相變微膠囊懸浮液在矩形通道中流動特性試驗

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)機械與動力工程學(xué)院 江蘇 南京 211800）

1 引言

當(dāng)前，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，同時液面臨節(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。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、團聚、微膠囊破裂等現(xiàn)象。呂珊等[1]對微膠囊懸浮液的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，實驗表明：相變微膠囊的當(dāng)量直徑和密度差越小，基液的動力粘度越大，微膠囊相變懸浮液有較好的穩(wěn)定性。龔長勇等[2]對用原位聚合法制備了以正十八烷為芯材的微膠囊進(jìn)行實驗，實驗表明：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MEPCM的熱性能分析必不可少。袁麗霞等[3]對正十八烷相變微膠囊熱性能研究實驗中，實驗表明：實驗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，實驗表明：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)流動特性實驗中表明，隨著懸浮液質(zhì)量濃度和流速的增加，流動壓降增加；在懸浮液質(zhì)量濃度大于10%時，流動壓降顯著。魯進(jìn)利等[9]研究了相變微膠囊懸浮液細(xì)小圓管流動與傳熱特性，實驗表明：相變顆粒的加入增加了流動壓降，極大強化了傳熱，當(dāng)單相流體的流動狀態(tài)為層流時，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)者通過對相變微膠囊懸浮液在常規(guī)或微通道的流動換熱特性的研究，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，研究了實驗配置的質(zhì)量濃度為0～15%的懸浮液，以蒸餾水作對比在矩形通道中流動特性實驗。進(jìn)一步探討了懸浮液在矩形通道中對流動壓降，壁面溫度造成的影響，闡釋換熱機理。

2 相變微膠囊顆粒的熱物理性質(zhì)

實驗制成的相變微膠囊，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。

在實驗室溫下，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，實驗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)公式計算得到實驗所需微膠囊熱的物性參數(shù)。

單個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)系式計算

3 實驗裝置與方法

3.1 實驗裝置及方法

搭建矩形截面的矩形通道可視化試驗平臺，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)測量系統(tǒng)組成。實驗時，工質(zhì)1由泵2驅(qū)動，流經(jīng)控制閥門3、4，在轉(zhuǎn)子流量計5讀數(shù)穩(wěn)定后，進(jìn)入實驗段6換熱，最后流經(jīng)回收槽9回到儲液罐。儲液罐中工質(zhì)的溫度由恒溫水浴控制調(diào)節(jié)，測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀采集輸出。試驗系統(tǒng)工作時，針對不同粗糙度和濕潤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，流變儀測量懸浮液的粘度，微細(xì)熱電偶測量整個流場的溫度場。通過調(diào)節(jié)壓力、加熱功率等參數(shù)，測量流體的流動壓降及其通道的壁面溫度，分析顆粒相變與流體流動和傳熱的耦合作用。

圖2 實驗系統(tǒng)流程圖

3.2 實驗誤差分析

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過程中的壓力損失，會造成進(jìn)出口壓力傳感器壓降讀數(shù)偏離測量值；同時，矩形通道暴露在空氣中會向環(huán)境釋放熱量，從而影響到壁面溫度的測定。實驗中，還存在難以測定的影響因素，如相變微膠囊發(fā)生的相變過程是相對緩慢的，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 實驗結(jié)果與分析

4.1 壓降

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

圖3 流動壓降與流速關(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照的流動壓降與流體流速之間的關(guān)系，由圖可知，流體的流動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，當(dāng)相變懸浮液的質(zhì)量濃度增加時，流動壓降也隨之增加；并且懸浮液的流動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，流動壓降的增加趨勢更大。

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，因為溫度的波動對壁面溫度造成影響，所以采用量綱I壁面溫度進(jìn)行實驗處理。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與流動長度的關(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。這是因為當(dāng)懸浮液溫度在相變溫度時，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)流體的擾動加劇，致使換熱效果加強。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)流動特性進(jìn)行了實驗研究，得出以下結(jié)論：

（1）流體的流動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，當(dāng)相變懸浮液的質(zhì)量濃度增加時，流動壓降也隨之增加，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。