相变微胶囊悬浮液在矩形通道中流动特性试验

时间：2024-07-28

许徐清，柳明亮

（1南京工业大学化学与分子工程学院江苏南京 211800）

（2南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京 211800）

1 引言

当前，我国经济高速发展，同时液面临节能减排、改善生态环境的严峻挑战。MEPCM作为近年来的新型储能材料，能在一定的温度区域内进行热能的吸收、存储及释放，减少换热过程，进而提高了能源的利用率。MEPCM在航天设备、空调、建筑材料、小型化换热设备等领域有广泛的应用前景，是国内外近年来的研究热点。许多研究学者就MEPCM及其悬浮液的稳定性、热物理性质、传热特性三大部分进行了重点研究。

MEPCM的稳定性方面，因微胶囊颗粒具有较大的比表面积、且表面能高，导致了微胶囊悬浮液在热力学上的不稳定，出现沉淀、团聚、微胶囊破裂等现象。吕珊等[1]对微胶囊悬浮液的稳定性进行了理论分析，实验表明：相变微胶囊的当量直径和密度差越小，基液的动力粘度越大，微胶囊相变悬浮液有较好的稳定性。龚长勇等[2]对用原位聚合法制备了以正十八烷为芯材的微胶囊进行实验，实验表明：用正十八烷制备的微胶囊有良好的分散性，粒径分布均匀。

热物理性质方面，不同的相变材料有对应的相变温度，相变颗粒的质量可能随温度的变化而改变，因此对MEPCM的热性能分析必不可少。袁丽霞等[3]对正十八烷相变微胶囊热性能研究实验中，实验表明：实验制备的正十八烷相变微胶囊颗粒均匀、相变潜热大、热稳定性能良好。吴炳洋等[4]进一步研究了正十八烷微胶囊在石墨烯的加入后性能的影响，实验表明：相变微胶囊的综合热性能，在加入适量的石墨烯后得到了明显的提升。

传热特性方面，在相同的雷诺数下，微胶囊悬浮液的对流换热系数较蒸馏水更高，能够显著地降低通道的壁面温度[5-7]。饶宇等[8]对质量浓度为0～20%的微胶囊悬浮液在矩形小通道内流动特性实验中表明，随着悬浮液质量浓度和流速的增加，流动压降增加；在悬浮液质量浓度大于10%时，流动压降显著。鲁进利等[9]研究了相变微胶囊悬浮液细小圆管流动与传热特性，实验表明：相变颗粒的加入增加了流动压降，极大强化了传热，当单相流体的流动状态为层流时，含有较小相变颗粒浓度的悬浮液的努塞尔数是单相液体的2～4倍。钟小龙等[10]在细圆管和矩形通道内微胶囊悬浮液传热特性的研究表明，在两种通道内不同质量浓度的悬浮液均表现出比水更好的冷却性能，悬浮液质量浓度的增大会获得更低壁面温度。

综合以上研究可知，国内外学者通过对相变微胶囊悬浮液在常规或微通道的流动换热特性的研究，总结了许多理论上的换热规律。而本课题建立在前人基础上，研究了实验配置的质量浓度为0～15%的悬浮液，以蒸馏水作对比在矩形通道中流动特性实验。进一步探讨了悬浮液在矩形通道中对流动压降，壁面温度造成的影响，阐释换热机理。

2 相变微胶囊颗粒的热物理性质

实验制成的相变微胶囊，在室温下呈白色粉末状，配置的悬浮液为乳白色，有轻微的沉淀现象。扫描电镜下的正十八烷相变微胶囊，形状为圆球形，颗粒粒径均匀。

在实验室温下，DSC仪器预热35min，并进行仪器的修正，设置仪器的温度升温速率为10K/min，N2的通入速率为20ml/min，以蓝宝石做参比，实验处理后制得的正十八烷的DSC曲线图如图1所示，由图可知正十八烷的相变温度在28℃附近，所测得的相变焓约为209.5J/g。相变颗粒吸收热量，从固态熔融成液态，发生相变过程。

图1 相变微胶囊DSC曲线图

目前，国内外研究学者已建立了相变微胶囊的传热理论基础[5，7，11]，在将微胶囊和蒸馏水混合配置成质量浓度为0～15%的悬浮液后，参照文献[10]相关公式计算得到实验所需微胶囊热的物性参数。

单个相变微胶囊颗粒密度以ρp表示

式中：ρpc和ρpw分别为囊芯相变材料及壳体材料密度；cm为相变材料的质量分数

相变微胶囊悬浮液的整体密度以ρb表示

式中：ρw是蒸馏水的密度；cv是相变微胶囊悬浮液中相变微胶囊颗粒的体积分数。

相变微胶囊悬浮液平均黏度μb由Vand黏度关系式计算

3 实验装置与方法

3.1 实验装置及方法

搭建矩形截面的矩形通道可视化试验平台，如图2所示，系统由主循环回路、温度控制系统和数据测量系统组成。实验时，工质1由泵2驱动，流经控制阀门3、4，在转子流量计5读数稳定后，进入实验段6换热，最后流经回收槽9回到储液罐。储液罐中工质的温度由恒温水浴控制调节，测量数据由数据采集仪采集输出。试验系统工作时，针对不同粗糙度和湿润性的矩形通道壁面内的流体，采用高速摄像仪拍摄矩形通道内流体的流型，微胶囊颗粒受流体剪切前后的分布，流变仪测量悬浮液的粘度，微细热电偶测量整个流场的温度场。通过调节压力、加热功率等参数，测量流体的流动压降及其通道的壁面温度，分析颗粒相变与流体流动和传热的耦合作用。

图2 实验系统流程图

3.2 实验误差分析

因流体在矩形通道的进出口处发生压缩和膨胀以及流动过程中的压力损失，会造成进出口压力传感器压降读数偏离测量值；同时，矩形通道暴露在空气中会向环境释放热量，从而影响到壁面温度的测定。实验中，还存在难以测定的影响因素，如相变微胶囊发生的相变过程是相对缓慢的，相变颗粒可能未全部发生相变，导致悬浮液的换热效率降低。

4 实验结果与分析

4.1 压降

悬浮液在矩形通道流动时因克服液体间的内摩擦力，以及悬浮液处于湍流时流体质点间相互碰撞交换动量而导致能量的耗损，致使悬浮液流动时压力的降低，即压降。而流动压降与流速之间的数学表达式满足：

图3 流动压降与流速关系

图3 所示的是不同质量浓度的微胶囊悬浮液并以蒸馏水作对照的流动压降与流体流速之间的关系，由图可知，流体的流动压降与流体的流速和悬浮液的浓度密切相关，无论是相变悬浮液还是蒸馏水，压降都随着流体流速的增大而增加；同时，当相变悬浮液的质量浓度增加时，流动压降也随之增加；并且悬浮液的流动压降增加效果比以蒸馏水为工质流体更为显著，在悬浮液的质量浓度大于10%时，流动压降的增加趋势更大。

4.2 壁面温度

微胶囊悬浮液的入口温度在进入矩形通道入口处时，因为温度的波动对壁面温度造成影响，所以采用量纲I壁面温度进行实验处理。量纲I壁面温度数学关系式满足：

式中：Twx为沿流动方向x处管壁温度℃；Tin为流体入口温度℃；qw为流体与壁面接触处热流密度W/m2；r为矩形小槽道当量半径m；kb为流体导热系数W/m•K。

图4 壁面温度I与流动长度的关系

图4 所示的是在不同雷诺数条件下，不同质量浓度的悬浮液蒸馏水的量纲I壁面温度沿矩形通道流动方向的变化关系。由图中结果所示，在Re相同的条件下，微胶囊悬浮液的壁面温度较蒸馏水低得多，且随着微胶囊悬浮液浓度的增加出现显著地降低。这是因为当悬浮液温度在相变温度时，相变颗粒发生相变吸收潜热，使得悬浮液保持一定的温度，同时也促使了壁面温度的降低，在未达到相变温度之前和结束相变后壁面温度才得以升高。随着相变颗粒的增加，通道内流体的扰动加剧，致使换热效果加强。通道内流体的温度远达不到蒸馏水发生相变的条件，导致水的壁面温度不断的升高。