高迪，王樹剛，才曉旭，王繼紅，李宜軒

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及世界人口的增加，人們對(duì)于能源的需求越來越大，能源已經(jīng)成為制約生產(chǎn)發(fā)展的重要問題[1]。煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的不斷使用導(dǎo)致了環(huán)境不斷惡化、溫室氣體排放過度等問題，太陽能、風(fēng)能等可再生能源正逐漸替代傳統(tǒng)能源[2]。然而，太陽能因?yàn)槠淠芰髅芏鹊?，隨晝夜、天氣變化，具有很強(qiáng)的分散性、間斷性和不穩(wěn)定性，能源利用率低且成本高[3]，使其發(fā)展受到限制。與此同時(shí)，相變儲(chǔ)能技術(shù)受到人們的重視。相變儲(chǔ)能也叫潛熱儲(chǔ)能，與顯熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能共同組成了熱能儲(chǔ)存的三種方式。與顯熱儲(chǔ)能技術(shù)相比較，相變儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)[4]；與化學(xué)儲(chǔ)能相比較，相變儲(chǔ)能具有儲(chǔ)熱容量更大、對(duì)環(huán)境友好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[5]。

用于相變儲(chǔ)能的材料稱為相變材料（phase change material，PCM）。按化學(xué)組成劃分，可以將相變材料分為有機(jī)、無機(jī)和復(fù)合型相變材料；按相變過程中的相變方式劃分，可以分為固液、固氣、液氣和固固相變材料；按相變溫度劃分，可以分為高溫相變材料、中溫相變材料和低溫相變材料。與其他相變方式相比較，固液、液氣相變雖然具有較高的相變潛熱，但是會(huì)導(dǎo)致相變前后體積變化大，所以實(shí)際應(yīng)用困難[6]。而由于固固相變的相變潛熱低，所以固液相變的應(yīng)用更加廣泛。固液相變材料具有成本低，相變潛熱大，相變溫度范圍較寬，系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)[7]。

固液相變材料在使用過程中易發(fā)生泄漏，并且容易受到周圍環(huán)境影響，與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，所以將相變材料封裝起來是非常有必要的。通常有兩種封裝方法[8-9]：一是將相變材料微膠囊化，將相變顆粒用高分子聚合物包裹起來，控制反應(yīng)時(shí)的體積變化，保護(hù)反應(yīng)容器不被腐蝕；二是宏觀封裝，將相變材料封裝在管、球、袋、板或其他結(jié)構(gòu)中，這些封裝的結(jié)構(gòu)可以直接用作熱交換器，也可以合并到建筑結(jié)構(gòu)中使用。前一種方法不僅起到了將相變材料與周圍環(huán)境隔離的目的，同時(shí)還可以改善熱穩(wěn)定性，增大換熱面積，所以相變材料的微膠囊化應(yīng)用更加廣泛，相變微膠囊逐漸成為一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。

相變微膠囊（microencapsulated phase change material，MEPCM）是采用高分子聚合物將相變顆粒包裹起來，粒徑通常在1～1000μm 之間[9]。微膠囊化后的相變材料通常是由殼-核結(jié)構(gòu)組成，核稱為芯材，主要由相變材料組成；殼也稱為壁材，由有機(jī)材料、無機(jī)材料或者復(fù)合材料組成。不同類型的相變微膠囊有不同形態(tài)，有球狀、不規(guī)則形狀、多芯單殼、單芯多殼等，如圖1所示，目前主要以球狀應(yīng)用居多。相變微膠囊克服了泄漏、腐蝕、過冷等問題，使得相變微膠囊性能更加穩(wěn)定。Ishak等[10]用不易燃的SiO2作為壁材包裹焓值較高的硬脂酸（SA），獲得強(qiáng)度更高、導(dǎo)熱性能更好和化學(xué)性能更穩(wěn)定的SA/SiO2相變微膠囊；Nomura 等[11]制備的鋁/硅相變微膠囊儲(chǔ)熱能力非常強(qiáng)，具有較高的熱循環(huán)耐久性，在高溫儲(chǔ)熱應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景。

圖1 不同類型的相變微膠囊的不同形態(tài)[15]

但是，相變微膠囊熱導(dǎo)率低，限制了相變材料的傳熱效率。為了解決這一問題，提高相變微膠囊在相變過程的換熱速率，主要有兩種可行的技術(shù)[12]：一是改善相變材料本身的性能（密度、熱導(dǎo)率、黏度、比熱容），比如添加納米顆粒、石墨烯等高導(dǎo)熱材料；二是優(yōu)化傳熱條件，如使用增加換熱面積的換熱器、帶有肋片的管道等。Zhang 等[13]在石蠟/膨脹珍珠巖相變微膠囊中添加碳納米管，形成穩(wěn)定的復(fù)合相變微膠囊，分別用X 射線光譜儀、掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、熱重分析儀等測(cè)量改性之后的相變微膠囊的組成、形貌、化學(xué)相容性、熱性能、熱穩(wěn)定性等，經(jīng)過分析得到，由碳納米管改性后的復(fù)合相變微膠囊具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，熔化潛熱值從96.53J/g 提高到104.38J/g，熱導(dǎo)率提升了4.82倍，儲(chǔ)熱速率提升。Kalbasi等[14]探究了在散熱器中加翅片的情況，發(fā)現(xiàn)增加翅片會(huì)明顯提高相變材料散熱器的熱導(dǎo)率，并且翅片間距會(huì)影響相變材料的熱傳遞，通過改變翅片的厚度、高度、數(shù)量等可以獲得最佳翅片間距，從而獲得最佳熱傳遞效果。用不同的高導(dǎo)熱材料對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性，所得改性相變微膠囊的換熱性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都是不同的，用不同的工藝和制備方法所制得的相變微膠囊的性能也是不同的。因此，探究如何制備出高導(dǎo)熱性能的相變微膠囊、提高換熱效率，至關(guān)重要。本文針對(duì)相變微膠囊低導(dǎo)熱的缺點(diǎn)，分別從添加高導(dǎo)熱性能材料和改善換熱條件兩個(gè)方面，介紹了相變微膠囊的制備、改性相變微膠囊的制備以及兩者的區(qū)別，同時(shí)概括了相變微膠囊懸浮液以及改性相變微膠囊懸浮液在微通道換熱器中的應(yīng)用。

1 相變微膠囊及改性相變微膠囊的制備

1.1 微膠囊芯材的選擇

作為相變微膠囊的芯材，相變材料可以分為有機(jī)、無機(jī)和共晶相變材料。表1 列舉了有機(jī)芯材、無機(jī)芯材和共晶芯材的優(yōu)缺點(diǎn)[16]。

表1 微膠囊不同類型芯材的優(yōu)缺點(diǎn)

其中有機(jī)芯材主要包括烷烴、醇類、脂肪酸等有機(jī)物[16-17]，如石蠟[18]、十八烷[19]、脂肪酸[20]、聚乙二醇[21]等。石蠟由于具有無毒無腐蝕性、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性良好、不存在相分離、可以自成核等優(yōu)點(diǎn)[22-23]，成為目前最常用的有機(jī)芯材。但是石蠟本身是用漂白劑從石油中精煉出來的，是不可再生的，而且商業(yè)石蠟中含有易揮發(fā)的致癌物質(zhì)甲醛，因此在建筑應(yīng)用中需要謹(jǐn)慎使用[9]。與石蠟相比，脂肪酸主要來自可再生的植物、動(dòng)物油，具有單位質(zhì)量潛熱更高、低易燃性、相變溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是脂肪酸比石蠟具有閃點(diǎn)更低、成本更高等缺點(diǎn)[9,24-26]。聚乙二醇是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮南嘧冃静?，相變潛熱大、熔點(diǎn)范圍大，而且熔融特性一致，因此可以通過混合熔融均質(zhì)狀態(tài)的聚乙二醇建立雙組分芯材，從而調(diào)節(jié)聚乙二醇相變溫度并擴(kuò)大其環(huán)境溫度響應(yīng)范圍[27]。

無機(jī)芯材主要包括水合鹽、金屬、金屬鹽等[17,28]，如Na2SO4·3H2O[29]、Na2SO4[30]、Cu[31]等。水合鹽是無機(jī)芯材中的主要類別，其具有潛熱高、能量存儲(chǔ)密度高、種類多、熱導(dǎo)率較高、熔化溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，使得所需容器體積減小，進(jìn)一步節(jié)省了成本[9,32]。但是水合鹽會(huì)發(fā)生相分離，穩(wěn)定性差，使得其在進(jìn)行差示掃描量熱法（DSC）小樣本測(cè)量時(shí)存在困難，并且水合鹽雖然本質(zhì)上是無毒的，但是卻會(huì)刺激皮膚或眼睛，人體吸入以后也會(huì)影響健康[9,32]。金屬鹽和金屬芯材所制得的高溫相變微膠囊主要用于高溫領(lǐng)域的蓄熱傳熱，熔融溫度范圍廣，具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性，但是它們的儲(chǔ)存密度低，在高溫相變時(shí)易泄漏且腐蝕性較強(qiáng)[33]。

共晶芯材主要包括有機(jī)-有機(jī)、無機(jī)-無機(jī)等 復(fù) 合 混 合 物[17]，如 硬 脂 酸-癸 酸[34]、Al-Si[35]、Mg(NO3)2·6H2O-Na2SO4·10H2O[36]等。共晶芯材將兩種或者多種芯材進(jìn)行共熔混合，因此得到的混合芯材不存在相分離且具有良好的導(dǎo)熱性，單位體積熔化潛熱高，同時(shí)可以通過改變混合物的質(zhì)量比來決定共晶芯材的相變溫度，但是在實(shí)際應(yīng)用中共晶芯材所需成本卻很高，這也限制了它的應(yīng)用[16,37]。

1.2 微膠囊壁材的選擇

包裹相變材料的的壁材可以分為有機(jī)壁材和無機(jī)壁材，表2列舉了兩類不同壁材的優(yōu)缺點(diǎn)，其中有機(jī)壁材是目前文獻(xiàn)中報(bào)道最多、使用范圍最廣的壁材[38]。

表2 有機(jī)壁材和無機(jī)壁材的優(yōu)缺點(diǎn)

有機(jī)壁材中使用最多的是有機(jī)聚合物，主要包括天然高分子材料如阿拉伯膠[41]、明膠[42]、殼聚糖[43]等，以及合成高分子材料三聚氰胺甲醛樹脂（密胺樹脂）[44]、脲甲樹脂[45]、三聚氰胺-尿素-甲醛樹脂[19]、聚苯乙烯[46]、聚甲基丙烯酸甲酯[47]、聚脲[18]、聚氨酯[48]等。其中脲醛樹脂具有反應(yīng)易控制、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)[49]，三聚氰胺甲醛樹脂具有原料價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)[50]，氨基樹脂具有易成膜、成壁時(shí)間短、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)[51]，但是含有甲醛的樹脂會(huì)釋放有害成分，危害環(huán)境和健康[38]。無機(jī)壁材主要包括二氧化硅[10]、碳酸鈣[52]、二氧化鈦[53]、金屬[54]、碳基材料[55]等。無機(jī)壁材由于具有很好的導(dǎo)熱性能，因此近些年在相變微膠囊的應(yīng)用中得到更多的關(guān)注。

1.3 相變微膠囊的制備

現(xiàn)有相變微膠囊的制備方法按照制備原理主要可以分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法。圖2 展示了常見的相變微膠囊的制備方法。物理法是指利用機(jī)械外力產(chǎn)生相變微膠囊的壁材，將其包覆在相變材料芯材表面，生成壁材的過程不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，主要有噴霧干燥法等；化學(xué)法是目前制備相變微膠囊使用最廣泛的方法，利用自由基聚合，反應(yīng)生成壁材，主要有界面聚合法、原位聚合法、乳液聚合法、懸浮聚合法等；物理化學(xué)法是物理法和化學(xué)法相結(jié)合的混合過程，既有外力作用又有化學(xué)反應(yīng)，主要包括凝聚法、溶膠-凝膠法、分離法等。表3列舉了相變微膠囊的芯材、壁材的選擇以及制備方法。

表3 相變微膠囊材料的選擇及制備

圖2 相變微膠囊的常見制備方法

1.3.1 噴霧干燥法

噴霧干燥法是將芯材和壁材溶解在溶劑中，混合物經(jīng)過霧化后以小液滴的形式送到加熱室中進(jìn)行加熱，加熱過程中溶劑蒸發(fā)，最后經(jīng)過分離得到微膠囊顆粒。Nandiyanto 等[69]對(duì)使用噴霧干燥法制備不同形狀的相變微膠囊顆粒進(jìn)行總結(jié)，得出通過控制顆粒的形態(tài)可以改變相變微膠囊的性能，前體的類型和濃度、工藝條件的選擇以及載體材料的加入都對(duì)制備不同形狀尺寸的顆粒起著重要作用，原理流程圖如圖3所示。

圖3 噴霧干燥法原理流程圖[69]

1.3.2 化學(xué)法

界面聚合法是將芯材和疏水單體作為油相，乳化劑與去離子水作為水相，親水性單體溶解在水相中，經(jīng)過乳化形成水包油的乳液，在一定反應(yīng)條件下，水包油乳液界面的反應(yīng)單體迅速聚合，最終在界面處交聯(lián)聚合形成壁材。Zhang 等[58]使用界面聚合法制備了以正十八烷為芯材、聚脲為壁材的相變微膠囊。通過比較使用不同胺為水溶性單體所制備的相變微膠囊在形貌性能方面的差異，得出聚醚胺為單體所合成的微膠囊表面光滑致密，粒徑分布集中，具有更好的相變性能、更高的包封率和更好的抗?jié)B透性能，原理流程如圖4所示。

圖4 界面聚合法制備相變微膠囊原理圖[58]

原位聚合法是將芯材在乳化劑的作用下進(jìn)行乳化，形成水包油的乳液液滴，再將形成壁材的反應(yīng)單體或者預(yù)聚體，在催化劑和一定的反應(yīng)條件下進(jìn)行聚合，聚合物沉積在芯材表面形成壁材，最后經(jīng)過固化形成相變微膠囊，圖5展示了使用原位聚合法制備相變微膠囊的過程。Srinivasaraonaik 等[63]使用原位聚合法制備了共晶混合物（75%硬脂酸+25%癸酸）/三聚氰胺甲醛相變微膠囊，對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳pH為3.2，最佳攪拌轉(zhuǎn)速為1500r/min，所合成的相變微膠囊的熱導(dǎo)率為0.31 W/(m·K)，在節(jié)能熱舒適性基礎(chǔ)設(shè)施方面具有很好的應(yīng)用前景。

圖5 原位聚合法制備相變微膠囊原理圖

乳液聚合法是將相變材料與反應(yīng)單體混合，然后加入乳化劑形成預(yù)聚體，在攪拌的作用下達(dá)到乳化作用，制備成水包油的乳液,隨后通過添加引發(fā)劑，在芯材表面聚合包覆相變材料形成相變微膠囊，原理流程圖如圖6 所示。Sahan 等[25]以高熔點(diǎn)脂肪酸山萮酸（BA）為芯材，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）及其三種共聚物為壁材，采用乳液聚合法制備了BA/PMMA 相變微膠囊。通過測(cè)試以C3為共聚體所制得的相變微膠囊包封率和熱穩(wěn)定性最好，該相變微膠囊適用于中溫儲(chǔ)能，熔融相變溫度范圍為65～85℃。

圖6 乳液聚合法反應(yīng)原理圖

懸浮聚合法是將相變材料、反應(yīng)單體以及引發(fā)劑混合作為油相，通過機(jī)械攪拌器不斷攪拌或者加入乳化劑進(jìn)行乳化作用，制備成懸浮在水相中的液滴，一個(gè)液滴就相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的聚合單元，生成的聚合物包覆相變材料形成相變微膠囊。Pradhan等[65]采用可聚合乙烯基單體，通過懸浮聚合將石蠟進(jìn)行高分子材料包埋，合成流程圖如圖7所示，制備成一種微膠囊相變儲(chǔ)熱材料，并且得到聚合物中單體的質(zhì)量比和聚合物的組成影響相變微膠囊熱性能的結(jié)論，改變反應(yīng)參數(shù)（如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、石蠟單體比、石蠟性質(zhì)等），可以提高潛熱。

圖7 用懸浮聚合法制備石蠟相變微膠囊流程圖

1.3.3 物理化學(xué)法

凝聚法可以分為單凝聚和復(fù)凝聚法，其中復(fù)凝聚法是最常用的物理化學(xué)方法之一。采用兩種帶相反電荷的聚合物為壁材，將芯材分散在聚合物的水溶液中制備成乳液，在一定反應(yīng)條件下，通過陰陽離子的相互作用，兩種聚合物反應(yīng)并沉積到芯材上，通過交聯(lián)、去溶劑或熱處理使微膠囊穩(wěn)定，凝聚形成相變微膠囊。Konuklu 等[66]采用凝聚法制備了不同殼材料的辛酸微膠囊，以尿素、三聚氰胺和尿素氨基三聚氰胺為單體，與甲醛進(jìn)行共聚反應(yīng)，其中乳液溫度和攪拌時(shí)間起著重要作用，乳化溫度應(yīng)在50～70℃之間，攪拌時(shí)間應(yīng)為120min，合成過程如圖8所示。

圖8 復(fù)凝聚法制備相變微膠囊

溶膠-凝膠法是懸浮在膠體溶液中單體的縮聚反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為氧化膜的一種制備相變微膠囊的方法。將硅酸鹽等前體進(jìn)行水解形成溶膠溶液，然后添加到相變材料水包油乳液中，保持一定的反應(yīng)條件，通過縮聚反應(yīng)生成在相變材料液滴周圍的凝膠壁。Chen等[67]在堿性條件下，用溶膠凝膠法制備了具有SiO2殼結(jié)構(gòu)的正十八烷，合成過程如圖9所示，所合成的相變微膠囊可用于抑制放熱反應(yīng)失控行為。

圖9 溶膠-凝膠法制備相變微膠囊流程圖[70]

將上述制備相變微膠囊方法的適用范圍、如何選擇合適的制備方法以及制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，匯總結(jié)果見表4。

表4 不同制備方法的比較和總結(jié)

1.4 改性相變微膠囊的制備

相變微膠囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、殼層的包裹，導(dǎo)致相變材料自身的一些性能下降，因此需要對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性，提高相變微膠囊的性能。目前對(duì)相變微膠囊的改性方法主要可以分為以下3種：①在壁材中添加改性材料來提高熱導(dǎo)率[70,75-79]；②對(duì)芯材進(jìn)行改性[13,80-81]；③使用導(dǎo)熱性能更高的復(fù)合材料制備相變微膠囊[82-84]。表5 列舉了使用不同改性方法和不同材料對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性的研究結(jié)果。

表5 改性相變微膠囊研究進(jìn)展

通過比較不同改性方法，發(fā)現(xiàn)向壁材中添加改性材料是最常見的制備方法，制備過程相對(duì)簡(jiǎn)單且成熟，而有機(jī)-無機(jī)雜化殼材的出現(xiàn)為制備高導(dǎo)熱性能的相變微膠囊提供了新的思路。與傳統(tǒng)的制備相變微膠囊的方法相比較，改性相變微膠囊的制備方法區(qū)別在于對(duì)壁材的預(yù)處理。這種改性方法先將改性材料進(jìn)行預(yù)處理，與能夠降低混合溶液表面張力的表面活性劑混合并進(jìn)行超聲分散。在一定pH和一定溫度的條件下，將合成壁材所需的材料進(jìn)行混合攪拌，充分溶解后靜置形成復(fù)合乳化劑。然后將改性材料懸浮液與復(fù)合乳化劑混合，使用乳化劑進(jìn)行剪切乳化，形成穩(wěn)定的水乳型或者乳水型乳液，在一定溫度下使乳液進(jìn)行充分反應(yīng)，靜置后得到固化的微膠囊囊壁。

常用的改性高導(dǎo)熱材料主要有石墨烯、碳納米管、金屬氧化物、SiO2等。其中，石墨烯是一種很好的高導(dǎo)熱填料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、光電性能和超高的熱導(dǎo)率，近些年對(duì)石墨烯的研究主要集中于采用不同方法制備性能良好的石墨烯[85-87]、對(duì)石墨烯進(jìn)行功能化改性[88-90]、石墨烯納米流體[91-93]、石墨烯與聚合物/無機(jī)物的復(fù)合[94-96]等方面。作為石墨烯的衍生物，氧化石墨烯引入了大量的含氧基團(tuán)，改善了石墨烯疏水的特征，使其不僅具有良好的親水性能，而且更易被小分子或者聚合物結(jié)合，是一種性能更加優(yōu)異的改性材料。目前有很多學(xué)者[80,97-100]使用氧化石墨烯對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性，制備得到了熱導(dǎo)率更高、包覆率更高、性能更加良好的改性相變微膠囊。

2 相變微膠囊在微通道內(nèi)的換熱應(yīng)用

2.1 微通道換熱器

前文已經(jīng)指出，除了對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性外，改善換熱條件也可以提高相變微膠囊整體的換熱能力。 微通道換熱器（microchannel heat exchanger）具有小尺寸通道以及較高的單位面積換熱強(qiáng)度，在電子芯片冷卻、制冷系統(tǒng)、航天航空、軍事等領(lǐng)域飛速發(fā)展。將相變微膠囊應(yīng)用于微通道換熱器中，集相變微膠囊良好的熱穩(wěn)定性與微通道換熱器的高效換熱效率的雙重優(yōu)勢(shì)，為高效相變儲(chǔ)能換熱提供了新思路。微通道散熱器按照通道內(nèi)流體的分配方式可以分為平行翅片微通道換熱器和微針肋換熱器[101]，結(jié)構(gòu)形式示意圖如圖10所示。

圖10 微通道換熱器的結(jié)構(gòu)形式[101]

2.2 相變微膠囊在微通道換熱器內(nèi)的應(yīng)用

相變微膠囊技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)廣泛運(yùn)用在電子[102-104]、海水淡化[105-106]、建筑[107-110]、紡織[111-114]、太陽能[115-117]等領(lǐng)域。相變微膠囊在微通道換熱器內(nèi)的研究，主要是從其在單個(gè)微通道或者多個(gè)微通道內(nèi)的研究入手，并且由于相變微膠囊形態(tài)主要是固態(tài)顆粒，所以在微通道內(nèi)流動(dòng)換熱時(shí)，相變微膠囊一般與基液結(jié)合形成兼具材料相變和介質(zhì)輸運(yùn)特性的相變微膠囊懸浮液。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從單個(gè)微通道或者多個(gè)微通道入手進(jìn)行了大量的數(shù)值研究，為相變微膠囊在微通道換熱器中的應(yīng)用提供了依據(jù)。表6列出了部分學(xué)者對(duì)粒徑在納米級(jí)或微米級(jí)的膠囊懸浮液在微通道內(nèi)的流動(dòng)換熱數(shù)值分析。

表6 相變納米/微膠囊懸浮液在微通道中流動(dòng)數(shù)值分析

相變微膠囊懸浮液對(duì)流換熱特性受很多因素的影響，Hao 等[118]采用數(shù)值分析了質(zhì)量濃度、雷諾數(shù)、顆粒尺寸等對(duì)傳熱的影響，Hasan等[120]建立了相變微膠囊懸浮液在矩形微通道內(nèi)的層流模型，發(fā)現(xiàn)使用相變微膠囊具有更好的冷卻效果，從流體濃度、流動(dòng)速度等方面分析了相變微膠囊對(duì)換熱和壓降的影響。Kuravi等[123]數(shù)值分析了相變微膠囊懸浮液在歧管式微通道換熱器中的換熱特性，對(duì)比發(fā)現(xiàn)換熱效果與濃度成正比，與通道尺寸和粒徑成反比，并且相變微膠囊的換熱性能與入口溫度緊密相關(guān)。Ren等[104]將針鰭結(jié)構(gòu)的微通道換熱器與相變微膠囊結(jié)合，發(fā)現(xiàn)針鰭的長(zhǎng)度、數(shù)量和配置對(duì)傳熱能力和儲(chǔ)能能力有很大影響。

在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，很多學(xué)者將相變微膠囊懸浮液應(yīng)用于微通道換熱器中進(jìn)行流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)，表7列舉了部分研究團(tuán)隊(duì)的相變微膠囊懸浮液的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究。

表7 相變納米/微米膠囊懸浮液在微通道中的流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究

通過流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究，可以驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，李宜軒[129]在系統(tǒng)環(huán)路的加熱段采用交錯(cuò)互通式微通道換熱器，加熱出口測(cè)點(diǎn)溫度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的整體偏差低于±11%，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果做出了有效的驗(yàn)證。同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了石蠟相變微膠囊懸浮液在交錯(cuò)互通式微通道中的換熱性能，發(fā)現(xiàn)增加熱源功率、降低懸浮液流速、提高懸浮液入口溫度至接近其相變溫度，均可有效提高石蠟相變微膠囊的相變程度。Wu 等[130]將銦@二氧化硅微膠囊與微通道換熱器相結(jié)合，增強(qiáng)液體工質(zhì)的傳熱性能。通過測(cè)量壓降和系統(tǒng)的傳熱能力，得到相變納米膠囊可以很好地降低系統(tǒng)的壓降，增強(qiáng)工質(zhì)的熱性能，提高了整體的換熱效率。由上述可知，微通道換熱器具有體積小、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，將相變微膠囊與微通道換熱器結(jié)合，合理利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。

2.3 改性相變微膠囊在微通道換熱器內(nèi)的應(yīng)用

在文獻(xiàn)調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)改性相變微膠囊存在制備周期長(zhǎng)、成本高、制備過程相對(duì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，所以導(dǎo)致其在微通道換熱器內(nèi)的直接應(yīng)用存在困難，截至本文成稿前，尚未檢索到有關(guān)文獻(xiàn)。

很多學(xué)者更加關(guān)注將高導(dǎo)熱材料直接添加到相變微膠囊懸浮液中，對(duì)相變微膠囊懸浮液進(jìn)行改性，進(jìn)而提高相變微膠囊在微通道換熱器中的換熱效率。Ho等[132-133]將Al2O3直接添加到正十二烷相變微膠囊懸浮液中，形成穩(wěn)定的三元復(fù)合相變微膠囊懸浮液，Al2O3的加入對(duì)相變微膠囊的潛熱幾乎沒有影響，但是卻增強(qiáng)了懸浮液的導(dǎo)熱性和熱容量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，復(fù)合相變微膠囊懸浮液在微通道中的換熱效果比純水提高了56%，并且換熱效率取決于工質(zhì)的流速、微膠囊和Al2O3自身的性質(zhì)以及微膠囊與納米顆粒的潛熱比。經(jīng)過進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)，Ho等[134]探討了Al2O3與相變微膠囊懸浮液在微通道中的協(xié)同影響，得到由于協(xié)調(diào)作用的存在，因此工質(zhì)存在臨界速度。臨界速度以下，相變微膠囊顆粒完全熔化，換熱性能優(yōu)于純納米流體或純相變微膠囊懸浮液；高于臨界速度時(shí)，壓降增加和功耗的影響高于相變微膠囊潛熱的影響，所以純納米流體的換熱性能優(yōu)于復(fù)合相變微膠囊懸浮液。

除此之外，還有一些學(xué)者采用納米流體與相變微膠囊結(jié)合的方式，提高相變微膠囊在微通道內(nèi)的傳熱效果。Yan 等[135]將Al2O3納米流體與相變微膠囊結(jié)合，將其應(yīng)用于矩形微通道換熱器中，發(fā)現(xiàn)Al2O3的加入提高了整體的換熱性能，并且隨著雷諾數(shù)的減小，相變微膠囊的熱通量增加、熔化速度加快，然而熱阻增大，原因是雷諾數(shù)減小流速和對(duì)流換熱效率減小。Ho 等[136-137]研究了Al2O3-水納米流體作為冷卻劑，流過上層為相變微膠囊的微通道換熱器，在持續(xù)加熱一段時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，對(duì)微通道換熱器施加熱脈沖，發(fā)現(xiàn)壁面溫度開始呈急劇上升趨勢(shì)，最后上升趨勢(shì)逐漸緩和。8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Al2O3納米流體發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流換熱，Al2O3在純水中的分散會(huì)降低壁溫，從而增強(qiáng)傳熱效果，并增加努塞特（Nusselt）數(shù)，并且雷諾數(shù)的增加顯著降低了納米流體的熱阻。

由以上文獻(xiàn)分析可知，對(duì)相變微膠囊懸浮液改性有助于強(qiáng)化換熱，但如果能夠得到更加成熟的改性相變微膠囊的制備體系，忽略制備周期長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，對(duì)相變微膠囊進(jìn)行改性，將其直接應(yīng)用于微通道換熱器中，可獲得更加優(yōu)異的增強(qiáng)傳熱的效果。

3 結(jié)語

目前制備相變微膠囊的常用方法有噴霧干燥法、界面聚合法、原位聚合法、乳液聚合法、懸浮聚合法、凝聚法、溶膠-凝膠法等，選擇不同的芯材和壁材可以獲得不同物化性能的相變微膠囊。而制備改性相變微膠囊的方法主要采用原位聚合法，向壁材中添加改性材料是最常用的改性方法。除碳納米管、氧化鋁、二氧化硅外，氧化石墨烯是一種具有優(yōu)異的物化性能和超高的熱導(dǎo)率的改性材料，向相變微膠囊中添加氧化石墨烯可以獲得熱導(dǎo)率更高、包覆率更高、性能更加良好的改性相變微膠囊，改性后的相變微膠囊熱導(dǎo)率可以提高1.1～4.82 倍。同時(shí)，有機(jī)-無機(jī)雜化殼材的出現(xiàn)，為提高相變微膠囊的導(dǎo)熱性能提供了更加有效的思路。

將相變微膠囊或改性相變微膠囊與微通道換熱器結(jié)合，可以合理利用各自強(qiáng)化換熱的優(yōu)勢(shì)，與基液在微通道中換熱效果相比較，它們能獲得更加良好的換熱效果。但是仍存在一定弊端，如改性相變微膠囊的制備過程相對(duì)復(fù)雜，對(duì)反應(yīng)環(huán)境和時(shí)間要求高，石墨烯價(jià)格昂貴，使得改性相變微膠囊成本更高；相變微膠囊或改性相變微膠囊與微通道換熱器的結(jié)合，在提升換熱效果的同時(shí)還存在著增加流動(dòng)阻力和壓降的問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用選擇時(shí)，需要確定懸浮液流動(dòng)的臨界速度、比較相變微膠囊潛熱與增加壓降對(duì)微通道換熱效果的影響，從而充分發(fā)揮相變微膠囊與微通道換熱器的優(yōu)勢(shì)。