ZnO 對不同流態(tài)下相變微膠囊懸浮液對流換熱特性影響研究*

張 彬，張冠華，豆斌林

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

目前，能源危機和環(huán)境問題已經(jīng)成為了各國亟需解決的問題。近年來全球二氧化碳排放量逐年增加，對生態(tài)系統(tǒng)造成了很大的威脅。為了減少二氧化碳的排放，我國將碳達峰、碳中和寫入政府工作報告，力爭在2030 年前二氧化碳排放不再增長。

由于相變材料（phase change material,PCM）在相變過程中會吸收或者放出大量的熱量，近年來其在熱能儲存方面的應(yīng)用發(fā)展迅速[1-2]。相變微膠囊（microencapsulated phase change material,MPCM）使用高分子材料作為外殼，PCM 作為芯材。在相變過程中MPCM 不會發(fā)生形態(tài)上的變化。相變微膠囊懸浮液（microencapsulated phase change material slurry,MPCS）通常以水作為基液，將MPCM 加入基液并通過物理攪拌、超聲震動和添加表面活性劑的方式，使其均勻地分散在基液中形成較為穩(wěn)定的兩相流。MPCS 中由于MPCM 相變過程中吸收和放出熱量以及其與周圍流體發(fā)生的微對流效應(yīng)可以強化MPCS的換熱效果，其在強化換熱和能量儲存方面有著廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對MPCM 以及其懸浮液已經(jīng)開展了許多研究與應(yīng)用，并得出了有意義的結(jié)論[6]。DUTKOWSKI 等[7]對MPCS 的流變特性、熱物理性質(zhì)等進行了研究，發(fā)現(xiàn)膠囊化對PCM 的相變過程沒有影響，MPCS 的密度隨著溫度的升高以及MPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低。靳健等[8]采用納米二氧化鈦來提高MPCS 的導(dǎo)熱率。DU 等[9]制備了巰基改性的石蠟/硅微膠囊相變材料，提高了MPCM 的熱穩(wěn)定性和懸浮穩(wěn)定性。

劉臣臻[10]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)MPCS 的對流換熱系數(shù)隨著MPCM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。ZHANG等[11]將MPCS 應(yīng)用于換熱器中以研究其對換熱性能的影響，實驗結(jié)果表明，由于PCM 在熔化時的吸熱效果，當(dāng)MPCM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，MPCS的傳熱效果比水提高了32.8%。ZHANG等[12]分別在層流、過渡流和湍流的條件下進行實驗，發(fā)現(xiàn)在層流的情況下MPCS 的換熱系數(shù)小于水，在過渡流下MPCS換熱接近水，在湍流下MPCS 局部努塞爾數(shù)（Nux）比水高10%。QIU 等[13]通過實驗和數(shù)值模擬的方法，研究MPCM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒徑以及過冷度對MPCS在圓管內(nèi)換熱的影響，結(jié)果表明MPCM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對MPCS 換熱效果的影響很大，而MPCM 過冷度和粒徑對MPCS 換熱效果影響相對較小。LI 等[14]將石墨嵌入MPCM 殼材，制備MPCS 進行傳熱實驗，在輸送同樣熱量的情況下，使用MPCS 比使用水作為傳熱介質(zhì)時質(zhì)量流量和泵功率均顯著降低。WANG 等[15]發(fā)現(xiàn)MPCS 在層流轉(zhuǎn)換為湍流時壓降發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變。在層流下MPCS 的局部換熱系數(shù)隨著MPCM濃度的增大而增大，在湍流下MPCS的換熱情況優(yōu)于層流。YUAN等[16]的研究表明10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MPCM 漿體是最適合的載能流體，但過冷問題仍有待解決。CHEN 等[17]的實驗表明，在波狀微通道中流動的MPCS的換熱強度是水的1.7 倍。

PU等[18]使用Eulerian-Eulerian模型對MPCS 在Y 形管內(nèi)的換熱特性進行了模擬分析，MPCM 體積分?jǐn)?shù)為 12%時，其換熱性能相較于純水提高了38.9%。LIN 等[19]建立多尺度模型討論了不同粒徑和濃度下MPCM 漿體的傳熱性能。結(jié)果表明，當(dāng)膠囊尺寸大于100 μm 時，較小的膠囊尺寸有利于提高MPCS 的換熱系數(shù)，平均換熱系數(shù)隨濃度的增加先增大后減小，并在MPCM 體積分?jǐn)?shù)濃度為20%時達到最大值。YU 等[20]使用數(shù)值模擬的方法將MPCS應(yīng)用于提升光伏/熱模塊整體性能，發(fā)現(xiàn)在不同流速下MPCS 的傳熱效率均高于水。LANGURI 等[21]采用ANSYS Fluent 軟件對MPCS 在盤管換熱器內(nèi)進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)接近管壁處的MPCM 有著更大的速度。

綜上所述，MPCS 的流動以及換熱特性與測試段加熱功率、MPCS 的濃度、流速以及MPCM 顆粒粒徑分布和過冷度都有一定的關(guān)系[22-24]。MPCM 單體的導(dǎo)熱率較低，所制備出的MPCS 整體導(dǎo)熱率低于水，這在一定程度上限制了MPCS 的應(yīng)用。為解決MPCS 導(dǎo)熱率較低的問題，豐富其應(yīng)用場景，使用氧化鋅（ZnO）顆粒加入MPCS 中，以此來提高MPCS 的導(dǎo)熱率；設(shè)計并搭建了流動換熱試驗臺，對其在層流和湍流下進行換熱實驗，分析其流動和換熱特性。

1 材料制備與表征

1.1 實驗材料

實驗采用的MPCM 以十八烷為芯材，密胺樹脂為殼材，由上海儒熵新能源科技有限公司提供。十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate,SDS）（分析純）和ZnO（分析純）由上海麥克林生化科技有限公司提供。

1.2 MPCS 的制備

ZnO@MPCS 制備流程如圖1 所示。以制備100 g樣品為例，將1 g SDS 加入93 g 的離子水中加熱攪拌30 min 使SDS 完全溶解；稱取1 g ZnO 加入溶液并攪拌30 min；將5 g 的MPCM 加入燒杯中以500 r/min 的速率攪拌30 min，攪拌后的溶液放入超聲波清洗機中超聲分散30 min，即可得到100 g的1%ZnO@5%MPCS。

圖1 ZnO@MPCS 制備流程圖Fig.1 Preparation flow chart of ZnO@MPCS

1.3 MPCM 和MPCS 的表征

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy,SEM）（捷克，Tescan，Mira 3 XH）觀測MPCM 的表面形態(tài)，測量前對樣品進行鍍金處理，以增強MPCM 的導(dǎo)電性。SEM 的掃描結(jié)果如圖2 所示，可看出MPCM 表面包裹完整，外表結(jié)構(gòu)近似球形，部分MPCM 出現(xiàn)干癟是由于微膠囊內(nèi)部PCM 凝固或受到擠壓所致。通過激光粒度分析儀（英國，Malvern instruments，Hydro 2000S）測量得到MPCM 的粒徑分布，結(jié)果如圖3 所示，MPCM 的粒徑分布較為均勻，主要分布在4～ 70 μm 之間，平均粒徑為20.92 μm。

圖2 MPCM 的SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM images of MPCM

圖3 MPCM 的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of MPCM

MPCS 的密度通過質(zhì)量流量計（德國，KEM，TCM-3100）測得，使用導(dǎo)熱儀（南京大展機電技術(shù)有限公司，DZDR-S）測定了MPCS 的導(dǎo)熱系數(shù)。使用差示掃描量熱儀（differential scanning calorimetry,DSC）（德國，Netzsch，200F3 Maia）測量MCPM和MPCS 的熱物性，所有測量均在氮氣下以2℃/min的加熱和冷卻速率進行。MPCS 物性參數(shù)如表1 所示。MPCM 和MPCS 的DSC 測試結(jié)果如圖4 所示，MPCM 表現(xiàn)出了較高的焓值，其熔化熱為189.2 J/g，結(jié)晶熱為187.3 J/g。從圖4 MPCS 以及ZnO@MPCS的DSC 曲線可以看出，ZnO 的加入并沒有降低MPCS 的相變潛熱。

表1 MPCS 和水物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of MPCS and water

圖4 MPCM 和MPCS 的DSC 曲線Fig.4 DSC curves of MPCM and MPCS

使用流變儀（英國，Malverninstruments，Kinexus Ultra）測量MPCS 在不同溫度下的動力黏度，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯鯩PCS 和ZnO@MPCS 的黏度在剪切速率大于30 S-1后趨于穩(wěn)定。ZnO 顆粒的加入增大了MPCS 的黏度，隨著溫度的升高，MPCS以及ZnO@MPCS 的黏度逐漸減小。

圖5 MPCS 和ZnO@MPCS 在20℃和35℃時黏度與剪切速率的關(guān)系Fig.5 Dynamic viscosity for MPCS and ZnO@MPCS at 20℃and 35℃ versus shear rate

2 對流換熱實驗

2.1 實驗裝置和步驟

流動換熱試驗臺布置如圖6 所示，實驗系統(tǒng)包括儲液水箱、質(zhì)量流量計、試驗段、壓差變送器（杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司，SIN-2051G）、調(diào)壓器（上海人民電器廠，tdgc2）、加熱圈、離心泵（威樂水泵系統(tǒng)有限公司，PUN-403EH）、板式換熱器（寧波北侖博克冷卻設(shè)備有限公司，K030-10F-1）、低溫冷卻劑循環(huán)泵（鞏義市科瑞儀器有限公司，DLSB-5/10）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（英國，ZEEFAX，IMP-400）；試驗段為光滑銅管，長度1 500 mm，外徑8 mm，內(nèi)徑6 mm；實驗裝置的其他管道均為不銹鋼管。

圖6 流動換熱試驗臺原理圖及實物圖Fig.6 Schematic diagram and physical drawing of flow heat exchange test bench

耐高溫絕緣加熱圈均勻纏繞在銅管上，產(chǎn)生均勻的熱流，在加熱圈兩端連接調(diào)壓器通過調(diào)節(jié)電壓來改變加熱圈的加熱功率。加熱圈的加熱功率由功率計測量。試驗段的管道覆蓋有40 mm 厚的硅酸鋁纖維保溫層，以減少實驗系統(tǒng)對環(huán)境的熱量損失。在距離銅管入口分別為0.05 m、0.25 m、0.45 m、0.65 m、0.85 m、1.05 m、1.25 m 和1.45 m 的管壁上安裝了8 個K 型熱電偶用來測量不同位置銅管外壁溫度。在銅管進口、銅管出口和板式換熱器出口安裝3 個K 型鎧裝熱電偶，用于測量進出銅管的流體溫度以及通過板式換熱器冷卻后的流體溫度。熱電偶測量數(shù)據(jù)由IMP-400 數(shù)據(jù)采集儀采集，從計算機端輸出。在銅管兩端連接差壓變送器，測量流體通過實驗銅管后的壓降。質(zhì)量流量計安裝在銅管進口，用于測量試驗段的質(zhì)量流量和密度。

在實驗過程中，MPCS 在循環(huán)水泵的作用下通過流動發(fā)展段進入質(zhì)量流量計，然后流入銅管進行加熱，被加熱后的流體與板式換熱器冷卻器中的冷卻水進行熱交換。使得流出板式換熱器的微膠囊相變材料漿料中的相變材料完全固化，最后實驗流體流回儲液罐，準(zhǔn)備進行新的循環(huán)。在實驗的過程中，將攪拌器調(diào)至合適的速率，以保持懸浮液的穩(wěn)定性，同時減少實驗中泡沫的產(chǎn)生。

2.2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

圓管進口處雷諾數(shù)Re為：

實驗段圓管內(nèi)壁面溫度通過下式計算：

實驗中流體與圓管管壁間局部換熱系數(shù)hx為：

層流理論Nux計算式：

式中：x*=（x/D）（Reb·Prb）Nux實驗值計算式：

在湍流時，理論Nux通過下式計算：

MPCS 的比熱容計算式[25]：

流體局部平均溫度Tx計算式為：

流體的吸熱量Qw通過下式計算：

實驗中所有的熱電偶都使用恒溫水浴進行了校準(zhǔn)，誤差控制在 ±0.2℃，質(zhì)量流量計誤差在 ±0.1%，功率計最大誤差為 ±2%。平均Nux不確定度為6.18%。

圖7 和圖8 分別為水在層流和湍流下hx與理論值的對比，理論值由式（5）結(jié)合式（4）和式（6）計算得出，在層流和湍流下實驗值與理論值的平均誤差分別為20.5%和7.8%。實驗值與理論值的差異性由以下原因造成：

圖7 水層流下的hxFig.7 hx of water in laminar flow

圖8 水湍流下的hxFig.8 hx of water in turbulent flow

（1）在實驗過程中，實驗段的熱損失主要集中在周圍環(huán)境和軸向管壁上。軸向管壁的熱損失導(dǎo)致管道進出口溫度較低，使得進口處hx大于理論值。

（2）雖然實驗中加熱圈均勻地纏繞在管壁上，但由于加熱圈的加熱特性，熱流并非絕對均勻，這會對管壁溫度產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)果及分析

3.1 水與MPCS 壓差對比分析

通過壓差變送器測量不同流速下水、MPCS 和ZnO@MPCS 的壓降，結(jié)果如圖9 示，ZnO 的加入增大了測試管道中漿體的壓降。但ZnO@MPCS 平均壓降僅比MPCS 高5.44%，ZnO 的加入對水泵輸送MPCS 功率的影響很小。

圖9 MPCS 與水壓降對比Fig.9 Comparison of pressure drop between MPCS and water

3.2 層流下水與MPCS 換熱特性

為了研究層流條件下金屬氧化物對MPCS 傳熱特性的影響，對水、5%MPCS 和5%MPCS@1%ZnO在入口質(zhì)量流量為0.45 kg/min、加熱功率為600 W的條件下進行強制對流傳熱實驗。圖10 顯示了試驗段不同位置的內(nèi)壁溫度和局部流體溫度沿管長的分布。由于PCM 發(fā)生相變，其相變過程需要吸收大量的熱量，故MPCS 和ZnO@MPCS 的壁溫在試驗段距入口處的0.25～ 1.05 m 之間緩慢上升。在距離入口處1.05 m 之后，大部分的相變材料完成相變，銅管壁溫升高幅度大于0.25～ 1.05 m 處。

圖10 水、MPCS 和ZnO@MPCS 的內(nèi)壁面溫度和流體局部平均溫度Fig.10 Inner wall temperature and local average temperature of water,MPCS and ZnO@MPCS

圖11a顯示了hx與試驗段軸向管長之間的關(guān)系。由于MPCM 顆粒和ZnO 顆粒的加入增大了流體的黏度，故MPCS 和ZnO@MPCS 在入口處hx小于水。在距入口處0.25 m 后，相變材料開始逐漸熔化。相變材料在熔化的過程中需要吸收大量的熱量，MPCS 和ZnO@MPCS 的黏度隨著流體溫度的升高而減小，流體的換熱能力逐漸增強，因此MPCS 和ZnO@MPCS的hx逐漸增大。在距離測試段入口1.05～ 1.45 m 處，MPCS 和ZnO@MPCS 的hx先減小后增大，這是由于1.05 m 后大部分PCM 完成了相變，流體需要吸收的熱量相較于相變過程所需的熱量變少，導(dǎo)致hx減小；在1.3 m 后，隨著流動的發(fā)展，流體的溫度升高、黏度減小且局部雷諾數(shù)增大，這些原因使MPCS 在測試段末尾的對流換熱系數(shù)增大。

金屬氧化物的加入提高了MPCS 的導(dǎo)熱系數(shù)，使?jié){料與壁面間換熱增強?？傮w來說，層流條件下5%MPCS 的平均hx小于水，但加入1%ZnO 的5%MPCS 平均的hx比水高6.5%。ZnO@MPCS 的局部換熱系數(shù)在整個換熱過程中均大于MPCS，這是由于ZnO 的加入提升了MPCS 的導(dǎo)熱系數(shù)，而且金屬顆粒的運動促進了流體間以及流體和管壁之間的熱量傳遞。

圖11b 顯示了Nux和軸向管長度之間的關(guān)系?？梢钥闯觯谌肟谔?，MPCS 和ZnO@MPCS 的Nux小于純水，但當(dāng)PCM 逐漸開始熔化后，MPCS 和ZnO@MPCS 的Nux大于水，并且隨著流動的發(fā)展，MPCS 和ZnO@MPCS 的Nux均明顯增大，表明MPCM和ZnO的加入增強了流體與管壁之間的對流換熱強度。

3.3 湍流下水與MPCS 換熱特性

為進一步研究金屬氧化物對MPCS 傳熱特性的影響，在湍流下對水、5%MPCS 和1%ZnO@5%MPCS進行強制對流換熱實驗。圖12 顯示了水、MPCS 和ZnO@MPCS 的局部平均溫度和銅管內(nèi)壁溫度。MPCM 的加入使流體溫度與壁面間的換熱增強，流體局部平均溫度接近圓管內(nèi)壁面溫度。加入ZnO 的MPCS流體與圓管內(nèi)壁溫差小于未加入ZnO的MPCS。湍流下流體間的擾動更加劇烈，流體與圓管壁面間的換熱增強，使流體與壁面間的溫差小于層流。

圖12 水、MPCS 和ZnO@MPCS 的內(nèi)壁面溫度和流體局部平均溫度Fig.12 Inner wall temperature and local average temperature of water,MPCS and ZnO@MPCS

圖13a 為湍流下hx沿軸向管長的分布情況。隨著入口壁溫的升高，壁溫達到相變材料的熔點，靠近管壁的相變材料開始熔化，PCM 在熔化過程中需要吸收更多的熱量，流體在入口處的hx呈現(xiàn)增大的趨勢。在距離圓管入口0.5 m 處，有更多的PCM 開始熔化，此時圓管與流體之間的hx接近最大值。隨著相變材料熔化量的減少，hx逐漸減小。在測試段的末尾，流體的hx隨雷諾數(shù)的增大和漿液黏度的降低而增大。湍流下MPCS 的擾動更加劇烈，MPCS的平均hx較水高8.9%，加入1% ZnO 的MPCS 的hx較水提高了15.7%。MPCS 以及ZnO@MPCS 的hx均大于層流，這是由于流速的增加增大了漿體的雷諾數(shù)，使得顆粒、流體和壁面之間的換熱增強。

MPCS 和ZnO@MPCS 在湍流下沿管道長度的局部Nux分布如圖 13b 所示。5%MPCS 以及1%ZnO@5%MPCS 在湍流條件下均實現(xiàn)了傳熱增強。在入口處由于ZnO@MPCS 的黏度較大，致使其Nux略低于純水，隨著流體溫度的升高，ZnO@MPCS 的黏度逐漸減小，在入口段之后，MPCS 和ZnO@MPCS 的Nux均高于水。

圖13 水、MPCS 和ZnO@MPCS 的hx（a）和Nux（b）Fig.13 hx (a) and Nux (b) of water,MPCS and ZnO@MPCS

4 結(jié) 論

使用ZnO 作為高導(dǎo)熱顆粒，制備具有較高導(dǎo)熱率的MPCS 并對MPCS 的物理性質(zhì)進行測試。設(shè)計搭建實驗臺，分別在層流和湍流下進行了強制對流換熱實驗，通過對比水，MPCS 和ZnO@MPCS 的局部換熱系數(shù)hx和局部努塞爾數(shù)Nux，得出以下結(jié)論：

（1）制備出的1%ZnO@5%MPCS 導(dǎo)熱系數(shù)較5%MPCS 提高了17.9%，1%ZnO@5%MPCS 的黏度略大于5%MPCS。ZnO@MPCS 具有良好的導(dǎo)熱和儲熱性能。

（2）層流條件下MPCS 的平均hx低于水，1%ZnO@5%MPCS 平均hx比水高6.5%。湍流時，1%ZnO@5%MPCS 在相同質(zhì)量流量和功率下的hx比水提高了9.6%。

（3）ZnO 對MPCS 局部換熱的增強是由于ZnO的加入提升了MPCS 的導(dǎo)熱系數(shù)，并且加強了流體間的微對流現(xiàn)象。隨著流動的發(fā)展，流體溫度的升高，流體的黏度降低以及局部雷諾數(shù)的增大也是MPCS 和ZnO@MPCS 的hx增強的原因。ZnO 的加入增大了MPCS 的黏度，但從換熱效率的角度來看，ZnO@MPCS 的換熱效率更高。在輸送或交換同等熱量的情況下，所需的流體更少，可以減少水泵的功耗。

符號表：

A銅管表面積，m2

Cp比熱容，kJ/(kg·℃)

D圓管直徑，m

hx局部換熱系數(shù)，W/(m2·℃)

I電流，A

k導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

L長度，m

M質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

m質(zhì)量流量，kg/s

Nux局部努塞爾數(shù)

P銅管周長，m

Pr普朗特數(shù)

Q加熱功率，W

Qw流體吸熱量，J

qw熱流密度，W/m2

Re雷諾數(shù)

r圓管半徑，m

T溫度，℃

U電壓，V

u流速，m/s

v流體的運動黏度，m2/s

x距離圓管入口處的距離

下角標(biāo)：

b 局部

i 入口

m 平均

mo 金屬氧化物

mp 相變微膠囊

s 漿料

w 內(nèi)壁面

wa 水

wo 外壁面