相變微膠囊懸浮液儲(chǔ)能系統(tǒng)放冷特性實(shí)驗(yàn)研究

卜令帥，屈治國(guó)，徐洪濤，金滿

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049）

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求也急劇增加。與此同時(shí)，不合理地開(kāi)發(fā)和利用資源也造成了全球能源浪費(fèi)的問(wèn)題，儲(chǔ)能技術(shù)是解決能源開(kāi)發(fā)與利用不平衡問(wèn)題的有效手段之一。其中，相變微 膠 囊（microencapsulated phase change material，MPCM）懸浮液作為一種新型儲(chǔ)能介質(zhì)，是由MPCM和單相載流體組成的兩相混合物[1-2]。MPCM懸浮液在相變過(guò)程中，內(nèi)部相變材料不與載流體及外部環(huán)境直接接觸[3-4]，可避免相變材料發(fā)生泄漏和相分離[5-6]，這一優(yōu)點(diǎn)使得相變材料(phase change material，PCM)的應(yīng)用范圍極大地?cái)U(kuò)展。由于MPCM懸浮液具有換熱能力強(qiáng)和儲(chǔ)能密度大等特點(diǎn)[7-8]，作為良好的傳熱流體及儲(chǔ)能介質(zhì)，具有廣闊的發(fā)展前景，可被應(yīng)用在需求強(qiáng)化傳熱和高儲(chǔ)能密度特性的眾多領(lǐng)域，例如：空調(diào)制冷[9-10]、太陽(yáng)能利用[11]、熱泵[12-13]、熱交換器[14-15]及發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備的冷卻系統(tǒng)[16]。

為了進(jìn)一步發(fā)揮MPCM懸浮液在強(qiáng)化傳熱和儲(chǔ)能節(jié)能方面的巨大潛力，科研人員針對(duì)MPCM懸浮液的傳熱和儲(chǔ)能性能進(jìn)行了一系列研究[17-18]。在強(qiáng)化傳熱方面，Diaconu等[19]通過(guò)搭建MPCM懸浮液與浸入的垂直螺旋盤管的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)在低溫環(huán)境中的自然對(duì)流換熱特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同的溫度條件下，MPCM懸浮液在相變區(qū)間內(nèi)的傳熱系數(shù)最高可達(dá)水的5倍。Wang等[20]將管式換熱器浸入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%的MPCM懸浮液中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)的對(duì)流換熱性能，結(jié)果表明高濃度的懸浮液可以儲(chǔ)存更多的熱量，但對(duì)流傳熱系數(shù)隨濃度的提高而降低，并且提高管內(nèi)換熱流體的溫度和流量有利于管內(nèi)自然對(duì)流換熱性能。Liu等[21-22]建立了恒定熱通量條件下MPCM懸浮液分別在矩形管和水平圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的數(shù)值模型，模擬發(fā)現(xiàn)MPCM懸浮液使矩形管壁溫上升率降低約50%，最大局部對(duì)流換熱強(qiáng)化率達(dá)190%；使圓管壁面與流體的溫差減小約39%。

此外，科研人員還對(duì)MPCM懸浮液的儲(chǔ)能性能進(jìn)行了研究[23-24]。Zhang等[25]在水平矩形殼體中，對(duì)MPCM懸浮液的儲(chǔ)熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明MPCM懸浮液不僅能促進(jìn)自然對(duì)流換熱，而且由于MPCM懸浮液潛熱的存在，還可以延長(zhǎng)儲(chǔ)熱時(shí)間。Guo等[26]對(duì)以MPCM懸浮液為儲(chǔ)能介質(zhì)的300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明MPCM懸浮液可以用63%的總?cè)刍瘯r(shí)間吸收90%的潛熱，且儲(chǔ)能系統(tǒng)可使機(jī)組的調(diào)峰能力提高81.4%。Mert等[27]研究了正十六烷MPCM在不同殼芯比、乳化時(shí)間和交聯(lián)劑比例條件下的儲(chǔ)熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)殼芯比為1∶1，乳化時(shí)間為30 min，交聯(lián)劑用量為10%時(shí)制備的MPCM材料潛熱最大為123 kJ·kg-1。Bai等[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同攪拌速率和傳熱流體在不同初始溫度的條件下MPCM懸浮液潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的蓄冷性能，結(jié)果表明加快攪拌速率可以顯著提高系統(tǒng)的蓄冷性能，當(dāng)攪拌速率為300 r·min-1時(shí)比未攪拌的MPCM懸浮液?jiǎn)挝惑w積蓄冷量高1.28倍，并且在相同攪拌速率下，循環(huán)水初始溫度為20℃的MPCM懸浮液平均放冷速率是10℃的1.24倍。

綜上所述，科研人員對(duì)MPCM懸浮液的傳熱及儲(chǔ)能性能做了大量的研究，但是MPCM懸浮液作為一種良好的相變蓄冷介質(zhì)，針對(duì)其流動(dòng)與傳熱特性對(duì)潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)放冷性能的研究仍有不足之處。因此，本文搭建了一套以循環(huán)水為換熱流體，MPCM懸浮液為蓄冷介質(zhì)的雙盤管潛熱儲(chǔ)能罐實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)與純水儲(chǔ)能系統(tǒng)作對(duì)比，研究了循環(huán)水流量（4～7 L·min-1）和儲(chǔ)能罐攪拌器的攪拌速率（0、100、150、200、250 r·min-1）對(duì)MPCM懸浮液儲(chǔ)能系統(tǒng)放冷性能的影響，并通過(guò)對(duì)MPCM懸浮液的放冷速率、相變完成率、單位體積放冷量和對(duì)流傳熱系數(shù)的分析得出其放冷特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)流程包括充冷過(guò)程和放冷過(guò)程，如圖1所示。循環(huán)1是儲(chǔ)能罐中的MPCM懸浮液充冷過(guò)程，冷水機(jī)輸出的冷水流經(jīng)泵和流量計(jì)，到達(dá)儲(chǔ)能罐中的盤管1。此時(shí)，冷水對(duì)儲(chǔ)能罐中的MPCM懸浮液進(jìn)行充冷，然后循環(huán)水返回至冷水機(jī)。由于過(guò)冷度的影響[29]，為保證完全相變，需將MPCM懸浮液溫度降低至9℃以下。循環(huán)2是儲(chǔ)能罐中的MPCM懸浮液放冷過(guò)程，當(dāng)MPCM懸浮液溫度低于9℃時(shí)，MPCM懸浮液開(kāi)始放冷。利用2.5 kW的電熱絲來(lái)代替放冷過(guò)程中的熱負(fù)荷，并通過(guò)溫控開(kāi)關(guān)控制熱水進(jìn)口溫度保持不變，以此來(lái)模擬實(shí)際換熱過(guò)程中熱源溫度恒定的情況。經(jīng)加熱水箱加熱過(guò)的水流經(jīng)泵和流量計(jì)，到達(dá)儲(chǔ)能罐中的盤管2，與儲(chǔ)能罐中MPCM懸浮液進(jìn)行換熱，帶走經(jīng)循環(huán)1儲(chǔ)存在MPCM懸浮液中的冷量，最后再流回至加熱水箱，直至MPCM懸浮液升溫至20℃以上。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental flow

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用固液相變溫度區(qū)間在17～19℃、潛熱為234 kJ·kg-1的正十六烷作為MPCM的芯材，壁材為脲醛樹(shù)脂。微膠囊的平均粒徑為12.5μm，使用純水作為載流體。微膠囊在懸浮液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，可被視為牛頓流體[30]。通過(guò)差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)試微膠囊的相變潛熱為154 kJ·kg-1。利用文獻(xiàn)[31]的計(jì)算方法得到懸浮液的潛熱為38.5 kJ·kg-1，比 熱 容 為3584 J·kg-1·K-1，密 度 為990 kg·m-3。

儲(chǔ)能罐外觀為圓柱形不銹鋼筒體，由玻璃棉隔熱層包裹，內(nèi)徑為300 mm，高度為500 mm，壁厚40 mm。盤管管徑為15 mm，壁厚為1.2 mm，螺距為27 mm，距儲(chǔ)能罐頂部與底部均為50 mm。其中充冷螺旋盤管半徑為130 mm，長(zhǎng)度為12215 mm，放冷螺旋盤管半徑為100 mm，長(zhǎng)度為9345 mm。儲(chǔ)能罐內(nèi)部軸向安裝有攪拌器，葉片中心距離儲(chǔ)能罐底部為300 mm，選用的是上海昂尼AM450L-H型攪拌器。該攪拌器采用無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍為50～1500 r·min-1，且?guī)в袛?shù)顯可以顯示攪拌速率。儲(chǔ)能罐內(nèi)部尺寸細(xì)節(jié)及攪拌器安裝位置如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能罐裝置（單位：mm）Fig.2 Storage tank device

本實(shí)驗(yàn)采用16個(gè)測(cè)量范圍為0～50.0℃、精度為±0.5℃的T型熱電偶和兩個(gè)量程為7 L·min-1、誤差小于4%的轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)測(cè)量所需要的溫度和流量。將四個(gè)熱電偶分別布置在盤管入口和出口處，用來(lái)測(cè)量熱水和冷水的進(jìn)出口溫度；三個(gè)熱電偶在儲(chǔ)能罐內(nèi)部處于同一軸線上，與儲(chǔ)能罐中心相距80 mm，從上到下分別布置在距離儲(chǔ)能罐底部300、200和100 mm處，用來(lái)測(cè)量MPCM懸浮液的平均溫度；其余熱電偶用來(lái)測(cè)量熱水水箱和環(huán)境的溫度。本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)據(jù)采集模塊（NI-9213，National Instruments）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（NIcDAQ-9191）對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)LabVIEW輸出數(shù)據(jù)，將其自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)中。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)在控制循環(huán)水入口溫度不變的條件下，分別研究不同循環(huán)水流量和儲(chǔ)能罐懸浮液攪拌速率對(duì)儲(chǔ)能罐中MPCM懸浮液放冷特性的影響。實(shí)驗(yàn)共有三組，分別為：以純水儲(chǔ)能系統(tǒng)作對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組1為在相同攪拌速率條件下，改變循環(huán)水體積流量（4～7 L·min-1），實(shí)驗(yàn)組2在相同體積流量條件下，改變攪拌器攪拌速率（0、100、150、200、250 r·min-1），實(shí)驗(yàn)參數(shù)具體設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 1 Experimental parameter setting

2 MPCM懸浮液相變程度及放冷性能計(jì)算

2.1 相變完成率

在MPCM懸浮液放冷過(guò)程中，循環(huán)水帶走的冷量Ed等于懸浮液釋放的冷量ΔE和環(huán)境散失的冷量Eloss之差，定義為

在τ1到τ2特定的時(shí)間間隔內(nèi)，Ed為

儲(chǔ)能罐中MPCM懸浮液釋放的冷量ΔE等于懸浮液的顯熱ΔU和微膠囊相變時(shí)的潛熱ΔH之和，定義為

儲(chǔ)能罐向環(huán)境散失的冷量Eloss為

式中，Rt為儲(chǔ)能罐的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積，根據(jù)文獻(xiàn)[28]方法計(jì)算，取值為1.221 W·K-1。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于換熱器可能存在流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，MPCM無(wú)法全部發(fā)生相變，因此引入相變完成率θ來(lái)描述放冷過(guò)程中MPCM懸浮液的相變程度，定義為

2.2 放冷速率

放冷速率Pd表示在放冷過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)MPCM懸浮液釋放的冷量，定義為

2.3 單位體積放冷量

單位體積放冷量是衡量某種材料作為蓄冷介質(zhì)的重要參數(shù)之一?；跓崞胶庥?jì)算公式，對(duì)于給定的蓄冷介質(zhì)的溫差，在放冷過(guò)程中，單位體積放冷量EV,d定義為

2.4 傳熱系數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)

螺旋盤管換熱器的傳熱系數(shù)作為系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，利用對(duì)數(shù)平均溫差法來(lái)計(jì)算得到，對(duì)數(shù)平均溫差ΔTm計(jì)算公式為

所以，螺旋盤管換熱器的傳熱系數(shù)k計(jì)算公式為

利用熱阻分析法，傳熱系數(shù)與表面對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系可表示為

根據(jù)文獻(xiàn)[32]得到螺旋盤管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

所以,螺旋盤管外表面對(duì)流傳熱系數(shù)ho可通過(guò)聯(lián)立式(8)～式(12)求解。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確性與誤差分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性利用純水基于熱平衡方程分析的方法進(jìn)行驗(yàn)證。循環(huán)水帶走的冷量Ed等于儲(chǔ)能罐釋放的冷量ΔE與系統(tǒng)向環(huán)境散失的冷量Eloss之差，方程兩邊的偏差ΔEerr可以良好地反映實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量誤差

在不同攪拌速率的情況下純水儲(chǔ)能系統(tǒng)熱平衡分析如表2所示。從結(jié)果可以看出，計(jì)算的相對(duì)誤差結(jié)果均小于5%，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致測(cè)量和計(jì)算的不確定性因素有：(1)冷水機(jī)提供的冷量存在管路損失；(2)攪拌器做功導(dǎo)致的儲(chǔ)能罐內(nèi)部熱量增加；(3)儲(chǔ)能罐內(nèi)部MPCM懸浮液傳熱存在不均勻性；(4)實(shí)驗(yàn)儀器如熱電偶和轉(zhuǎn)子流量計(jì)等存在一定的測(cè)量偏差。本實(shí)驗(yàn)在同一參數(shù)下運(yùn)行五次以上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明實(shí)驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行。

表2 系統(tǒng)熱平衡分析Table 2 System heat balance analysis with water

3.2 MPCM懸浮液的溫度和相變完成率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖3為在放冷過(guò)程中，MPCM懸浮液的溫度和相變完成率隨時(shí)間的變化規(guī)律。在放冷過(guò)程中，熱水進(jìn)口溫度恒為22℃，儲(chǔ)能罐內(nèi)攪拌器的攪拌速率為200 r·min-1，MPCM懸浮液的初始溫度為9℃。從圖中可以看出，MPCM懸浮液的放冷過(guò)程可分為相變前、相變時(shí)和相變后三個(gè)階段。MPCM懸浮液的溫度在放冷過(guò)程的初期先升高隨后保持穩(wěn)定，在放冷過(guò)程的末期繼續(xù)升高。與此同時(shí)，相變完成率隨著放冷過(guò)程的進(jìn)行逐漸上升并最后保持穩(wěn)定。原因在于在放冷初始階段，入口水溫保持不變，MPCM懸浮液的比熱容較小且與循環(huán)水的溫差較大，所以導(dǎo)致MPCM懸浮液的溫度迅速增加且溫度梯度較大，但由于其還未達(dá)到相變溫度，MPCM懸浮液只有小部分發(fā)生相變，所以相變完成率上升緩慢。隨著MPCM懸浮液的平均溫度逐漸升高，兩者溫差減小，溫度梯度也越來(lái)越小。隨著放冷過(guò)程進(jìn)行，當(dāng)MPCM懸浮液的溫度達(dá)到17℃左右時(shí)，此時(shí)MPCM懸浮液開(kāi)始發(fā)生相變，由于相變潛熱的存在使懸浮液溫度基本保持不變，同時(shí)相變完成率快速升高。隨著放冷過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，MPCM的熔化過(guò)程基本完成，相變完成率接近90%。相變完成后，MPCM懸浮液的溫度開(kāi)始繼續(xù)升高，由于實(shí)驗(yàn)后期MPCM懸浮液與22℃循環(huán)水的溫差越來(lái)越小，所以MPCM懸浮液的溫度變化越來(lái)越慢。

圖3 放冷過(guò)程中MPCM懸浮液的相變完成率和溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.3 Changes ofθand temperature of MPCM slurry with time during cooling process

3.3 流量對(duì)MPCM懸浮液放冷速率的影響

圖4為不同循環(huán)水體積流量的條件下，MPCM懸浮液溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，隨著循環(huán)水流量的增加，放冷時(shí)間持續(xù)縮短，放冷速率逐漸提高。當(dāng)循環(huán)水流量為4、5、6和7 L·min-1時(shí)，MPCM懸浮液從9℃升溫至20℃所用時(shí)間分別為1884、1668、1543和1452 s，原因在于流量較高的循環(huán)水可以在單位時(shí)間內(nèi)帶走更多MPCM懸浮液放出的冷量，從而縮短了放冷時(shí)間。在不同循環(huán)水體積流量的條件下，MPCM懸浮液的放冷速率隨溫度變化如圖5所示。從圖中可以看出，除相變區(qū)間外，MPCM懸浮液的放冷速率隨其溫度升高而逐漸降低。原因在于在放冷實(shí)驗(yàn)初始階段，循環(huán)水入口溫度保持不變，隨著MPCM懸浮液的溫度逐漸升高，兩者間的溫差逐漸減小，放冷速率逐漸降低。當(dāng)懸浮液溫度達(dá)到17℃時(shí)，MPCM懸浮液中的相變材料開(kāi)始發(fā)生相變，由于相變潛熱的存在，MPCM懸浮液開(kāi)始釋放更多冷量，使得其放冷速率急劇升高。當(dāng)MPCM完成相變后，隨著MPCM懸浮液溫度的升高，懸浮液溫度與循環(huán)水溫差減小，其放冷速率也隨之減小。除此之外，MPCM懸浮液在相變溫度區(qū)間外的放冷速率均低于水，這是因?yàn)镸PCM懸浮液的比熱容比水低。但在MPCM懸浮液的相變區(qū)間內(nèi)，其放冷速率會(huì)大幅提高，且從圖5中可知放冷時(shí)間持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同樣是因?yàn)镸PCM懸浮液相變潛熱的存在，能夠使循環(huán)水帶走更多的冷量。當(dāng)循環(huán)水流量為4、5、6和7 L·min-1時(shí)，MPCM懸浮液在相變溫度區(qū)間內(nèi)的放冷速率最大分別為1.19、1.39、1.52和1.59 kW，說(shuō)明循環(huán)水體積流量越大，其放冷速率越大，放冷效果也越好。原因在于在控制循環(huán)水入口溫度保持不變時(shí)，循環(huán)水流量越大，其出口溫度越高，從而增大了換熱器兩側(cè)的平均溫差，強(qiáng)化了換熱效果，使得懸浮液放冷速率變大。除此之外，當(dāng)蓄能介質(zhì)為水、循環(huán)水體積流量為6 L·min-1時(shí)，放冷過(guò)程僅持續(xù)了863 s，相同循環(huán)水體積流量的條件下，MPCM懸浮液的放冷過(guò)程可達(dá)1532 s，相較于水延長(zhǎng)了669 s。同時(shí)，當(dāng)循環(huán)水流量同為6 L·min-1時(shí)，在相同溫度區(qū)間內(nèi)純水的放冷速率僅為0.89 kW，MPCM懸浮液的放冷速率比水提高了約70%。

圖4 不同循環(huán)水體積流量下儲(chǔ)能介質(zhì)溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Temperature of energy storage medium with time at different circulating water flow

圖5 不同循環(huán)水體積流量下放冷速率隨儲(chǔ)能介質(zhì)溫度變化曲線Fig.5 Cooling rate with temperature of the storage medium at different circulating water flow

3.4 攪拌速率對(duì)MPCM懸浮液相變完成率及單位體積放冷量的影響

圖6為放冷過(guò)程中不同攪拌速率條件下，MPCM懸浮液相變完成率隨溫度的變化曲線。從圖中可知，當(dāng)攪拌速率一定時(shí)，隨著MPCM懸浮液溫度的升高，相變完成率的變化整體呈增大趨勢(shì)，且在相變溫度區(qū)間內(nèi)急劇升高。當(dāng)攪拌速率為0時(shí)，MPCM懸浮液的相變完成率為58.8%，經(jīng)過(guò)攪拌的MPCM懸浮液的相變完成率比未攪拌的更高，且隨著攪拌速率的增大，其相變完成率也逐漸升高。原因在于未攪拌的MPCM懸浮液處于自然對(duì)流狀態(tài)，換熱極不充分，溫度分布也不均勻，而使用攪拌器可以使MPCM懸浮液與盤管的換熱方式從自然對(duì)流換熱變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流換熱，強(qiáng)化了換熱效果，使更多的微膠囊發(fā)生相變，導(dǎo)致MPCM懸浮液的放冷量變大，所以其相變完成率比未攪拌的MPCM懸浮液的相變完成率更高。當(dāng)攪拌速率為100、150和200 r·min-1時(shí)，其相變完成率逐漸增加，分別為75.1%、79.2%和87.1%，原因在于隨著攪拌速率的增加，強(qiáng)化了MPCM懸浮液和盤管的對(duì)流換熱，更能充分利用MPCM的潛熱，使得其最終相變完成率增加。但是，當(dāng)攪拌速率為250 r·min-1時(shí)，MPCM懸浮液相變完成率為83.9%，相比于攪拌速率為200 r·min-1時(shí)的相變完成率有所下降，主要是因?yàn)閿嚢杵鲾嚢杷俾蔬^(guò)大，導(dǎo)致部分微膠囊發(fā)生破裂，相變材料發(fā)生泄漏或揮發(fā)，使得整體傳熱效果變差。

圖6 不同攪拌速率下MPCM懸浮液的相變完成率隨溫度變化曲線Fig.6 Change ofθof MPCM slurry with temperature under different stirring rates

圖7為水和MPCM懸浮液在9～20℃溫度范圍內(nèi)的單位體積放冷量。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，當(dāng)攪拌速率為200 r·min-1時(shí)，純水的單位體積放冷量為44.45 MJ·m-3，MPCM懸浮液的單位體積放冷量為73.86 MJ·m-3，約為純水的1.66倍。由于相變材料潛熱的存在，微膠囊懸浮液中的相變材料發(fā)生相變時(shí)，MPCM懸浮液釋放了大量冷量，使得其單位體積放冷量遠(yuǎn)大于純水。同時(shí)，當(dāng)攪拌速率為0時(shí)，單位體積放冷量為54.24 MJ·m-3，與攪拌后的MPCM懸浮液的單位體積放冷量相比較低。這是因?yàn)楫?dāng)MPCM懸浮液未攪拌時(shí)，整個(gè)儲(chǔ)能罐內(nèi)部處于自然對(duì)流狀態(tài)，微膠囊出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其潛熱未被充分利用。當(dāng)攪拌速率為100、150和200 r·min-1時(shí)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)其單位體積放冷量逐漸增加，分別為65.20、68.01和73.86 MJ·m-3，原因在于通過(guò)攪拌器攪拌后儲(chǔ)能罐內(nèi)部的MPCM懸浮液處于強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)，微膠囊未產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了儲(chǔ)能罐內(nèi)部的換熱能力。但是，當(dāng)攪拌速率為250 r·min-1時(shí)，單位體積放冷量有所下降為70.43 MJ·m-3。這是因?yàn)椴糠治⒛z囊破裂，相變材料發(fā)生泄漏，懸浮液黏度變大，影響了換熱效果，導(dǎo)致其單位體積放冷量有所降低。因此，應(yīng)注意對(duì)MPCM的保護(hù)，防止其破壞導(dǎo)致蓄冷效果變差。

圖7 儲(chǔ)能介質(zhì)在9～20℃溫度范圍內(nèi)的單位體積放冷量Fig.7 Volumetric thermal release capacity of the energy storage medium within the temperature range of 9—20℃

3.5 攪拌速率對(duì)螺旋盤管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖8為在不同攪拌速率下螺旋盤管外表面對(duì)流傳熱系數(shù)隨水和MPCM懸浮液溫度變化曲線。在攪拌速率同為200 r·min-1時(shí)，放冷初始階段，MPCM懸浮液與水的對(duì)流傳熱系數(shù)相差不大。當(dāng)MPCM懸浮液溫度到17℃時(shí)，其表面對(duì)流傳熱系數(shù)急劇增加，最高可達(dá)2176 W·m-2·K-1，約為純水的1.87倍。由于相變潛熱的存在，當(dāng)MPCM懸浮液達(dá)到相變溫度時(shí)會(huì)釋放出大量冷量，使得其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)大于水。同時(shí)，當(dāng)攪拌速率為0時(shí)，MPCM懸浮液的對(duì)流傳熱系數(shù)在相變區(qū)間最大值僅為617 W·m-2·K-1，明顯低于攪拌的MPCM懸浮液。這是因?yàn)槲磾嚢璧膽腋∫禾幱谧匀粚?duì)流狀態(tài)，微膠囊出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，極大地削弱了換熱效果。當(dāng)攪拌速率分別為100、150、200和250 r·min-1時(shí)，MPCM懸浮液對(duì)流傳熱系數(shù)在相變區(qū)間內(nèi)最大值分別為：1403、1665、2176和3138 W·m-2·K-1。攪拌速率越大，MPCM懸浮液的對(duì)流傳熱系數(shù)越高。原因在于，儲(chǔ)能罐內(nèi)部的MPCM懸浮液始終處于強(qiáng)制對(duì)流換熱狀態(tài)，微膠囊并未發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，提升了盤管與MPCM懸浮液的對(duì)流換熱能力。并且攪拌速率的增大，提高了MPCM懸浮液的湍流度，使得換熱效果進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖8 不同攪拌速率下管外對(duì)流傳熱系數(shù)隨儲(chǔ)能介質(zhì)溫度變化曲線Fig.8 Variation of ho with temperature of energy storage medium at different stirring rates

4 結(jié) 論

本文利用MPCM懸浮液潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)與純水儲(chǔ)能系統(tǒng)作對(duì)比，通過(guò)分析放冷速率Pd、相變完成率θ、單位體積放冷量EV,d和對(duì)流傳熱系數(shù)ho，研究不同循環(huán)水體積流量和不同攪拌速率對(duì)MPCM懸浮液放冷特性的影響，主要結(jié)論如下。

（1）循環(huán)水體積流量越大，MPCM懸浮液的放冷時(shí)間越短，并且放冷速率Pd越大，放冷效果也越好。當(dāng)循環(huán)水流量為7 L·min-1時(shí)，MPCM懸浮液放冷時(shí)間為1452 s，且在相變溫度范圍內(nèi)Pd最大值為1.59 kW。除此之外，當(dāng)循環(huán)水流量同為6 L·min-1時(shí)，Pd在相變溫度范圍內(nèi)比水提高了約70%。

（2）MPCM懸浮液的相變完成率θ在相變溫度范圍內(nèi)快速升高，當(dāng)懸浮液溫度為20℃時(shí)，θ可達(dá)90%。在0～200 r·min-1范圍內(nèi)，攪拌速率越大，θ越高，單位體積蓄冷量EV,d也越大。同時(shí)，在攪拌速率為200 r·min-1的情況下，MPCM懸浮液的EV,d為73.86 MJ·m-3，約為純水的1.66倍。

（3）MPCM懸浮液與盤管表面的對(duì)流傳熱系數(shù)ho隨著攪拌速率的增大而增大。當(dāng)攪拌速率為200 r·min-1時(shí)，ho在相變溫度范圍內(nèi)最高可達(dá)2176 W·m-2·K-1，約為純水的1.87倍。

符號(hào)說(shuō)明

Aex——放冷螺旋盤管的面積，m2

cp,l——相變微膠囊懸浮液的比定壓熱容，J·kg-1·K-1

cp,w——水的比定壓熱容，J·kg-1·K-1

D——盤管螺旋直徑，m

di,do——分別為盤管內(nèi)、外徑，m

Ed——循環(huán)水帶走的冷量，kJ

Eloss——放冷過(guò)程中散失的冷量，kJ

EV,d——單位體積放冷量，MJ·m-3

ΔE——相變微膠囊釋放的冷量，kJ

ΔEerr——系統(tǒng)誤差，kJ

ΔH——相變微膠囊懸浮液的潛熱，kJ

hi，ho——分別為盤管內(nèi)、外表面對(duì)流傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

hl——單位質(zhì)量相變微膠囊懸浮液的潛熱，kJ·kg-1

hp——單位質(zhì)量相變微膠囊的潛熱，kJ·kg-1

k——放冷螺旋盤管傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

mp——相變微膠囊的總質(zhì)量，kg

Δmp——放冷過(guò)程中發(fā)生相變的微膠囊的質(zhì)量，kg

Nu——Nusselt數(shù)

Pd——放冷速率，kW

Pr——Prandtl數(shù)

qv,w——循環(huán)水的體積流量，L·min-1

Rt——儲(chǔ)能罐的傳熱系數(shù)與傳熱面積的乘積，W·K-1

Re——Reynolds數(shù)

Tlab——環(huán)境溫度，℃

Tτ——相變微膠囊懸浮液的平均溫度，℃

T1，T2——分別為充冷過(guò)程循環(huán)水進(jìn)、出口溫度，℃

T4，T3——分別為放冷過(guò)程循環(huán)水進(jìn)、出口溫度，℃

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫差，℃

ΔU——相變微膠囊懸浮液的顯熱，kJ

Vl——相變微膠囊懸浮液的體積，m3

θ——相變完成率，%

λ——盤管的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

λi——循環(huán)水的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρw——水的密度，kg·m-3

τ1——放冷開(kāi)始時(shí),s

τ2——放冷結(jié)束時(shí),s

下角標(biāo)

d——放冷過(guò)程

i,o——分別表示盤管內(nèi)和盤管外

l——相變微膠囊懸浮液

p——相變微膠囊顆粒

w——水