許徐清，柳明亮

（1南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 江蘇 南京 211800）

（2南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇 南京 211800）

1 引言

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，同時(shí)液面臨節(jié)能減排、改善生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。MEPCM作為近年來的新型儲(chǔ)能材料，能在一定的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熱能的吸收、存儲(chǔ)及釋放，減少換熱過程，進(jìn)而提高了能源的利用率。MEPCM在航天設(shè)備、空調(diào)、建筑材料、小型化換熱設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，是國內(nèi)外近年來的研究熱點(diǎn)。許多研究學(xué)者就MEPCM及其懸浮液的穩(wěn)定性、熱物理性質(zhì)、傳熱特性三大部分進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

MEPCM的穩(wěn)定性方面，因微膠囊顆粒具有較大的比表面積、且表面能高，導(dǎo)致了微膠囊懸浮液在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定，出現(xiàn)沉淀、團(tuán)聚、微膠囊破裂等現(xiàn)象。呂珊等[1]對(duì)微膠囊懸浮液的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，實(shí)驗(yàn)表明：相變微膠囊的當(dāng)量直徑和密度差越小，基液的動(dòng)力粘度越大，微膠囊相變懸浮液有較好的穩(wěn)定性。龔長(zhǎng)勇等[2]對(duì)用原位聚合法制備了以正十八烷為芯材的微膠囊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：用正十八烷制備的微膠囊有良好的分散性，粒徑分布均勻。

熱物理性質(zhì)方面，不同的相變材料有對(duì)應(yīng)的相變溫度，相變顆粒的質(zhì)量可能隨溫度的變化而改變，因此對(duì)MEPCM的熱性能分析必不可少。袁麗霞等[3]對(duì)正十八烷相變微膠囊熱性能研究實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)制備的正十八烷相變微膠囊顆粒均勻、相變潛熱大、熱穩(wěn)定性能良好。吳炳洋等[4]進(jìn)一步研究了正十八烷微膠囊在石墨烯的加入后性能的影響，實(shí)驗(yàn)表明：相變微膠囊的綜合熱性能，在加入適量的石墨烯后得到了明顯的提升。

傳熱特性方面，在相同的雷諾數(shù)下，微膠囊懸浮液的對(duì)流換熱系數(shù)較蒸餾水更高，能夠顯著地降低通道的壁面溫度[5-7]。饒宇等[8]對(duì)質(zhì)量濃度為0～20%的微膠囊懸浮液在矩形小通道內(nèi)流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)中表明，隨著懸浮液質(zhì)量濃度和流速的增加，流動(dòng)壓降增加；在懸浮液質(zhì)量濃度大于10%時(shí)，流動(dòng)壓降顯著。魯進(jìn)利等[9]研究了相變微膠囊懸浮液細(xì)小圓管流動(dòng)與傳熱特性，實(shí)驗(yàn)表明：相變顆粒的加入增加了流動(dòng)壓降，極大強(qiáng)化了傳熱，當(dāng)單相流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，含有較小相變顆粒濃度的懸浮液的努塞爾數(shù)是單相液體的2～4倍。鐘小龍等[10]在細(xì)圓管和矩形通道內(nèi)微膠囊懸浮液傳熱特性的研究表明，在兩種通道內(nèi)不同質(zhì)量濃度的懸浮液均表現(xiàn)出比水更好的冷卻性能，懸浮液質(zhì)量濃度的增大會(huì)獲得更低壁面溫度。

綜合以上研究可知，國內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)相變微膠囊懸浮液在常規(guī)或微通道的流動(dòng)換熱特性的研究，總結(jié)了許多理論上的換熱規(guī)律。而本課題建立在前人基礎(chǔ)上，研究了實(shí)驗(yàn)配置的質(zhì)量濃度為0～15%的懸浮液，以蒸餾水作對(duì)比在矩形通道中流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步探討了懸浮液在矩形通道中對(duì)流動(dòng)壓降，壁面溫度造成的影響，闡釋換熱機(jī)理。

2 相變微膠囊顆粒的熱物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)制成的相變微膠囊，在室溫下呈白色粉末狀，配置的懸浮液為乳白色，有輕微的沉淀現(xiàn)象。掃描電鏡下的正十八烷相變微膠囊，形狀為圓球形，顆粒粒徑均勻。

在實(shí)驗(yàn)室溫下，DSC儀器預(yù)熱35min，并進(jìn)行儀器的修正，設(shè)置儀器的溫度升溫速率為10K/min，N2的通入速率為20ml/min，以藍(lán)寶石做參比，實(shí)驗(yàn)處理后制得的正十八烷的DSC曲線圖如圖1所示，由圖可知正十八烷的相變溫度在28℃附近，所測(cè)得的相變焓約為209.5J/g。相變顆粒吸收熱量，從固態(tài)熔融成液態(tài)，發(fā)生相變過程。

圖1 相變微膠囊DSC曲線圖

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者已建立了相變微膠囊的傳熱理論基礎(chǔ)[5，7，11]，在將微膠囊和蒸餾水混合配置成質(zhì)量濃度為0～15%的懸浮液后，參照文獻(xiàn)[10]相關(guān)公式計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)所需微膠囊熱的物性參數(shù)。

單個(gè)相變微膠囊顆粒密度以ρp表示

式中：ρpc和ρpw分別為囊芯相變材料及殼體材料密度；cm為相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

相變微膠囊懸浮液的整體密度以ρb表示

式中：ρw是蒸餾水的密度；cv是相變微膠囊懸浮液中相變微膠囊顆粒的體積分?jǐn)?shù)。

相變微膠囊懸浮液平均黏度μb由Vand黏度關(guān)系式計(jì)算

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

搭建矩形截面的矩形通道可視化試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示，系統(tǒng)由主循環(huán)回路、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)，工質(zhì)1由泵2驅(qū)動(dòng)，流經(jīng)控制閥門3、4，在轉(zhuǎn)子流量計(jì)5讀數(shù)穩(wěn)定后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段6換熱，最后流經(jīng)回收槽9回到儲(chǔ)液罐。儲(chǔ)液罐中工質(zhì)的溫度由恒溫水浴控制調(diào)節(jié)，測(cè)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀采集輸出。試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)，針對(duì)不同粗糙度和濕潤(rùn)性的矩形通道壁面內(nèi)的流體，采用高速攝像儀拍攝矩形通道內(nèi)流體的流型，微膠囊顆粒受流體剪切前后的分布，流變儀測(cè)量懸浮液的粘度，微細(xì)熱電偶測(cè)量整個(gè)流場(chǎng)的溫度場(chǎng)。通過調(diào)節(jié)壓力、加熱功率等參數(shù)，測(cè)量流體的流動(dòng)壓降及其通道的壁面溫度，分析顆粒相變與流體流動(dòng)和傳熱的耦合作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

因流體在矩形通道的進(jìn)出口處發(fā)生壓縮和膨脹以及流動(dòng)過程中的壓力損失，會(huì)造成進(jìn)出口壓力傳感器壓降讀數(shù)偏離測(cè)量值；同時(shí)，矩形通道暴露在空氣中會(huì)向環(huán)境釋放熱量，從而影響到壁面溫度的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中，還存在難以測(cè)定的影響因素，如相變微膠囊發(fā)生的相變過程是相對(duì)緩慢的，相變顆?？赡芪慈堪l(fā)生相變，導(dǎo)致懸浮液的換熱效率降低。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 壓降

懸浮液在矩形通道流動(dòng)時(shí)因克服液體間的內(nèi)摩擦力，以及懸浮液處于湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞交換動(dòng)量而導(dǎo)致能量的耗損，致使懸浮液流動(dòng)時(shí)壓力的降低，即壓降。而流動(dòng)壓降與流速之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式滿足：

圖3 流動(dòng)壓降與流速關(guān)系

圖3 所示的是不同質(zhì)量濃度的微膠囊懸浮液并以蒸餾水作對(duì)照的流動(dòng)壓降與流體流速之間的關(guān)系，由圖可知，流體的流動(dòng)壓降與流體的流速和懸浮液的濃度密切相關(guān)，無論是相變懸浮液還是蒸餾水，壓降都隨著流體流速的增大而增加；同時(shí)，當(dāng)相變懸浮液的質(zhì)量濃度增加時(shí)，流動(dòng)壓降也隨之增加；并且懸浮液的流動(dòng)壓降增加效果比以蒸餾水為工質(zhì)流體更為顯著，在懸浮液的質(zhì)量濃度大于10%時(shí)，流動(dòng)壓降的增加趨勢(shì)更大。

4.2 壁面溫度

微膠囊懸浮液的入口溫度在進(jìn)入矩形通道入口處時(shí)，因?yàn)闇囟鹊牟▌?dòng)對(duì)壁面溫度造成影響，所以采用量綱I壁面溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理。量綱I壁面溫度數(shù)學(xué)關(guān)系式滿足：

式中：Twx為沿流動(dòng)方向x處管壁溫度℃；Tin為流體入口溫度℃；qw為流體與壁面接觸處熱流密度W/m2；r為矩形小槽道當(dāng)量半徑m；kb為流體導(dǎo)熱系數(shù)W/m?K。

圖4 壁面溫度I與流動(dòng)長(zhǎng)度的關(guān)系

圖4 所示的是在不同雷諾數(shù)條件下，不同質(zhì)量濃度的懸浮液蒸餾水的量綱I壁面溫度沿矩形通道流動(dòng)方向的變化關(guān)系。由圖中結(jié)果所示，在Re相同的條件下，微膠囊懸浮液的壁面溫度較蒸餾水低得多，且隨著微膠囊懸浮液濃度的增加出現(xiàn)顯著地降低。這是因?yàn)楫?dāng)懸浮液溫度在相變溫度時(shí)，相變顆粒發(fā)生相變吸收潛熱，使得懸浮液保持一定的溫度，同時(shí)也促使了壁面溫度的降低，在未達(dá)到相變溫度之前和結(jié)束相變后壁面溫度才得以升高。隨著相變顆粒的增加，通道內(nèi)流體的擾動(dòng)加劇，致使換熱效果加強(qiáng)。通道內(nèi)流體的溫度遠(yuǎn)達(dá)不到蒸餾水發(fā)生相變的條件，導(dǎo)致水的壁面溫度不斷的升高。

5 結(jié)語

本文對(duì)質(zhì)量濃度為0～15%的不同梯度濃度微膠囊懸浮液在矩形通道內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）流體的流動(dòng)壓降與流體的流速以及懸浮液的濃度密切相關(guān)，無論是相變懸浮液還是蒸餾水，壓降都隨著流體流速的增大而增加；同時(shí)，當(dāng)相變懸浮液的質(zhì)量濃度增加時(shí)，流動(dòng)壓降也隨之增加，其壓降增加效果比以蒸餾水為工質(zhì)流體更為顯著。

（2）在雷諾數(shù)Re相同的條件下，微膠囊懸浮液沿流動(dòng)方向的壁面溫度較蒸餾水低得多，且通道的壁面溫度隨著微膠囊懸浮液濃度的增加出現(xiàn)顯著地降低。