公 雪, 王程遙

(上海電力大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著社會的不斷進步與經(jīng)濟的快速發(fā)展,全球能源短缺問題日益嚴(yán)重,提高能源使用效率和開發(fā)新能源是人類面臨的重要課題[1]。相變微膠囊懸浮液由于相變微膠囊顆粒發(fā)生相變時吸收或放出大量熱量,并與周圍流體發(fā)生微對流效應(yīng),增強了懸浮液與壁面的換熱效果,是集儲熱和強化傳熱于一體的一種新型材料,因此在太陽能利用、電子設(shè)備冷卻、采暖和空調(diào)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

王利[3]通過實驗發(fā)現(xiàn),影響相變微膠囊懸浮液強化傳熱的主要因素是雷諾數(shù)(Re)和微膠囊的體積分?jǐn)?shù),而斯蒂芬數(shù)的影響很微小。魯進利等人[4]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),影響相變微膠囊懸浮液強化傳熱的較大因素有雷諾數(shù)、微膠囊的顆粒濃度、壁面熱流密度。田麗亭等人[5]通過實驗發(fā)現(xiàn),相變微膠囊顆粒的加入明顯增強了溶液的冷卻效果,有效降低了管道壁面溫度,并且懸浮液濃度越高,管道壁面溫度越低。鐘小龍等人[6]在實驗中發(fā)現(xiàn),管壁壁面溫度受雷諾數(shù)和相變微膠囊懸浮液濃度的影響較大。仇中柱等人[7]研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)和斯坦頓數(shù)(St)對強化傳熱的效果影響較大,而相變微膠囊顆粒的粒徑大小、過冷度強化傳熱的效果影響較小。INABA H等人[8]研究發(fā)現(xiàn),在相同雷諾數(shù)下,相變微膠囊懸浮液的平均換熱系數(shù)是水的2.0～2.8倍。

綜上所述,相變微膠囊懸浮液可以有效強化傳熱,它的流動和傳熱特性取決于以下參數(shù):相變微膠囊懸浮液流速、質(zhì)量濃度、傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)(Nu)、雷諾數(shù)、斯坦頓數(shù)、均勻度、過冷度、相變溫度范圍和粒徑分布等。這些參數(shù)的影響是已知的,但在不同的實驗中影響程度不同,仍處于探索狀態(tài)[9]。本文搭建了一個實驗系統(tǒng),對不同濃度的相變微膠囊懸浮液流過細小圓管時與壁面的對流換熱特性進行了實驗研究。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。相變微膠囊懸浮液由微型流量泵從磁力攪拌器上的恒溫?zé)形?通過主循環(huán)回路流量調(diào)節(jié)閥和旁通回路流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié),控制進入流量計的流量;一部分懸浮液直接通過旁通回路流量調(diào)節(jié)閥返回恒溫?zé)?另一部分進入實驗段進行換熱,換熱后返回恒溫?zé)罄^續(xù)循環(huán)。磁力攪拌器恒溫?zé)隹诘臏囟葹?0 ℃。

圖1 實驗裝置示意

實驗采用長為650 mm、內(nèi)徑為2.5 mm、外徑為3 mm的304不銹鋼圓管,其熱導(dǎo)率為16.3 W/(m·K),并且在不銹鋼圓管均勻包裹上4個K型熱電偶形成實驗段。K型熱電偶溫度信號通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀(Agilent34970A)采集后,由電腦輸出。

實驗采用大龍興創(chuàng)實驗儀器(北京)有限公司生產(chǎn)的LCD數(shù)控加熱型23.33 cm方盤磁力攪拌器,型號為MS7-H550-Pro;喬穆自動化科技有限公司生產(chǎn)的K型貼片式熱電偶,型號為Tpsk;南京潤澤流體控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的倒錐接頭,型號為WD10A-1/4-28-P和YC-032-P;南京潤澤流體控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的特氟龍管,型號為TFLG00006;卡默爾流體科技(上海)有限公司生產(chǎn)的微型流量泵,型號為NKCP-S10B。

1.2 實驗材料

1.2.1 相變微膠囊物理特性

相變微膠囊材料在相變的過程中能吸收或者釋放出大量的潛熱。本實驗建立在放熱的基礎(chǔ)上,由磁力攪拌器加熱微膠囊懸浮液到30 ℃,芯材發(fā)生融化吸熱變?yōu)槿廴趹B(tài),其微觀顆粒的熔融狀態(tài)如圖2所示。

圖2 相變微膠囊相變示意

實驗所采用的相變微膠囊顆粒,其芯材為石蠟,壁材為密胺樹脂,相變微膠囊材料的平均相變溫度為28 ℃,微膠囊顆粒的相變焓值大約為120 J/g。室溫下,其外觀為白色粉末狀顆粒物,約含有68%石蠟和32%的密胺樹脂,其平均顆粒直徑為8 μm。將相變微膠囊與蒸餾水配成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相變微膠囊懸浮液,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),相變微膠囊在蒸餾水中有很好的分散性。

1.2.2 相變微膠囊懸浮液密度

在實驗中需要計算相變微膠囊懸浮液的整體密度。首先計算單個相變微膠囊顆粒的密度,用ρp表示單個相變微膠囊顆粒密度,用ρb表示相變微膠囊懸浮液的密度。

ρp=ρccm+ρwi(1-cm)

(1)

ρb=ρpcv+ρwj(1-cv)

(2)

式中:ρc——芯體相變材料密度,kg/m3;

cm——相變微膠囊懸浮液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

ρwi——殼體材料密度,kg/m3;

cv——相變微膠囊懸浮液中相變微膠囊顆粒的體積分?jǐn)?shù),%;

ρwj——蒸餾水的密度,kg/m3。

1.2.3 相變微膠囊懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)

用kp表示單個相變微膠囊顆粒的導(dǎo)熱系數(shù),用kb表示相變微膠囊懸浮液的平均導(dǎo)熱系數(shù)。

(3)

(4)

式中:dp,dc——顆粒和芯材的直徑,μm;

kc——相變微膠囊中芯材的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

kwi——殼材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

kwj——蒸餾水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

1.2.4 相變微膠囊懸浮液黏度

用ub表示相變微膠囊懸浮液的平均黏度。

(5)

式中:uw——蒸餾水的黏度,Pa·s。

式(5)黏度關(guān)系式適用于顆粒濃度在0%～20%、顆粒平均粒徑在0.3～400 μm的情況。應(yīng)用式(1)～式(5),可以得出相變微膠囊顆粒及相變微膠囊懸浮液的物性參數(shù)[10-12]如表1所示。

表1 相變微膠囊懸浮液的物性參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

相變微膠囊的相變溫度為28 ℃,實驗中利用磁力攪拌器將懸浮液加熱至30 ℃,因從磁力攪拌器恒溫槽到實驗段入口段較短,此段的熱損失和熱阻可以忽略不記,因此實驗入口溫度為30 ℃。

實驗中圓管的進口雷諾數(shù)為

(6)

式中:um——相變微膠囊的進口速度,m/s;

di——圓管內(nèi)徑,m;

vb——懸浮液運動黏度,m2/s;

ρ——相變微膠囊的密度,g/cm3;

μ——懸浮液動力黏度,Pa·s;

f——流量計所測的流量,kg/s。

圓管無量綱壁面溫度θw,x、圓管內(nèi)壁面局部溫度Twi,x、管內(nèi)流體局部溫度Tb,x分別為

(7)

(8)

(9)

式中:λb——流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Tin——圓管內(nèi)流體的進口溫度,K;

qw——圓管壁面加熱熱流密度,W/m2;

Two,x——圓管外壁面局部溫度,K;

Q——輸入功率,W;

do——圓管外徑,m;

λw——圓管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

L——圓管長度,m;

x——距離圓管入口處的長度,m;

m——圓管內(nèi)流體的質(zhì)量流量,kg/s;

cp,b——流體的比熱容,J/(kg·K)。

實驗圓管的局部換熱系數(shù)hx和局部努塞爾數(shù)Nux分別為

(10)

(11)

式中:ΔTx——壁面溫度與流體溫度的局部溫差,K。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 不同濃度下相變微膠囊懸浮液換熱特性探究

3.1.1 管道壁面溫度

雷諾數(shù)為200和300,濃度為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液其管道無量綱壁面溫度θw,x隨流動方向的變化曲線,如圖3所示。

圖3 管道無量綱壁面溫度的沿程變化

由圖3可以看出,在雷諾數(shù)不同的情況下,無量綱壁面溫度隨著沿程的逐漸增加呈先增大后減小的趨勢。在雷諾數(shù)不變的條件下,在濃度為0.50%～3.00%的相變微膠囊懸浮液中,懸浮液濃度越大,管道無量綱壁面溫度增加或減小的幅度越大,其中2.00%的相變微膠囊懸浮液的無量綱壁面溫度最高,而3.00%的相變微膠囊懸浮液的無量綱壁面溫度最低。究其原因在于:當(dāng)濃度繼續(xù)增加到3.00%時,懸浮液中相變微膠囊顆粒濃度增大,流經(jīng)管道的時間較短,使得懸浮液中部分相變微膠囊顆粒尚未完全放熱而流出通道;雷諾數(shù)增大后,相變微膠囊懸浮液在管道內(nèi)的流速加大,流經(jīng)管道的時間縮短,使得懸浮液中大量的熱量被帶出通道。

3.1.2 管道局部努塞爾數(shù)

雷諾數(shù)為200和300,濃度為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液其管道局部努塞爾數(shù)Nux隨流動方向的變化曲線,如圖4所示。

圖4 管道局部努塞爾數(shù)的沿程變化

由圖4可以看出,當(dāng)雷諾數(shù)增大時,整體換熱增強的幅度減弱。在管道的入口段,濃度為0.50%的懸浮液明顯優(yōu)于更高濃度的懸浮液,這是由于低濃度的懸浮液剛進入圓管時,貼近壁面的微膠囊顆粒率先與管壁接觸并開始放熱,同時懸浮液的高導(dǎo)熱率和低黏度使熱量能及時高效地與管壁進行對流換熱。隨著懸浮液向下游流動,管道壁面換熱增強的幅度減弱,在管道中部時懸浮液換熱幾乎相近,而在接近管道的出口處,懸浮液的Nux略有差異。相變微膠囊懸浮使管道入口段的Nux減小幅度明顯較大,但隨著沿程的變化,對流換熱幅度減弱。究其原因在于:懸浮液剛進入圓管時,貼近壁面的微膠囊顆粒開始釋放熱量,同時微膠囊顆粒和周圍流體存在微對流效應(yīng),增強了管道壁面的對流換熱;隨著沿程的變化,靠近壁面的熱邊界層不斷加厚,流動徑向熱阻加大,懸浮液中的微膠囊顆粒不能盡快放熱相變,最終隨懸浮液流出管道。

4 結(jié) 論

本文搭建了細小圓管內(nèi)相變微膠囊懸浮液換熱的實驗系統(tǒng),對濃度分別為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液在細小圓管內(nèi)放熱過程的換熱特性進行了實驗研究,得到如下結(jié)論。

(1) 在本文選定的實驗工況下,相變微膠囊懸浮液可以強化傳熱,并且在放熱過程中,圓管壁面的無量綱溫度隨濃度的增加而逐漸增加。

(2) 在選定的雷諾數(shù)條件和不同濃度的相變微膠囊懸浮液中,濃度為2.00%的懸浮液換熱效果最好,這是因為3.00%的懸浮液顆粒濃度較大,懸浮液中大量微膠囊顆粒尚未完成放熱相變就已經(jīng)流出管道。

(3) 當(dāng)雷諾數(shù)一定時,不同濃度的相變微膠囊懸浮液的Nux均隨沿程的增加而減小,且隨著懸浮液濃度的增加,Nux呈現(xiàn)減小趨勢;相變微膠囊懸浮使管道入口段的Nux減小幅度較大,但隨著沿程的增加對流換熱幅度減弱。