董彬，薛永浩，梁坤峰，袁爭印，王林，周訓(xùn)

（1河南科技大學(xué)先進(jìn)制冷循環(huán)與熱過程控制研究所，河南 洛陽 471003；2岡山大學(xué)大學(xué)院自然科學(xué)研究科，日本 岡山700-8530）

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，利用低碳、清潔、高效的能源及產(chǎn)品是新時代的熱點(diǎn)話題。相變微膠囊懸浮液（MPCMS）作為一種新型的潛熱型功能流體，在工業(yè)余廢熱回收系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)、熱能存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景和研究價值[1-6]。

MPCMS 在相變溫度區(qū)間有較強(qiáng)的蓄熱能力和換熱能力。Inaba 等[7-8]的模擬證明，MPCMS 具有較大的比熱容，在相變溫度區(qū)間內(nèi)的儲熱和傳熱特性比非相變溫度區(qū)間內(nèi)更強(qiáng)。Yuan等[9]利用實(shí)驗(yàn)探究了含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MPCMS 在不同的工作溫度區(qū)間的動態(tài)、靜態(tài)換熱特性。Allouche 等[10]、Zhang等[11]和Xu等[12]證明了在相變溫度范圍內(nèi)，相變材料的儲能比水更多。Diaconu等[13]獲得了垂直螺旋管中MPCMS的傳熱關(guān)聯(lián)式，證明了MPCMS在相變區(qū)間內(nèi)的蓄熱能力比水更強(qiáng)，傳熱系數(shù)明顯高于水。Bai等[14]研究認(rèn)為MPCMS在相變放熱時顯著提高了系統(tǒng)的蓄熱和傳熱性能。卜令帥等[15]的研究表明，一定條件下MPCMS 的單位體積放冷量和對流傳熱系數(shù)分別比顯熱儲能時高1.66、1.87 倍。Kong 等[16]研究表明，與水相比，MPCMS 表現(xiàn)出了高熱容，但高黏度和低熔化潛熱限制了其傳熱性能的提高。Sabbah等[17]的研究表明在低泵功率下，MPCMS可以在電子設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更低和更均勻的溫度。鐘小龍等[18]研究表明，在內(nèi)徑為1 mm 的細(xì)管中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS比水有更好的換熱特性。

此外，MPCMS 的流動特性、相變微膠囊的特性和實(shí)驗(yàn)條件會影響其換熱特性。Liu 等[19]與Qiu 等[20]的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究表明，Stefan數(shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響MPCMS 傳熱性能的最基本因素。Ma 等[21]的研究認(rèn)為內(nèi)徑小的管道中其傳熱性能隨相變材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化更為明顯，提出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為20%的層流傳熱關(guān)聯(lián)式。Zhang等[22]制備了一種MPCMS 并討論了質(zhì)量分?jǐn)?shù)對儲熱和傳熱過程的影響。Wang等[23]認(rèn)為在水平圓管內(nèi)層流條件下，MPCMS 的傳熱系數(shù)明顯高于單相流體的傳熱系數(shù)。Yamagishi等[24]的研究表明相變微膠囊的過冷、粒徑、黏度會影響其換熱特性。Zhang等[25]利用DSC（差示掃描量熱法）和XRD（X 射線衍射技術(shù)）研究了微膠囊的結(jié)晶和防止過冷。Inaba 等[26]研究了不同粒徑大小混合的MPCMS，其傳熱系數(shù)是純水的2～2.8倍。

上述文獻(xiàn)研究了相變微膠囊因相變而儲熱和放熱的特性，它們的共同點(diǎn)是連續(xù)性換熱介質(zhì)，介質(zhì)形狀受換熱裝置制約，且換熱工作溫度區(qū)間單一。當(dāng)然基于相變微膠囊良好的儲熱、放熱特性，利用分散的MPCMS 在多種工作溫度區(qū)間直接接觸式的換熱同樣有研究價值。因此，本文搭建了一個噴淋塔，以正二十二烷（C22H46）為芯材的相變微膠囊制成的MPCMS 作為噴淋介質(zhì)，研究了不同噴淋溫度和不同空氣流量下，不同粒徑的MPCMS 顆粒與空氣的直接接觸式的換熱特性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 系統(tǒng)裝置及流程

圖1 是使用T-history 法[27-28]的靜態(tài)換熱測試裝置，采用6支長150 mm、內(nèi)徑13 mm、壁厚1 mm的玻璃試管，試管的幾何中心及保溫桶內(nèi)安裝了T 型熱電偶。恒溫槽的升、降溫功率均為3 kW，提供熱、冷流體經(jīng)保溫桶內(nèi)的盤管分別使水升、降溫，攪拌器使保溫桶里的水溫均勻分布達(dá)到均勻換熱的效果。在測試過程中，待測介質(zhì)的溫度先從20℃上升至50℃，然后從50℃下降至20℃。

圖1 靜態(tài)換熱測試裝置1—恒溫槽；2—保溫桶；3—換熱盤管；4—攪拌器；5—試管；6—計(jì)算機(jī)；7—安捷倫數(shù)據(jù)采集儀Fig.1 Static heat transfer test device

圖2 為噴淋系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)底部為容量50 L 的保溫桶，其內(nèi)部放置了加熱棒及溫控開關(guān)的溫度傳感器，其左側(cè)是流量為30 L/min 的水泵攪拌液體使保溫桶內(nèi)液體溫度均勻分布，其右側(cè)安裝了浮球閥門以便及時地向保溫桶內(nèi)補(bǔ)充蒸餾水。系統(tǒng)上部是長寬均為0.55 m、高1.6 m 的噴淋塔主體，塔壁外側(cè)覆蓋了0.02 m 的保溫層；在塔的底部即空氣入口處設(shè)置了空氣整流器[29]使室內(nèi)空氣均勻進(jìn)入噴淋塔內(nèi)；塔頂部空氣出口的排氣扇把空氣勻速地排到實(shí)驗(yàn)室外的環(huán)境。同時在該系統(tǒng)的空氣入口處布置了1個溫濕度變送器和1個T型熱電偶，在整流器上均勻布置了3 個T 型熱電偶，在噴頭入口管內(nèi)布置了1個T型熱電偶，在噴淋塔出口布置了1個溫濕度變送器和2個T型熱電偶。

圖2 噴淋系統(tǒng)裝置1—水泵；2—保溫桶；3—溫控開關(guān)；4—加熱棒；5—濕度采集器；6—整流器；7—水泵；8—安捷倫數(shù)據(jù)采集儀；9—電磁流量計(jì)；10—計(jì)算機(jī)；11—噴頭；12—壓力傳感器；13—排氣扇；14—功率控制儀；15—水箱；16—浮球閥Fig.2 Sprinkler system device

噴淋系統(tǒng)由液體循環(huán)和空氣流動兩部分組成。其中，液體在保溫桶里被加熱至設(shè)定溫度（35、40、44、47、51℃）后，再被泵送至噴頭形成顆粒液滴，與向上流動的空氣發(fā)生熱、質(zhì)交換后流回保溫桶；室內(nèi)空氣在排氣扇的作用下分別以不同的體積流量（0.011、0.018、0.025 m3/s）經(jīng)過整流器向上流動，與噴淋下來的顆粒液滴發(fā)生熱、質(zhì)交換，最后從頂部排出室外。

兩個實(shí)驗(yàn)裝置中熱電偶通過計(jì)算機(jī)和安捷倫34970A采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，精度為±0.01℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

等效比熱容模型[30]是將均勻分布在載流體中的相變微膠囊相變對換熱強(qiáng)化的影響等效為混合流體有效比熱容的增大。張方等[31]用式（1）表示MPCMS的等效比熱容。

式中，Tout為保溫桶內(nèi)水的溫度，℃；Tin為待測介質(zhì)的溫度，℃；R為計(jì)算因子，即熱導(dǎo)率與試管壁幾何參數(shù)的乘積，W/℃；cptest為待測介質(zhì)的等效比熱容，J/(kg·℃)；m為待測介質(zhì)的質(zhì)量，kg；cptube為試管的比熱容，J/(kg·℃)；mtube為試管的質(zhì)量，kg；mwater為水的質(zhì)量，kg；Error為比熱容測試結(jié)果的誤差。

在噴淋塔內(nèi)發(fā)生的噴淋換熱過程，液體作為熱源，室內(nèi)空氣作為冷源。熱源在整個過程中損失的熱量為:

噴淋液體與氣流之間的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)分別為

1.3 相變微膠囊懸浮液

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的原漿MPCMS由安徽省美科迪科技公司生產(chǎn)，相變微膠囊的芯材是正二十二烷（C22H46），囊壁為聚氨酯高分子化合物。芯材熔融溫度為43℃，潛熱為249 kJ/kg，微膠囊的平均直徑為8 μm，芯材質(zhì)量分?jǐn)?shù)約80%。用蒸餾水把原漿相變微膠囊懸浮液稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS。

2 相變微膠囊懸浮的儲熱和放熱特性

用T-history法和式（2）、式（3）測量計(jì)算了3組純水（不含相變微膠囊）的比熱容，其結(jié)果誤差分別為2.2%、3.1%和2.7%，都在5%以內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)需求，因此用此方案測量MPCMS的比熱容是合理的，由式（1）計(jì)算出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%的MPCMS的等效比熱容與實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果的誤差分別為7%、9%。

圖3 為靜態(tài)加熱和冷卻過程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%的MPCMS 與純水的等效比熱容隨溫度的變化。由圖3（a）知，在溫度范圍25～40℃和44～50℃時，各組MPCMS 的等效比熱容大小基本相同，沒有熱量轉(zhuǎn)化為潛熱儲存起來。在芯材熔融溫度43℃附近區(qū)域時，各組MPCMS 的等效比熱容曲線出現(xiàn)了波峰，即吸收并儲存了潛熱[7-11]，平均等效比熱容約為純水的3.8 倍。由圖3（b）可知，MPCMS 的等效比熱容曲線出現(xiàn)了兩處不同的非連續(xù)波峰，即為過冷現(xiàn)象并具有較大的過冷度。因?yàn)槔鋮s過程中相變微膠囊內(nèi)晶體發(fā)生了均相結(jié)晶與異相結(jié)晶[24]，同時該現(xiàn)象不利于MPCMS 在限定的工作溫度區(qū)間內(nèi)完全釋放潛熱能。

圖3 比熱容隨溫度的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between specific heat capacity and temperature

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 噴淋環(huán)境分析

表1 為實(shí)驗(yàn)條件。使用噴霧激光粒度儀（HELOS-VARIO）測得液滴顆粒的Sauter 平均直徑（SMD），利用紅外熱像儀（FLIR T620bx）拍攝噴淋換熱場景，通過多功能焓差試驗(yàn)臺設(shè)置了常溫常濕（T=29～30℃，φ=58%～59%）和高溫高濕（T=39～40℃，φ=79%～80%）兩種測試環(huán)境。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions

圖4 為噴淋換熱的熱成像圖片。由圖4（a）和（g）可知，當(dāng)噴淋溫度為40℃時兩張?jiān)茍D差異不大。當(dāng)噴淋溫度為44、51 ℃時，把圖4（b）和（h）、圖4（c）和（i）相對比，前者的高溫區(qū)域面積均明顯較小，即噴淋溫度為44、51℃的純水從噴嘴噴出后液滴的溫度下降得快，而同樣噴淋溫度的MPCMS 從噴嘴噴出后液滴的溫度下降得慢。說明存儲在微膠囊內(nèi)的大量潛熱在此過程中發(fā)揮了重要作用。在高溫高濕環(huán)境下的換熱過程中，對比相同噴淋溫度的純水[圖4（d）～（f）]和MPCMS[圖4（j）～（l）]可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下液體的云圖差別很細(xì)微，沒有體現(xiàn)出相變微膠囊的儲能和釋放潛熱的優(yōu)勢。

圖5 是利用FLIR Research Studio 把熱成像圖片進(jìn)行后期處理的結(jié)果，展示了不同噴淋溫度的純水和MPCMS 在不同環(huán)境下?lián)Q熱時各自溫度的變化情況。由圖5（a）和（b）可知，純水和MPCMS 經(jīng)過熱質(zhì)交換后各自的溫度在常溫常濕環(huán)境下都比在高溫高濕環(huán)境下更低，因?yàn)楦邼癍h(huán)境不利于水蒸發(fā)，高溫空氣與液體之間溫差小，而常溫常濕環(huán)境下更有利于熱量交換。由圖5（c）可知，在常溫環(huán)境中，當(dāng)噴淋溫度為44、51℃時，MPCMS 的末端溫度明顯高于其噴淋溫度為40℃時的情況，平均差值約1.45℃，也高于噴淋溫度為40、44、51℃的純水，平均差值1.64℃；同時其溫度下降速率比噴淋溫度為40、44、51℃的純水和噴淋溫度為40℃的MPCMS慢。因?yàn)閲娏軠囟葹?4、51℃的MPCMS 中的相變微膠囊吸熱相變后儲存了大量的潛熱[7-11]，在噴淋換熱的過程中當(dāng)溫度降到相變溫度點(diǎn)時，相變微膠囊內(nèi)的芯材發(fā)生相變開始釋放潛熱。由圖5（d）可知，高溫高濕環(huán)境下，噴淋溫度為44 和51℃的純水與MPCMS 在整個噴淋換熱過程中溫度變化差異很??；而噴淋溫度為40℃時，這種溫度變化差異較大，但在該溫度下MPCMS 中的相變微膠囊沒有發(fā)揮其因發(fā)生相變而儲存大量潛熱的作用。因此，結(jié)合圖4 及前文敘述，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)均在常溫常濕環(huán)境下進(jìn)行。

圖4 熱成像圖片（SMD=80 μm，qv=0.018 m3/s）(a)～(c)純水，常溫常濕；(d)～(f)純水，高溫高濕；(g)～(i)MPCMS，常溫常濕；(j)～(l)MPCMS，高溫高濕Fig.4 Thermal image(SMD=80 μm，qv=0.018 m3/s)

圖5 純水與MPCMS的溫度變化情況Fig.5 Temperature changes of pure water and MPCMS

3.2 換熱特性分析

圖6是不同大小直徑的液滴，在不同空氣流量、不同噴淋溫度下，純水和MPCMS 經(jīng)過噴淋換熱后在出口的溫度變化情況。由圖可知，純水和MPCMS在冷卻塔的出口溫度都隨著空氣流量的增加而降低，因?yàn)樵黾涌諝饬髁繒ё吒嗟臒崃?。?dāng)空氣流量一定時提高初始噴淋溫度，液體在冷卻塔的出口溫度也逐漸升高。當(dāng)空氣流量相等時，冷卻塔液體出口的純水和MPCMS 之間的溫差在其二者的噴淋溫度為44、47℃時比35、40℃時大，噴淋溫度為44、47℃時差值按空氣流量大小排序，圖6（a）分別為2.11、1.65，2.18、2.46，1.32、1.77℃；圖6（b）分別為1.59、1.00，2.03、1.24，2.05、2.27℃。因?yàn)榧兯诓煌跏紲囟葧r，其單位質(zhì)量的熱容變化量很小；而MPCMS中的相變微膠囊在超過其相變溫度后，其囊壁內(nèi)部的相變材料會以潛熱的形式儲存大量的熱量，則MPCMS 的熱容量會發(fā)生大的變化[7-8]。當(dāng)以等體積流量的空氣與等質(zhì)量流量的純水和MPCMS換熱時，如果空氣帶走相同的熱量，則冷卻塔流體出口MPCMS的溫度較高。

圖6 液體溫度隨噴淋溫度的變化情況Fig.6 Liquid temperature changes with spray temperature

在 噴 淋 溫 度 為44、47、51℃時，圖6（b）中MPCMS與純水之間的溫差小于圖6（a）中的情況，因?yàn)閳D6（a）和（b）中液滴的SMD 分別為80和240 μm，小液滴與空氣總接觸面積更大；另外，實(shí)驗(yàn)記錄了噴淋小液滴和大液滴時管路中液體的壓強(qiáng)分別為0.48、0.19 MPa，則小液滴噴淋的速度更快，與空氣之間的相對流速更大，有利于熱交換，換熱更徹底，所以圖6（a）中溫差較大。

圖7 為不同大小的液滴在不同的空氣流量下，純水和MPCMS 的熱量損失與不同噴淋溫度之間的變化關(guān)系。由圖可知，噴淋不同大小的液滴顆粒時，液體損失的熱量不僅隨著噴淋初始溫度的升高而增大，還隨著空氣流量的增加而增大。因?yàn)閲娏軠囟雀?，液體與空氣之間的溫差大，有利于傳遞更多的能量；當(dāng)液滴攜帶的熱量足夠多且增大空氣流量時，會有更多的空氣進(jìn)入噴淋塔中參與熱交換，同時也增強(qiáng)了與液滴之間的擾動，強(qiáng)化了空氣與液滴之間的換熱效果。當(dāng)噴淋溫度為35和40℃時，純水失去的熱量比MPCMS 多，因?yàn)樵谠摐囟认?，相變微膠囊的芯材吸熱后沒有發(fā)生相變，更不會以潛熱的形式儲存更多的熱量。微膠囊囊壁的比熱容比純水的小[23]，此時MPCMS 中儲存的熱量少，所以在同樣的條件下失去的熱量就少。

當(dāng)噴淋溫度為44℃時，MPCMS在此換熱過程中比純水失去的熱量多；在三個不同空氣流量的換熱中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時，MPCMS 失去的熱量最少。首先，在該初始溫度情況下，相變微膠囊內(nèi)的芯材吸熱發(fā)生相變儲存了大量的熱量；其次，噴淋換熱時的MPCMS 是降溫過程，由圖6 可知，在不同的空氣流量、相同的噴淋溫度下或者在相同的空氣流速、不同的噴淋溫度下，液體出口MPCMS 的溫度高低不同，這會直接決定降溫過程是否包含了相變微膠囊放熱時的過冷段[23-24]，冷卻時涵蓋的過冷段越多則放熱量就越大。例如圖7（a）和（b）中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s，噴淋溫度為47、51℃時，MPCMS 比純水失去的熱量少，分別為1669.8、1817.53 W 和1497.17、1469.35 W。當(dāng)噴淋溫度為51℃時，MPCMS 在三種不同的空氣流量下都比純水失去的熱量少。因?yàn)閲娏軠囟雀邔?dǎo)致液體出口溫度升高，當(dāng)以0.018、0.025 m3/s 的空氣流量換熱時，MPCM 中的相變微膠囊過冷段沒有釋放熱量；當(dāng)以0.011 m3/s的空氣流量換熱時，不僅相變微膠囊的過冷段沒有放熱，非過冷段的放熱量也非常少，導(dǎo)致其與純水相比能量損失越來越少。

圖7 液體期的能量隨噴淋溫度的變化情況Fig.7 Change of fluid and air energy with spray temperature

在同等的噴淋溫度和空氣流量下，噴淋大液滴比噴淋小液滴失去的熱量少一些，因?yàn)樵趪娏艽笠旱蔚那闆r下?lián)Q熱能力較弱。

圖8為空氣進(jìn)出口的焓差隨噴淋溫度的變化關(guān)系。由圖可知，對于純水和MPCMS，空氣進(jìn)出口的焓差都隨著空氣流量的增加而減小，隨初始溫度升高而增加。圖8（a）中，當(dāng)初始溫度為44、47、51℃時，相比純水，使用MPCMS 噴淋冷卻塔進(jìn)出口空氣的焓差較大，二者存在的最大差值為10.84 kJ/kg。因?yàn)橄嗤目諝饬髁肯?，MPCMS所形成的水滴其內(nèi)部微膠囊通過釋放潛熱可以使液膜表面保持較長時間的高溫，有利于增加顯熱換熱量，同時也能促進(jìn)水蒸發(fā)增加潛熱換熱量。圖8（b）中，噴淋溫度為44℃時，使用MPCMS空氣進(jìn)出口的焓差比使用純水時大，各空氣流量下分別為73.28、70.65、62.85 kJ/kg，而噴淋溫度為47 和51℃時，使用MPCMS 空氣進(jìn)出口的焓差比使用純水時小。這與圖8（a）不同，因?yàn)槎邍娏艿囊旱沃睆酱笮〔煌?，小液滴換熱徹底，整個液滴溫度降得快且最終溫度低，過冷段放熱后給空氣傳輸了大量的熱量；而大液滴換熱不徹底，在44℃這種低溫噴淋時有過冷段釋放潛熱，到了47和51℃這種高溫噴淋時，由于冷卻速度慢，且未冷卻到過冷段，則沒有潛熱釋放。

圖8 空氣進(jìn)出口焓差隨噴淋溫度的變化Fig.8 The change of air inlet and outlet enthalpy with spray temperature

圖9為MPCMS在不同空氣流量下的等效比熱容隨噴淋溫度的變化情況，以及各實(shí)驗(yàn)組中MPCMS在進(jìn)出口溫度的變化。由圖可知，MPCMS 的等效比熱容隨著不同的噴淋溫度和不同的空氣流量展現(xiàn)了不同的結(jié)果，各組MPCMS經(jīng)過換熱后在出口的溫度也不相同，即使某些組分的入口溫度是一致的。如圖9（a），當(dāng)空氣的流量為0.011 m3/s時，MPCMS 的等效比熱容在噴淋溫度為44℃時出現(xiàn)極大值為5427.03 J/(kg·℃)；當(dāng)空氣的流量為0.018、0.025 m3/s 時，MPCMS的等效比熱容都在噴淋溫度為47℃時出現(xiàn)極大值，分別為5681.06、5192.40 J/(kg·℃)。而圖9（b），當(dāng)空氣的流量為0.011、0.018和0.025 m3/s時，MPCMS的等效比熱容都在在噴淋溫度為44℃時出現(xiàn)極大值，分別為5608.51、6063.10、5796.26 J/(kg·℃)。由 式（5）知 道MPCMS 的等效比熱容與其能量損失量成正向關(guān)系，但與其噴淋液體進(jìn)出口溫差成反向關(guān)系，當(dāng)能量損失大且溫差小時等效比熱容會出現(xiàn)極大值。在圖9（a）、（b）中，MPCMS 被設(shè)置的噴淋溫度分別為44、47、51℃，因此相變微膠囊中都儲存了大量的潛熱，噴淋過后卻出現(xiàn)等效比熱容不等的情況。因?yàn)檫M(jìn)出口溫差和能量損失量兩者共同決定等效比熱容的大小，溫差大小剛好包含全部過冷段時等效比熱容會出現(xiàn)極大值。在圖9（a）中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s 時，換熱溫差小，則沒有包含完全甚至沒有包含過冷段放熱，所以等效比熱容小。當(dāng)空氣流量為0.025 m3/s時換熱溫差最大，則包含全部過冷段放熱，卻沒有表現(xiàn)出最大等效比熱容，這是溫差過大導(dǎo)致的。只有當(dāng)空氣流量為0.018 m3/s 時等效比熱容最大，說明此時相變微膠囊的過冷段全部放熱且溫差大小合適，使得等效比熱容取得極大值，此時換熱效率最大，工作溫度區(qū)間為47.80～38.43℃。在圖9（b）中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s 時換熱溫差小，同樣是沒有包含完全甚至沒有包含過冷段放熱。當(dāng)空氣流量為0.025 m3/s 時換熱溫差最大，第4～6、7～9 組中的等效比熱容有極大值，而第1～3 組中的等效比熱容的極大值在空氣流量為0.018 m3/s時出現(xiàn)，此時換熱效率最大，工作溫度區(qū)間為44.04～36.59℃。圖9（b）中液滴直徑大，換熱效率不高，要在大的空氣流量下才能帶走高溫噴淋的大顆粒液滴的熱量，使相變微膠囊釋放潛熱。

圖9 MPCMS的等效比熱容和溫度的變化情況(qv1=0.011 m3/s,qv2=0.018 m3/s，qv3=0.025 m3/s)Fig.9 MPCMS equivalent specific heat capacity and temperature variation

圖10為純水和MPCMS在噴淋過程中Le隨噴淋溫度的變化情況。Le決定了蒸發(fā)過程中的相對傳熱和傳質(zhì)速率[32-33],由圖可知，系統(tǒng)的Le隨著噴淋液溫度的升高整體基本呈下降趨勢，說明隨著噴淋溫度升高，系統(tǒng)中質(zhì)量擴(kuò)散量比熱擴(kuò)散量的增加量更大。圖10（a）噴淋溫度為44 和47℃時，MPCMS 的Le比水大，差值按空氣流量由小到大依次為0.81、1.34、1.05和0.44、0.91、0.83；圖10（b）噴淋溫度為44℃時，MPCMS的Le比水大，差值按空氣流量由小到大依次為0.54、0.85、0.62。因?yàn)閳D10（b）是噴淋大顆粒液滴的情況，前文分析了它不利于換熱，所以滿足在相變溫度區(qū)間內(nèi)Le比水明顯大的情況要少。由圖10（a）可知，當(dāng)噴淋溫度為44、47、51℃，空氣流量為0.018、0.025 m3/s時，用MPCMS時系統(tǒng)的Le更大，說明在純水原有的基礎(chǔ)上促進(jìn)了液體的蒸發(fā)，有利于傳熱傳質(zhì)的發(fā)生，這是因?yàn)橄嘧兾⒛z囊在此過程中釋放了大量潛熱，使熱量釋放增加也促進(jìn)了水分的蒸發(fā)。當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s 時，只有噴淋溫度為44、47℃的時候，系統(tǒng)使用MPCMS 時其Le更大。在51℃時，由圖6 可知液體進(jìn)出口溫度較高，則沒有包含相變微膠囊的過冷段，沒有潛熱釋放。由圖10（b）可知，在噴淋溫度為44℃時，系統(tǒng)使用MPCMS 噴淋的Le更大。其根本原因與圖10（a）中一致。

圖10 Le隨溫度的變化情況Fig.10 The change of Le with temperature

4 結(jié) 論

以純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS 為噴淋介質(zhì)，在不同的初始噴淋溫度、不同粒徑和不同的空氣流量下進(jìn)行噴淋換熱，得到以下結(jié)論。

（1）常溫常濕環(huán)境更有利于噴淋換熱，不同的空氣流量和噴淋溫度給換熱實(shí)驗(yàn)提供了不同的工作環(huán)境，相比噴淋SMD=240 μm 的液滴，噴淋SMD=80 μm的液滴時更有利于換熱，使用范圍更廣。

（2）噴淋SMD=80 μm 的液滴時，當(dāng)空氣流量為0.018、0.025 m3/s 時，使用噴淋溫度為44、47℃的MPCMS比純水作為噴淋介質(zhì)更能促進(jìn)換熱效果，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s 時，使用噴淋溫度為44℃的MPCMS 比純水作為噴淋介質(zhì)更能促進(jìn)換熱效果。噴淋SMD=240 μm 的液滴時，當(dāng)空氣流量為0.011、0.018、0.025 m3/s時，使用噴淋溫度為44℃的MPCMS比純水作為噴淋介質(zhì)更能促進(jìn)換熱效果。

（3）實(shí)驗(yàn)中使用MPCMS 噴淋換熱時，相變微膠囊存在的過冷對其潛熱釋放具有很大影響，為了釋放其全部潛熱，需要提供適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟葏^(qū)間，這樣更能提高換熱效率。在相變微膠囊的相變溫度范圍內(nèi)，噴淋SMD=80 μm 的液滴時，最佳工作溫度區(qū)間為47.80～38.43℃；噴淋SMD=240 μm的液滴時，最佳工作溫度區(qū)間為44.04～36.59℃。