獨(dú)立探頭3ω法表征甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率

姚貴策，苑昆鵬，吳　碩，王照亮

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）能源與動(dòng)力工程系，山東 青島 266580；2吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012）

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研究論文

獨(dú)立探頭3ω法表征甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率

姚貴策1，苑昆鵬1，吳碩2，王照亮1

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）能源與動(dòng)力工程系，山東 青島 266580；2吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012）

甲烷水合物熱物性參數(shù)的測(cè)量一般是基于時(shí)域信號(hào)測(cè)量，測(cè)量方法沒(méi)有考慮探測(cè)器與試樣之間的接觸熱阻?；陬l域信號(hào)測(cè)量原理，研發(fā)的3ω獨(dú)立探頭大大拓展了該方法的應(yīng)用范圍。建立了低溫高壓甲烷水合物合成測(cè)量系統(tǒng)。利用獨(dú)立探頭3ω法實(shí)時(shí)測(cè)量甲烷水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、探頭和甲烷水合物之間的接觸熱阻。分析了甲烷水合物熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率隨溫度的變化規(guī)律；比較了測(cè)量值與國(guó)內(nèi)外學(xué)者測(cè)量數(shù)據(jù)的不同；發(fā)現(xiàn)接觸熱阻對(duì)甲烷水合物熱導(dǎo)率有顯著影響。

甲烷水合物；熱導(dǎo)率；熱擴(kuò)散率；獨(dú)立探頭

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150930

引　言

作為新能源的天然氣水合物（或可燃冰，natural gas hydrate），其開(kāi)發(fā)和利用是石油和石化行業(yè)面臨的重要課題，也是保證國(guó)家能源安全和保護(hù)環(huán)境而迫切需要解決的問(wèn)題之一。熱物性是天然氣水合物的基礎(chǔ)物性，其參數(shù)的測(cè)量和表征是研究天然氣水合物相變、成藏機(jī)理、開(kāi)發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)、分解釋放特性的重要手段，同時(shí)也為開(kāi)采過(guò)程的取樣、監(jiān)測(cè)技術(shù)、海底構(gòu)筑物的安全設(shè)計(jì)及安全開(kāi)采提供評(píng)價(jià)依據(jù)［1-4］。

2015-06-15收到初稿，2016-02-28收到修改稿。

聯(lián)系人：王照亮。第一作者：姚貴策（1989—），男，碩士研究生。

由于水合物自身的物理特性使得水合物與測(cè)試探頭之間存在較大的接觸熱阻。其熱物性測(cè)量設(shè)備尤其缺乏，難于獲取高精度的天然氣水合物熱物性數(shù)據(jù)［5-11］。Stoll等［7］使用探針?lè)y(cè)得了含甲烷水合物的多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率。Waite等［12-13］利用瞬態(tài)面熱源法對(duì)致密甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率進(jìn)行測(cè)量。Rosenbaum等［14］創(chuàng)新應(yīng)用單面TPS測(cè)試方法，并采用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。黃犢子等［15］在常壓下分析了甲烷水合物熱導(dǎo)率隨溫度的變化。對(duì)于熱物性實(shí)驗(yàn)表征，接觸熱阻的影響始終未被考慮。此外，目前的實(shí)驗(yàn)手段主要采用面熱源法（平板法）或長(zhǎng)熱線法［12-16］。面熱源穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，試樣用量大；長(zhǎng)熱線法由于需要的液體工質(zhì)量大、試樣腔體積大使得實(shí)現(xiàn)跨越不同相態(tài)的高壓條件十分困難；熱線在直流加熱下溫升大，時(shí)域內(nèi)非穩(wěn)態(tài)測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)天然氣水合物的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生顯著影響。時(shí)域內(nèi)測(cè)量方法在測(cè)量過(guò)程中，難于測(cè)量探頭與水合物試樣之間接觸熱阻（thermal contact resistance， TCR）［17］，測(cè)量結(jié)果較分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論手段的計(jì)算值明顯偏小。

傳統(tǒng)的3ω法［18-21］在頻域范圍內(nèi)可有效用來(lái)測(cè)量固體熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，由于膜狀探頭直接沉積在待測(cè)試材料表面，接觸良好，一般不考慮探頭與材料之間的接觸熱阻。利用絲狀探頭，改進(jìn)的3ω法［22-25］用來(lái)測(cè)試絲狀材料和液體等的熱物性。由于絲狀探頭與液體直接實(shí)現(xiàn)良好接觸，一般忽略探頭與液體之間的接觸熱阻［22］。Olson等［26］利用3ω法針對(duì)多層薄膜系統(tǒng)，測(cè)量了多層薄膜熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率以及接觸熱阻。Tong等［27］考慮了接觸熱阻和薄膜內(nèi)的熱擴(kuò)散效應(yīng)，修正了薄膜的熱導(dǎo)率。Qiu等［28］利用獨(dú)立探頭測(cè)量了固體的熱導(dǎo)率，但沒(méi)有考慮探頭與試樣之間的接觸熱阻。本文利用3ω獨(dú)立探頭在頻域內(nèi)測(cè)量甲烷水合物的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，并探究探頭與水合物之間的接觸熱阻。

1　實(shí)驗(yàn)原理

圖1是3ω獨(dú)立探頭法測(cè)量原理。獨(dú)立探頭由四焊盤鎳帶加熱器和聚酰亞胺（Kapton）薄膜組成，Kapton薄膜制備在鎳帶及焊盤的兩側(cè)，同時(shí)作為絕緣層和支撐結(jié)構(gòu)。因?yàn)镵apton薄膜的厚度遠(yuǎn)小于樣品的厚度（df＜＜ds），對(duì)于測(cè)試結(jié)構(gòu)一半系統(tǒng)可看作是一個(gè)Kapton薄膜位于半無(wú)限大基體表面上的兩層系統(tǒng)。由于鎳帶寬度遠(yuǎn)大于Kapton薄膜厚度（2b＞＞df），可以認(rèn)為在Kapton薄膜內(nèi)熱流只沿y方向傳遞。

圖1　3ω獨(dú)立探頭法測(cè)量原理Fig.1　Physical model of freestanding sensor-based 3ω method

根據(jù)Kumar等［29］對(duì)薄膜多層結(jié)構(gòu)的二維解析解，針對(duì)兩層結(jié)構(gòu)的3ω獨(dú)立探頭得到加熱鎳帶溫升解析解為

式（1）是基于薄膜內(nèi)熱流方向只在y方向傳導(dǎo)的理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的。實(shí)際上薄膜厚度在幾十個(gè)微米量級(jí)時(shí)，薄膜內(nèi)仍然存在二維擴(kuò)散熱效應(yīng)：一部分的熱量沿薄膜x方向傳遞流失，使得流入樣品的熱流比微型鎳帶產(chǎn)生的總熱流小。因此對(duì)于式（1），需要進(jìn)一步的修正。根據(jù)Kumar等［29］提出的對(duì)二維熱擴(kuò)散效應(yīng)的修正公式

定義有效熱流與總熱流的比值為有效熱流比δ1。有效熱流比越大，發(fā)生在Kapton薄膜內(nèi)的二維熱擴(kuò)散效應(yīng)越小。由式（7）可知，微型鎳帶越寬，二維熱擴(kuò)散效應(yīng)越小，有效熱流比越大。相反，微型鎳帶越寬，滿足線熱源的物理模型假設(shè)近似程度越低。如果微型鎳帶的寬度遠(yuǎn)大于熱穿透深度，那么微型鎳帶可認(rèn)為是不滿足線熱源假設(shè)條件。即使二維擴(kuò)散效應(yīng)極大地消除，也會(huì)在求解熱導(dǎo)率的過(guò)程中產(chǎn)生極大的誤差。因此要合理地選取帶寬，并進(jìn)行相關(guān)修正。Kumar等［29］給出了一定線寬下將鎳帶看成線熱源的近似程度公式

實(shí)驗(yàn)中采用的3ω獨(dú)立探頭，微型鎳帶的半帶寬一般為100～300 μm，不可避免地會(huì)帶來(lái)Kapton薄膜內(nèi)二維熱擴(kuò)散效應(yīng)和微型鎳帶線熱源假設(shè)的不準(zhǔn)確。因此，在綜合考慮鎳帶線熱源的二維擴(kuò)散效應(yīng)和線熱源近似程度的影響下，獨(dú)立型膜狀線熱源傳感器的3ω法中的鎳帶溫升可表示為

微尺度下的測(cè)量，3ω獨(dú)立探頭的結(jié)構(gòu)尺寸和熱容對(duì)熱導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果影響很大。另外，由于Kapton薄膜與待測(cè)試樣接觸測(cè)量，鎳帶與Kapton薄膜之間和薄膜與試樣之間存在接觸熱阻。在考慮鎳帶厚度dh、比熱容ch和接觸熱阻Rth之后，得到鎳帶溫升為

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量的數(shù)據(jù)是不同頻率下3ω電壓幅值。Cahill等［19-21］給出計(jì)算微型鎳帶溫升幅值的式（16）。利用實(shí)驗(yàn)溫升幅值與式（15）擬合求解甲烷水合物的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和接觸熱阻。

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1氣體水合物合成系統(tǒng)

氣體水合物合成系統(tǒng)主要包括低溫高壓反應(yīng)釜、供氣供水系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、壓力溫度采集系統(tǒng)等，圖2所示為各實(shí)驗(yàn)裝置的連接圖，實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)2 mm鋼管連接。

實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)如圖3所示。反應(yīng)釜內(nèi)經(jīng)78 mm，內(nèi)部高度96 mm，頂蓋和壁厚均為7～10 mm。其中溫度傳感器采用Pt1000。獨(dú)立探頭在反應(yīng)釜的位置根據(jù)最佳用水量確定，通過(guò)電極引線將探頭與測(cè)試系統(tǒng)相連。

圖2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.2　Principle scheme of synthesis system

圖3　反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of reactor

2.23ω測(cè)量系統(tǒng)

3ω法測(cè)量系統(tǒng)主要包括鎖相放大器，信號(hào)發(fā)生器，電阻箱等元器件，如圖4所示。

圖4　3ω法測(cè)量原理Fig.4　Principle scheme of 3ω method measurement system

其工作原理如下：信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率ω的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)第一運(yùn)放電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，頻率保持不變。該頻率為ω的電流信號(hào)在電阻器R9和3ω獨(dú)立探頭的金屬帶上產(chǎn)生的電壓信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)第二運(yùn)放和第三運(yùn)放變成差動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)由前置運(yùn)放送至鎖相放大器檢索所需要的3ω信號(hào)。

2.3實(shí)驗(yàn)步驟

合成并測(cè)量甲烷水合物熱物性參數(shù)的基本思路是在給定溫度下，向反應(yīng)釜通入適量去離子水，待反應(yīng)釜內(nèi)溫度穩(wěn)定后，依靠氣瓶壓力逐漸向反應(yīng)釜內(nèi)通入氣體，到達(dá)指定壓力后，等待水合物的生成。待反應(yīng)釜內(nèi)壓力溫度穩(wěn)定后，利用3ω測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量。完成一個(gè)溫度的測(cè)量之后，改變反應(yīng)釜內(nèi)的溫度，重復(fù)上述步驟，測(cè)量下一溫度水合物的熱物性參數(shù)。

具體操作步驟如下。

（1）將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)排液閥、排氣閥、進(jìn)氣閥、進(jìn)液閥關(guān)掉，打開(kāi)真空閥利用真空泵排除釜內(nèi)及管線內(nèi)空氣等雜質(zhì)，關(guān)閉真空閥。

（2）打開(kāi)進(jìn)液閥，設(shè)置恒流泵流量為15 ml·min-1，向反應(yīng)釜注入去離子水，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，保證探頭接觸到氣體水合物，水量水位超過(guò)獨(dú)立型傳感器5 mm左右即可，達(dá)到要求液量［30］200 ml后，關(guān)閉進(jìn)液閥。

（3）打開(kāi)溫控系統(tǒng)，采用酒精作為循環(huán)制冷液，對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)溫度冷卻控制，通過(guò)調(diào)整低溫槽設(shè)定溫度可以達(dá)到270 K。

（4）打開(kāi)進(jìn)氣閥，利用氣瓶壓力向反應(yīng)釜內(nèi)通入待合成水合物氣體甲烷，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定工作壓力7 MPa時(shí)，停止充氣，并關(guān)閉進(jìn)氣閥。

（5）氣水溶解結(jié)束后，溫度恒定，水合物合成進(jìn)入誘導(dǎo)期，此時(shí)開(kāi)始采集壓力隨時(shí)間的變化，如圖5所示。

（6）當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)采集的溫度壓力信號(hào)不再發(fā)生改變后，水合物生成結(jié)束。此時(shí)，打開(kāi)3ω測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完畢后關(guān)閉相關(guān)儀器并安全放氣，清理干凈，改變恒溫槽溫度，進(jìn)行下一溫度的測(cè)量。

圖5　甲烷水合物合成壓力曲線Fig.5　Pressure dependence of time for methane hydrate

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1數(shù)據(jù)測(cè)量與計(jì)算

以溫度為274 K下合成甲烷水合物為例，合成過(guò)程中，壓力曲線如圖5所示。

反應(yīng)釜內(nèi)壓力經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)期以后，在30 min左右壓力開(kāi)始陡降，水合物開(kāi)始生成，氣體大量消耗。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣相壓力降低幅度緩慢，最終趨于穩(wěn)定，此時(shí)氣相壓力不再變化。

利用式（16）計(jì)算微型鎳帶實(shí)驗(yàn)溫升幅值時(shí)，需要知道微型鎳帶的電阻溫度系數(shù)。3ω獨(dú)立探頭在測(cè)量過(guò)程中電阻隨溫度的變化如圖6所示，鎳帶電阻與溫度呈正比例相關(guān)。電阻溫度系數(shù)隨溫度的變化如圖7所示。

根據(jù)式（16）計(jì)算得到的3ω獨(dú)立探頭的實(shí)驗(yàn)溫升幅值如圖8所示。以此實(shí)驗(yàn)溫升幅值擬合公式（15），同時(shí)得出甲烷水合物的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，此時(shí)擬合方差為1.415×10-5。

圖6　電阻與溫度的變化關(guān)系Fig.6　Temperature dependence of resistance

圖7　電阻溫度系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.7　Temperature dependence of TCR

圖8　3ω獨(dú)立探頭的溫升幅值Fig.8　Temperature amplitude of freestanding sensor based on 3ω method

3.2甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率

在壓力為7 MPa的條件下，在253～270 K范圍內(nèi)取6個(gè)溫度點(diǎn)合成甲烷水合物并測(cè)量。通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出甲烷熱導(dǎo)率如圖9和表1所示。在考慮接觸熱阻的情況下可以看出所測(cè)甲烷水合物的熱導(dǎo)率在0.58～0.62 W·m-1·K-1之間。目前，無(wú)論是探針?lè)ㄟ€是瞬態(tài)面熱源法，針對(duì)水合物熱導(dǎo)率的測(cè)量都沒(méi)有考慮接觸熱阻，因此圖9也給出了不考慮接觸熱阻的甲烷水合物熱導(dǎo)率計(jì)算值，為0.44～0.46 W·m-1·K-1，與未考慮接觸熱阻的熱導(dǎo)率測(cè)試值相比，平均偏低30%左右。這是因?yàn)樵谙嗤訜峁β氏拢豢紤]接觸熱阻時(shí)，3ω獨(dú)立探頭的實(shí)驗(yàn)溫升包含探頭實(shí)際溫升和接觸熱阻所帶來(lái)的溫升。3ω獨(dú)立探頭溫升越大反映出待測(cè)樣品導(dǎo)熱能力越小，從而說(shuō)明熱導(dǎo)率越小。所以，由于甲烷水合物的自身熱導(dǎo)率比較小，其熱導(dǎo)率的測(cè)試不能忽略探頭與水合物之間的接觸熱阻。

圖9　甲烷水合物熱導(dǎo)率Fig.9　Temperature dependence of thermal conductivity of methane hydrate

表1　R甲烷水合物熱導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1　Measurement data of thermal conductivity for methane hydrate

由于測(cè)量方法、水合物合成條件、合成實(shí)驗(yàn)裝置的影響，甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率尚沒(méi)有明確的比較標(biāo)準(zhǔn)。比較國(guó)內(nèi)外學(xué)者測(cè)量的甲烷水合物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以有效地驗(yàn)證所測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖10給出了國(guó)內(nèi)外學(xué)者實(shí)驗(yàn)得到的甲烷水合物熱導(dǎo)率。Rosenbaum等［14］在溫度范圍265.1～277.4 K內(nèi)時(shí)，熱導(dǎo)率為0.68 W·m-1·K-1左右。黃犢子等［15］得出未致密的甲烷水合物在溫度在263～278 K范圍變化時(shí)，熱導(dǎo)率在0.334～0.381 W·m-1·K-1范圍內(nèi)變化；在2 MPa壓縮甲烷水合物的條件下，熱導(dǎo)率為0.564～0.587 W·m-1·K-1。Waite等［12-13］在溫度變化范圍為253～290 K的條件下，測(cè)得甲烷水合物的熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的變化范圍為0.63～0.62 W·m-1·K-1，熱導(dǎo)率有降低的趨勢(shì)。本文所測(cè)數(shù)據(jù)與之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，其數(shù)量級(jí)都在0.5 W·m-1·K-1左右，測(cè)量數(shù)據(jù)在考慮接觸熱阻的情況下，隨溫度的變化趨勢(shì)與Waite等［12-13］得出的結(jié)果一致；不考慮接觸熱阻的情況下，其值與未壓縮致密條件下Huang等［6］的測(cè)量數(shù)據(jù)接近，比壓縮致密條件下其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要小，這也說(shuō)明了孔隙率會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率有影響。

圖10　不同測(cè)量方法的熱導(dǎo)率測(cè)量值比較Fig.10　Comparison of thermal conductivity of methane hydrate by different methods

如圖11所示，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)甲烷水合物的熱擴(kuò)散率的測(cè)量結(jié)果不盡相同。其中以DeMartin［31］的測(cè)量值最大，在5×10-7m2·s-1左右，Rosenbaum等［14］測(cè)得的數(shù)據(jù)最小，在2.1×10-7m2·s-1左右；Waite等［12-13］的測(cè)量值為3×10-7m2·s-1。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱擴(kuò)散率較大，約為2.7×10-6m2·s-1，分析其原因主要有以下兩點(diǎn)：① 測(cè)量時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)仍然保持甲烷氣體存在，導(dǎo)致測(cè)量的水合物中含有大量的氣體，而氣體的熱擴(kuò)散率較大，可能對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響；② 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在測(cè)量甲烷水合物的熱擴(kuò)散率時(shí)，大部分需利用高壓對(duì)水合物進(jìn)行壓縮致密，排除甲烷水合物中的氣體，降低甲烷水合物中的孔隙率。而本文實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)甲烷水合物進(jìn)行壓縮致密，合成的水合物較疏松，密度較小，因此，導(dǎo)致測(cè)量的甲烷水合物熱擴(kuò)散率較大。

圖11　不同測(cè)量方法的熱擴(kuò)散率測(cè)量值比較Fig.11　Comparison of thermal diffusivity of methane hydrate by different methods

3ω獨(dú)立探頭由于與待測(cè)試樣接觸測(cè)量，不可避免地帶來(lái)Kapton薄膜與試樣之間、薄膜與鎳帶之間的接觸熱阻。接觸熱阻的存在，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中，某一頻率下測(cè)得的溫升會(huì)近似增加一個(gè)常量，因此可以將兩處的接觸熱阻看成是系統(tǒng)的接觸熱阻來(lái)對(duì)待。在利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合甲烷水合物熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的同時(shí)，可以得出不同溫度下獨(dú)立探頭與水合物之間的接觸熱阻平均值為7.34×10-5m2·K·W-1。

3.3不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中Kapton薄膜的相關(guān)參數(shù)均由廠商提供，未參與測(cè)量過(guò)程中，因此對(duì)熱導(dǎo)率測(cè)量的不確定度分析時(shí)，認(rèn)為薄膜的相關(guān)參數(shù)的不確定度可忽略。實(shí)驗(yàn)不確定度主要由鎳帶的寬度和長(zhǎng)度以及測(cè)量過(guò)程中的電流和電阻組成。由誤差傳遞式（17）可得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不確定度為

具體的實(shí)驗(yàn)不確定度數(shù)值見(jiàn)表2，計(jì)算得到基于獨(dú)立探頭測(cè)量甲烷水合物的實(shí)驗(yàn)不確定度為2.33%。

表2　R獨(dú)立探頭測(cè)量不確定度Table 2　Uncertainty of freestanding sensor

4　結(jié)　論

（1）實(shí)驗(yàn)條件下，甲烷水合物熱導(dǎo)率測(cè)量值約為0.60 W·m-1·K-1，熱導(dǎo)率隨溫度上升而減小。

（2）實(shí)驗(yàn)條件下，甲烷水合物熱擴(kuò)散率測(cè)量值約為2.7×10-6m2·s-1。通過(guò)與國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者的測(cè)量值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水合物合成試樣的合成條件及自身物理特性對(duì)結(jié)果有較大影響。

（3）3ω獨(dú)立探頭與甲烷水合物試樣之間的接觸熱阻為7.34×10-5m2·K·W-1，忽略接觸熱阻會(huì)導(dǎo)致甲烷水合物熱導(dǎo)率測(cè)量值偏小。

符號(hào)說(shuō)明

a——熱擴(kuò)散率，m2·s-1

aCR——電阻溫度系數(shù)，K-1

b——鎳帶半寬，μm

c——比熱容，J·kg-1·K-1

d——厚度，m

k——積分因子

l——3ω獨(dú)立探頭有效加熱長(zhǎng)度，mm

p——3ω獨(dú)立探頭峰值功率，W

Rth——接觸熱阻，K·m2·W-1

T ——溫度，K

U3ω，U1ω——分別為三次諧波峰值電壓和一次諧波峰值

電壓，mV

x， y ——物理模型x， y方向

λ ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ω ——輸入交流電角頻率，rad·s-1

下角標(biāo)

f ——Kapton薄膜的相關(guān)參數(shù)

h ——3ω獨(dú)立探頭的相關(guān)參數(shù)

s ——待測(cè)試樣的相關(guān)參數(shù)

x， y ——物理模型x， y方向

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Characterizing of thermal conductivity and thermal diffusivity of methane hydrate by free-standing sensor 3ω method

YAO Guice1， YUAN Kunpeng1， WU Shuo2， WANG Zhaoliang1
（1Energy and Power Engineering Department， China University of Petroleum， Qingdao 266580， Shandong， China；2College of Automotive Engineering， Jilin University， Changchun 130012， Jilin， China）

Most experiments about gas hydrates were based on time domain. With the development of the free-standing sensors based on 3ω method， the thermal conductivity and thermal diffusivity of methane hydrate could be easily measured in frequency domain. Experimental devices for synthesis of methane hydrate under low temperature and high pressure was established and the thermal contact resistance （TCR）was measured. Besides that， the temperature dependence of thermal conductivity and thermal diffusivity for methane hydrate was analyzed and the measurement value was compared with the data printed by others. It was found that the TCR had a great effect on measurement data. The values omitting TCR tended to be closer to the true value when the TCR became lower.

methane hydrate； thermal conductivity； thermal diffusivity； free-standing sensor

date： 2015-06-15.

Prof. WANG Zhaoliang， wzhaoliang@upc.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （U1262112）.

TK 123

A

0438—1157（2016）05—1665—08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1262112）。