線可以分為2段，275.55 K以下熱導(dǎo)率隨溫度升高稍有升高，其值約為0.49 W·m-1·K-1，而275.65～277.15 K熱導(dǎo)率隨溫度升高而急劇增大。THF水合物的四相平衡點(diǎn)Q2點(diǎn)為277.15 K，在臨近分解點(diǎn)附近，水合物不穩(wěn)定，出現(xiàn)相變傳熱，吸收探頭產(chǎn)生的熱量，造成水合物熱導(dǎo)率在臨近分解點(diǎn)附件有一個(gè)突然增大的過(guò)程。

2.2 熱導(dǎo)率

圖3給出了二氧化碳水合物熱導(dǎo)率與溫度關(guān)系。溫度范圍264.68～282.04 K，壓力約1.5～3 MPa。具體測(cè)試值見(jiàn)表2。從圖3 可以看出，二氧化碳水合物熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線可分為2段，264.68～274.49 K溫度范圍內(nèi)，二氧化碳水合物熱導(dǎo)率隨溫度升高而稍有升高，樣品的平均熱導(dǎo)率約為0.6527 W·m-1·K-1。在這一溫度范圍內(nèi)沒(méi)有表現(xiàn)出很強(qiáng)的玻璃體導(dǎo)熱特性，說(shuō)明樣品中孔隙較少，本文所采用的樣品合成方法，可以用來(lái)合成低孔隙度的水合物樣品。二氧化碳水合物本身硬度大，很難用加壓的方式壓縮樣品降低孔隙度，在這種情況下本文所采用的樣品合成方法是非常有效的。

表2 二氧化碳水合物熱導(dǎo)率(l)、熱擴(kuò)散率測(cè)試值(a)隨溫度(T)的變化

在275.47～282.04 K溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨溫度升高而急劇增大，當(dāng)溫度為282.04 K時(shí)，熱導(dǎo)率達(dá)1.0700 W·m-1·K-1。與THF水合物相似，二氧化碳水合物在臨近分解點(diǎn)283.15 K附近，熱導(dǎo)率有一個(gè)突然增大的過(guò)程。

二氧化碳水合物為sI水合物，為了分析二氧化碳水合物的導(dǎo)熱，圖3還示出了同為sI水合物的甲烷水合物熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線[5-6]。文獻(xiàn)[6]甲烷水合物的樣品是通過(guò)280 mg·L-1的SDS水溶液合成，合成的樣品中存在殘存的SDS溶液，SDS溶液熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大，其中甲烷水合物熱導(dǎo)率隨溫度的正向依賴關(guān)系可能與殘存的SDS溶液有關(guān)。本文測(cè)試的二氧化碳水合物的熱導(dǎo)率在溫度264.68～274.49 K的正向依賴關(guān)系，與文獻(xiàn)[6]甲烷水合物的樣品熱導(dǎo)率隨溫度的正向依賴關(guān)系相似，推測(cè)本文樣品中可能殘存水，并在冰點(diǎn)以下以過(guò)冷水的形式存在。

文獻(xiàn)[5]中甲烷水合物的樣品由冰粉生成，因此樣品的含氣率較高。含氣率越高熱導(dǎo)率越大，所以文獻(xiàn)[5]的熱導(dǎo)率比文獻(xiàn)[6]的熱導(dǎo)率大。過(guò)冷度越低，含氣率越低，因此，本文合成的二氧化碳水合物樣品的含氣率并不高。但二氧化碳水合物的密度較甲烷水合物的密度大，密度越大，熱導(dǎo)率越大。因此本文合成的二氧化碳水合物樣品的熱導(dǎo)率曲線在文獻(xiàn)[5]的熱導(dǎo)率曲線之上。而文獻(xiàn)[22]為含氣率100%的MD模擬值，該點(diǎn)在所有曲線之上。

2.3 熱擴(kuò)散系數(shù)

本文測(cè)試了THF水合物和二氧化碳水合物的熱擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)圖4。為了方便比較，圖中還給出了文獻(xiàn)[8]的THF水合物，文獻(xiàn)[5，7，16]純甲烷水合物以及文獻(xiàn)[8]的冰的熱擴(kuò)散系數(shù)。本文測(cè)試的263.35～276.15 K THF水合物熱擴(kuò)散系數(shù)，與文獻(xiàn)[8]測(cè)試的248.15～265.65 K下THF水合物在溫度重合部分曲線基本一致，說(shuō)明本文的熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法具有一定可靠性。與THF水合物熱導(dǎo)率曲線相似，THF水合物在臨近分界點(diǎn)附近熱擴(kuò)散系數(shù)突然增大，是由于臨近分界點(diǎn)水合物不穩(wěn)定，熱交換速率變大所致。同樣，與二氧化碳水合物熱導(dǎo)率曲線相似，二氧化碳水合物熱擴(kuò)散系數(shù)曲線亦分為2段，在264.7～273.8 K熱擴(kuò)散系數(shù)約為0.16×10-6 m2·s-1，在臨近分界點(diǎn)附近增大，在282.1 K熱擴(kuò)散系數(shù)約為0.65×10-6 m2·s-1。文獻(xiàn)[5，7，16]純甲烷水合物熱擴(kuò)散系數(shù)相差較大，與各測(cè)試所采用的方法和樣品是否壓縮有關(guān)。

2.4 降壓分解過(guò)程

二氧化碳水合物導(dǎo)熱測(cè)試結(jié)束后體系溫度維持在266.05 K，后迅速降壓至0.6 MPa左右，并且基本保持在0.6 MPa左右，二氧化碳水合物發(fā)生分解，分解過(guò)程中的溫度壓力變化曲線如圖5所示。本文測(cè)試了體系在降壓后的9個(gè)時(shí)間點(diǎn)（A、B、C、D、E、F、G、H、I）的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)，其值見(jiàn)表3，降壓分解過(guò)程體系導(dǎo)熱、熱擴(kuò)散性能變化曲線見(jiàn)圖6。

降壓后到分解進(jìn)行37 min（降壓開(kāi)始—A—C），體系升溫。水合物單純的分解過(guò)程是降溫吸熱過(guò)程，而二氧化碳水合物在0.6 MPa左右分解開(kāi)始后體系溫度升高（266.05 K升至266.55 K），說(shuō)明可能有冰生成。冰的形成是放熱過(guò)程，且冰的形成熱大于二氧化碳水合物分解焓，因此整個(gè)體系放熱，溫度升高，從而說(shuō)明分解過(guò)程形成冰膜，產(chǎn)生自保護(hù)效應(yīng)。分解進(jìn)行從37 min到64 min（對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)C—D），整個(gè)體系被厚厚的冰層覆蓋，分解緩慢，此為自保護(hù)效應(yīng)，暫時(shí)維持亞穩(wěn)態(tài)。分解進(jìn)行64 min后到109 min（D—G），系統(tǒng)緩慢降溫吸熱冰融化，水合物分解，直至趨于平衡266.27 K。在這個(gè)過(guò)程中冰膜和被冰膜包裹的二氧化碳水合物分解形成過(guò)冷水和二氧化碳?xì)怏w。G點(diǎn)之后分解基本結(jié)束。整個(gè)分解過(guò)程達(dá)109 min。

2.5 降壓分解過(guò)程導(dǎo)熱、熱擴(kuò)散變化特性

表3和圖6顯示體系降壓后，熱導(dǎo)率即刻升高。冰的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于水和二氧化碳水合物的熱導(dǎo)率，說(shuō)明水合物立即分解成冰，形成自保護(hù)效應(yīng)。在降壓后17 min（對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)B）熱導(dǎo)率達(dá)到最大2.642 W·m-1·K-1，說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)形成較厚的冰膜。由于本文采用瞬變平面熱源法原位測(cè)試，可推測(cè)降壓后二氧化碳水合物幾乎立刻分解生成冰，且分解從邊緣處開(kāi)始。結(jié)合溫度壓力變化曲線分析結(jié)果，可知該時(shí)間段（分解開(kāi)始—A—D）內(nèi)體系無(wú)液態(tài)，邊緣處為冰，且冰層越來(lái)越厚，二氧化碳?xì)怏w穿過(guò)冰層釋放出來(lái)，使得熱導(dǎo)率在達(dá)到最大后略有降低。在降壓后的第17～64分鐘即自保護(hù)期間（對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)B—D）熱導(dǎo)率超過(guò)2.3 W·m-1·K-1，也就是被厚厚冰層覆蓋的時(shí)間占分解時(shí)間（降壓開(kāi)始—A—G）的43.1%，即自保護(hù)時(shí)間為43.1%。自保護(hù)效應(yīng)結(jié)束之后的分解時(shí)間(D—G)占41.3%。因此，自保護(hù)效應(yīng)的產(chǎn)生使得降壓分解過(guò)程大大延長(zhǎng)。

表3 自保護(hù)效應(yīng)過(guò)程體系熱導(dǎo)率(l)、熱擴(kuò)散率測(cè)試值(a)隨降壓分解時(shí)間(t)的變化

根據(jù)體系的熱擴(kuò)散率的大小，可以將整個(gè)分解過(guò)程分為3個(gè)階段，第1階段Ⅰ為體系在迅速降壓后到被厚厚冰層覆蓋前（降壓開(kāi)始—A—B），體系無(wú)液態(tài)水，固態(tài)多數(shù)為二氧化碳水合物，少量冰，熱擴(kuò)散系數(shù)較低。第2階段Ⅱ進(jìn)入自保護(hù)效應(yīng)期間（B—D）系統(tǒng)被冰包裹熱擴(kuò)散系數(shù)稍有增大；第3階段Ⅲ為自保護(hù)效應(yīng)結(jié)束后到分解結(jié)束體系形成過(guò)冷水期間（D—G），熱擴(kuò)散系數(shù)超過(guò)1.0×10-6 m2·s-1。體系熱擴(kuò)散系數(shù)Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ，熱擴(kuò)散系數(shù)是熱量傳遞快慢的重要參數(shù)，反映了隨著分解過(guò)程的進(jìn)行體系熱量傳遞越來(lái)越快。在整個(gè)降壓分解過(guò)程中，自保護(hù)效應(yīng)期間（B—D）體系雖然熱導(dǎo)率最大，但熱量交換較少、交換速率較慢。

3 結(jié) 論

本文二氧化碳水合物樣品采用反應(yīng)釜內(nèi)壁襯有氟塑料材料，生成前高溶解氣體、生成過(guò)程低過(guò)冷度，讓水合物在反應(yīng)釜內(nèi)逐層生成的樣品合成方法，采用瞬變平面熱源法原位測(cè)試了晶態(tài)下和自保護(hù)效應(yīng)下的二氧化碳水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)。

（1）二氧化碳水合物熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線可分為2段，本文測(cè)試的二氧化碳水合物的熱導(dǎo)率在溫度264.68～274.49 K呈正向依賴關(guān)系。在275.47～282.04 K溫度范圍內(nèi)，熱導(dǎo)率隨溫度升高而急劇增大，與THF水合物相似二氧化碳水合物在臨近分解點(diǎn)附近，熱導(dǎo)率有一個(gè)突然增大的過(guò)程。

（2）與二氧化碳水合物熱導(dǎo)率曲線相似，二氧化碳水合物熱擴(kuò)散系數(shù)曲線亦分為2段，在264.7～273.8 K熱擴(kuò)散系數(shù)約為0.16×10-6 m2·s-1，在臨近分界點(diǎn)附近增大，在282.1 K熱擴(kuò)散系數(shù)約為0.65×10-6 m2·s-1。

（3）二氧化碳水合物零度以下降壓至0.6 MPa，立即形成冰膜，體系放熱升溫，體系熱導(dǎo)率即刻升高，進(jìn)入自保護(hù)效應(yīng)期間系統(tǒng)被冰包裹熱導(dǎo)率超過(guò)2.3 W·m-1·K-1，而熱擴(kuò)散率稍有增大，此后冰膜和被冰膜包裹的二氧化碳水合物分解形成過(guò)冷水和二氧化碳?xì)怏w，體系熱導(dǎo)率逐漸降低，熱擴(kuò)散率超過(guò)1.0×10-6 m2·s-1，反映了隨著分解過(guò)程的進(jìn)行體系熱量傳遞越來(lái)越快。在整個(gè)降壓分解過(guò)程中，自保護(hù)效應(yīng)期間體系雖然熱導(dǎo)率最大，但熱量交換較少、交換速率較慢。

本文的測(cè)試結(jié)果將為天然氣水合物資源的開(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

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Characteristics of thermal conductivity and thermal diffusivity of carbon dioxide hydrate

WAN Lihua1,2, LIANG Deqing1,2, LI Dongliang1,2, GUAN Jin’an1,2

(1Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2Key Laboratory of Gas Hydrate, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Thermal conductivity and thermal diffusivity are two key basic factors of thermal property data that determine gas hydrate resource extraction. In this study, carbon dioxide hydrate sample was formed from a supersaturated carbon dioxide gas solution and layer by layer formed with the equal thickness in the reactor cell lined with fluorine plastics. The thermal conductivity and thermal diffusivity of carbon dioxide hydrate were-measured by means of transient plane source technique. The measurements were performed at 264.68—282.04 K and 1.5—3 MPa. The measurements were also performed during self-preservation effect process at 268.05 K and 0.6 MPa. The characteristics of thermal conductivity and thermal diffusivity of carbon dioxide hydrate were obtained on crystalline state and during self-preservation effect process. The results of this paper can provide basic data and theoretical basis for the development and utilization of natural gas hydrate resources.

hydrate; thermodynamic properties; heat conduction; thermal diffusivity; transient plane source technique; self-preservation effect

2016-03-30.

Prof.LIANG Deqing, liangdq@ms.giec.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160384

TQ 028.8

A

0438—1157（2016）10—4169—07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576197，51106163）；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程（KGZD-EW-301）。

2016-03-30收到初稿，2016-07-25收到修改稿。

聯(lián)系人：梁德青。第一作者：萬(wàn)麗華（1976—），女，博士，副研究員。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51576197, 51106163) and the Knowledge Innovation Program in Chinese Academy of Sciences (KGZD-EW-301).