（工程热物理专业论文）磁性潜热型功能流体的制备与能量传递特性研究.pdf

p h d d i s s e r t a t i o n 1 hj 1 一n r r e p a r a t l o na n de n e r g yt r a n s p o r tl e a t u r e so l m a g n e t i cl a t e n tf u n c t i o n a lf l u i d y o n gh u a n g s u p e r v i s e d b yp r o f y i m i nx u a n n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y j u n e ，2 0 1 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：盏塾矽j 年肛月冲日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：童塾阳陟年陟月即日 博士论文 磁性潜热型功能流体的制各及能量传递特性研究 摘要 潜热型功能流体是由相变微胶囊颗粒与传统单相流体构成的一种多相流体，由于相 变微胶囊颗粒中的相变材料在发生固一液或液固相变过程中吸收或释放潜热，它具有一 定的储热能力。磁流体是一种具有磁体磁性和液体流动性的功能流体，它的一些热物性 参数( 如密度、粘度、导热系数等) 会随着外磁场的变化而发生改变，因此磁流体是一 种“可控”的传热流体，可以用外磁场实现对其流动和热量传递过程的控制。为实现潜热 型功能流体的储热与磁流体的可控的有机结合，本文提出了一种全新的功能流体磁 性潜热型功能流体，它由磁性相变微胶囊颗粒与传统的单相流体构成。磁性相变微胶囊 颗粒具有与磁性细微颗粒类似的磁性和相变微胶囊的储热能力，因而磁性潜热型功能流 体是一种集可控、储热、强化换热功能于一身的新颖的功能流体。本学位论文将从以下 几个方面研究磁性潜热型功能流体。 ( 1 ) 磁性相变微胶囊制备 以石蜡为芯材，脲醛树脂和三聚氰胺改性脲醛树脂为壳材，纳米铁粒子为磁性材料， 用原位聚合法制备了磁性相变微胶囊。采用差示扫描量热仪( d s c ) 、扫描电子显微镜 ( s e m ) 、振动样品磁强计( v s m ) 和电感耦合等离子直读光谱仪( i c p ) 对样品的热性 能、表面形态、磁性能以及微胶囊中纳米铁粒子含量进行了表征和测量。研究了纳米铁 粒子的加入对微胶囊的表面形态比饱和磁化强度的影响，对比了两种壳磁性相变微胶囊 的表面形貌和强度。磁性相变微胶囊比饱和磁化强度随着纳米铁粒子含量的增加和石蜡 用量的减少而增大。与脲醛树脂壳磁性相变微胶囊相比，三聚氰胺改性脲醛树脂壳磁性 相变微胶囊具有更好的球形度和更好的强度。 ( 2 ) 磁性潜热型功能流体表观比热容与导热系数测量 分别采用差示扫描量热仪和瞬态热线装置对磁性潜热型功能流体的表观比热容和 导热系数进行了测量。研究了不同配方的磁性相变微胶囊及微胶囊体积分数下流体的表 观比热容和导热系数，探索了外磁场对流体导热系数的影响。不同体积分数磁性潜热型 功能流体的导热系数比皆随磁场强度的增大而升高，体积分数愈高导热系数比的增幅愈 大。 ( 3 ) 磁性潜热型功能流体对流换热实验研究 搭建了以磁性潜热型功能流体为工质的对流回路实验系统，利用永磁体提供外磁 场，研究了磁场作用下磁性潜热型功能流体的运行状况。通过对回路中流体和铜管壁面 的温度测量，实验探索了永磁体位置、磁性相变微胶囊体积分数、流体质量流量、加热 热流密度等因素对磁性潜热型功能流体对流换热特性的影响。在外加非均匀磁场作用范 围内，磁场强度越大，磁性潜热型功能流体的对流换热系数也越大。 摘要 博士论文 ( 4 ) 磁性潜热型功能流体对流换热数值模拟 在流体动力学、传热学和电磁学的一些重要理论基础上，建立了磁场作用下水平圆 管内磁性潜热型功能流体对流换热的宏观数学模型，分析了磁场强度、磁性相变微胶囊 体积分数、流体质量流量、加热热流密度等因素对流体对流换热的影响，并揭示了外磁 场对磁性潜热型功能流体对流换热的影响机制。磁场对磁性潜热型功能流体的对流换热 具有显著的强化作用，强化的原因是磁性相变微胶囊受到磁力作用产生扰动。通过对比 壁面温度实验值与计算值，对数学模型和实验系统的合理性进行了相互验证，理论模型 可正确地对外加非均匀磁场作用下磁性潜热型功能流体的对流换热特性进行模拟，而实 验系统也能较准确地对其对流换热特性进行实验测量。 关键词：磁性潜热型功能流体，磁性相变微胶囊，数值模拟，对流换热，磁场，导热 系数，表观比热容 j 望兰笙文 磁性潜热型功能流体的制备与能量传递特性研究 一一_-二二二二二二二=二二二=二二二二二- a b s t r a c t l a t e n tf u n c t i o n a l f l u i d ( l f f ) i s an o v e l m u l t i p h a s e f l u i dw h i c hc o n s i s t so f m i c r o e n c a p s u l a t e dp h a s ec h a l l g em a t e r i a l ( m e p c m ) p a r t i c l e sa n dc o n v e n t i o n a ls i n g l ep h a s e f l u i d i nt h ep h a s ec h a n g et e m p e r a t u r er a n g e ，t h ep h a s ec h a n g em a t e r i a l s ( p c m ) a b s o r bo r r e l e a s el a t e n th e a td u r i n gt h e i rm e l t i n go rc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw h i c hr e s u l t si nl f f h a v i n g a na b i l i t yo fh e a ts t o r a g e m a g n e t i cf l u i di sa n o t h e rt y p eo ff u n c t i o n a lf l u i dw h i c hh a sb o t ht h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fl i q u i da n dt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h eb u l km a g n e t i cm a t e r i a la n d h a sa na b i l i t yt or e s p o n dt oa ne x t e m a lm a g n e t i cf i e l d s o m eo fi t st h e r m a lp a r a m e t e r s ( s u c h a sd e n s i t y , v i s c o s i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , e t c ) w i l lc h a n g ew i t ht h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d c h a n g e s t h u sm a g n e t i cf l u i di sac o n t r o l l a b l eh e a tt r a n s f e rf l u i da n di t sf l o wa n de n e r g y t r a n s p o r tp r o c e s sc o u l db ec o n t r o l l e db yt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t oc o m b i n et h eh e a t s t o r a g eo fl f fa n dt h ec o n t r o l l a b l ee n e r g yt r a n s p o r tp r o c e s so fm a g n e t i cf l u i d ，m a g n e t i c l a t e n tf u n c t i o n a lf l u i d ( m l f f ) ，a ni n n o v a t i v em u l t i p h a s ef l u i d ，w h i c hc o n s i s t so fm a g n e t i c p h a s ec h a n g em i c r o c a p s u l e ( m p c m c ) p a r t i c l e sa n dc a r d e rf l u i d ，h a sb e e np r o p o s e d d u et o t h em a g n e t i s ma n dh e a ts t o r a g eo ft h em p c m c p a r t i c l e s ，m l f fi sac o n t r o l l a b l e ，h e a t s t o r a n g ea n de n h a n c e dh e a tt r a n s p o r tf l u i d t h ef o l l o w i n ga s p e c t so fm l f fw i l lb es t u d i e di n t h i st h e s i s ( 1 ) p r e p a r a t i o no fm p c m c m a g n e t i cm i c r o c a p s u l e sc o n t a i n i n gp a r a f f i nc o r e sw i t h i n u r e a f o r m a l d e h y d e a n d m e l a m i n e 。u r e a - f o r m a l d e h y d es h e l l sw e r ef a b r i c a t e du t i l i z i n gi ns i t up o l y m e r i z a t i o n ，w i t hi r o n l l a n o 。p a r t i c l e sa sm a g n e t i cp a r t i c l e s t h et h e r m a lp r o p e r t i e s ，s u r f a c em o r p h o l o g i e s ，m a g n e t i c p r o p e r t i e sa n di r o nn a n o 。p a r t i c l e sc o n t e n to ft h em a g n e t i cp h a s e - c h a n g em i c r o c a p s u l e sw e r e i n v e s t i g a t e db ys c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ( s e m ) ，d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t r y ( v s m ) a n di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m aq u a n t o m e t r y ( i c p ) t h ei n f l u e n c eo fi r o nn a n o p a r t i c l e so nm o r p h o l o g i e sa n d s p e c i f i c s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nw a sa l s oc o n s i d e r e d t h em o r p h o l o g i e sa n di n t e n s i t yo fm p c m cw i t ht w o k i n ds h e l l sw e r ec o m p a r e d ( 2 ) m e a s u r e m e n to fa p p a r e n ts p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fm l f f t h ea p p a r e n t s p e c i f i c h e a t c a p a c i t y a n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y o fm l f fw e r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yd s ct e c h n i q u ea n dt r a n s i e n ts h o r t h o t w i r e1 1 1 e t h o d r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c t so ft h em p c m cv o l u m ef r a c t i o n sa n dc o m p o n e n t si nt h em p c m co n t h ea p p a r e n ts p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fm l f fw e r ed i s c u s s e d a a b s t r a e t博士论文 d r a m a t i cv a r i a t i o no ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yw a so b s e r v e di nt h ep r e s e n c eo fa na p p l i e d m a g n e t i cf i e l d ( 3 ) e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f f t oi n v e s t i g a t i o no nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f fi nt h ep r e s e n c eo fm a g n e t i cf i e l d ，a c o n v e c t i o nl o o pu s i n gm l f fa sw o r kf l u i dw a sm a d e ，a n dt h em a g n e t i cf i e l dw a sp r o d u c eb y a c y l i n d r i c a ln d - f e - bp e r m a n e n tm a g n e ti nt h el o o p t h r o u g ht h em e a s u r e m e n to nb u l km e a n t e m p e r a t u r ea n dw a l lt e m p e r a t u r e ，t h e i n f l u e n c eo fm a g n e tl o c m i o n ，v o l u m ef r a c t i o no f m p c m c ，m a s sf l o wr a t e ，a n dh e a t f l u xo nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f fw a s e x p e r i m e n t a l l ya n a l y z e d ( 4 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f f b a s e do nf l u i dd y n a m i c sa n de l e c t r o m a g n e t i c s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd e s c r i b i n g c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co fm l f ff l o wi nc i r c u l a rt u b eu n d e ra ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l dw a se s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，v o l u m ef r a c t i o no f m p c m c ，m a s sf l o wr a t e ，a n dh e a tf l u xo nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f fw a sa n a l y z e d t h em e c h a n i s mo fm a g n e t i cf i e l di n f l u e n c eo nm l f fc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rw a sr e v e a l e d t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro fm l f fw a se n c h a n c e db ym a g n e t i cf i e l d ，a n dt h ee n h a n c e m e n t r e a s o nw a st h a tt h ed i s t r i b u t i o n so fm p c m cv o l u m ef r a c t i o na n ds l u r r i e st e m p e r a t u r ew e r e c h a n g e dd u et om a g n e t i cf o r c eo nm p c m c f o rv e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so fm a t h e m a t i c a l m o d e la n de x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dv a l u e so fw a l lt e m p e r a t u r e w e r ec o m p a r e d k e yw o r d s ：m a g n e t i c l a t e n tf u n c t i o n a lf l u i d ，m a g n e t i cp h a s ec h a n g em i c r o c a p s u l e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r , m a g n e t i cf i e l d ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , a p p e r e n t s p e c i f i ch e a tc a p a c i t y i v 博士论文 磁性潜热型功能流体的制备与能量传递特性研究 目录 摘里荽。i a b s t r a c t i 目录v 主要符号表 l 绪论1 1 1 研究背景和意义一l 1 2 研究现状2 1 3 本文工作简介一9 2 潜热型功能流体及磁流体介绍1 l 2 1 潜热型功能流体简介11 2 1 1 潜热型功能流体的组成及应用一1 1 2 1 2 相变材料一1 2 2 1 3 相变微胶囊1 4 2 2 磁流体简介18 2 2 1 磁流体组成与分类1 8 2 2 2 磁流体制备方法19 2 2 3 磁流体特性及应用一2 0 2 2 4 磁流体相关磁场理论【1 1 6 , 1 1 7 , 1 3 6 】一2 3 2 3 本章小结2 9 3 磁性相变微胶囊的制各。3 0 3 1 脲醛树脂壳磁性相变微胶囊制备方法3 0 3 1 1 实验原料3 0 3 1 2 实验步骤3 0 3 1 3 样品表征方法31 3 1 4 表面形貌分析3 2 3 1 5 热性能3 3 3 1 6 外加磁场作用下的运动3 4 3 1 7 磁性能与纳米铁粒子含量3 4 v 目录 博士论文 3 1 8 比饱和磁化强度与石蜡用量3 6 3 2 三聚氰胺改性脲醛树脂壳磁性相变微胶囊制备方法3 7 3 2 1 实验原料3 7 3 2 2 实验步骤3 7 3 2 3 两种壳磁性相变微胶囊比较3 8 3 3 纳米铁粒子表面改性4 0 3 4 本章小结4 1 4 磁性潜热型功能流体热物性4 3 4 1 磁性潜热型功能流体制备4 3 4 2 流体比热容与导热系数测量方法4 4 4 2 1d s c 测比热容4 4 4 2 2 瞬态短热线法测流体导热系数4 6 4 3 测量结果与讨论4 7 4 3 1 微胶囊体积分数与表观比热容4 7 4 3 2 石蜡用量与表观比热容4 9 4 3 3 纳米铁粒子与用量与导热系数5 0 4 3 4 石蜡用量与导热系数5 1 4 - 3 5 微胶囊体积分数与导热系数5 l 4 3 6 磁场对流体导热系数的影响5 2 4 4 本章小结5 3 5 磁性潜热型功能流体对流换热实验研究5 5 5 1 实验材料5 5 5 1 1 磁性相变微胶囊5 5 5 1 2 磁性潜热型功能流体物性5 6 5 2 实验方法5 7 5 2 1 实验系统5 7 5 2 2 测量误差6 l 5 2 3 实验结果分析方法与误差分析6 2 5 2 4 实验系统有效性验证6 3 5 3 实验结果与讨论6 4 5 3 1 磁性潜热型功能流体对流换热6 4 5 3 2 磁场作用下流体对流换热。6 6 5 3 3 微胶囊体积分数与流体对流换热6 8 v t 博士论文 5 3 4 质量流量与流体对流换热7 0 5 3 5 热流密度与流体对流换热7 1 5 4 本章小结7 2 6 磁性潜热型功能流体对流换热的数值模拟7 4 6 1 磁性潜热型功能流体对流换热数学模型7 4 6 1 1 磁性潜热型功能流体动力学方程组7 5 6 1 2 磁场求解方法7 9 6 1 3 磁性相变微胶囊物性参数的确定8 0 6 1 4 磁性相交微胶囊的磁矩8 2 6 2 数值计算模型及方法8 3 6 2 1 数值计算的模型和边界条件8 3 6 2 2 数值计算方法。8 4 6 3 数值计算结果8 6 6 3 1 磁场作用下的磁性潜热型功能流体对流换热一8 8 6 3 2 微胶囊体积分数对流体对流换热的影响9 4 6 3 3 质量流量对流体对流换热的影响9 5 6 3 4 热流密度对流体对流换热的影响一9 7 6 3 5 实验与数值计算9 8 6 4 本章小结1 0 1 7 结束语。10 2 7 1 主要结论10 2 7 2 主要创新点10 4 7 3 下一步工作展望：10 5 致谢。10 6 攻读博士期间发表的相关论文1 0 7 参考文献。1 0 8 v i i 主要符号表博士论文 磁感应强度，n a m 非均匀度 定压比热容，j k g k 圆管直径，m 磁性相变微胶囊直径，m 磁力密度，n m 3 重力加速度，m s 2 日磁场强度，a m 日 磁场强度标量，a m h换热系数，w m 2 k h r 相变潜热，k j k g ， 电流，a 主要符号表 k 相间动量交换系数，k g m s s k导热系数，w m k j l l y 温度，k 电压，v 速度矢量，m s 磁性相变微胶囊质量分数 磁性相变微胶囊体积分数 标量磁位，a 动力粘度，p a s 运动粘度，m 2 s 相变材料包含量 下标 6 一磁性潜热型功能流体 d 相变材料，正十八烷 厂 载流体 圆管加热段长度，m 凡 纳米铁粒子 膨磁化强度，a m m磁化强度标量，a m p 压力，p a q 热流密度，w m 2 r 相问相互作用力，n m 3 v i i i 熔点 混合相 磁性相变微胶囊 磁性相变微胶囊壳 丁 u v 驴 妒 暑 c e d d f g 博士论文磁性潜热型功能流体的制各与能量传递特性研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 近年来，功能流体由于具有传统单相流体无法比拟的功能性( 如磁性、储热等) 而 吸引了研究人员极大的研究热情，并获得了大量的研究成果。潜热型功能流体( l a e m f u n c t i o n a lf l u i d ) 和磁流体( m a g n e t i cf l u i d ) 是国内外学者研究较多的两种功能流体，潜 热型功能流体因含有相变材料而具有一定的储热功能，并能降低流体出口温度使流体温 度更均匀；磁流体含有纳米磁性粒子，因而磁流体同时具有块状磁体的磁性及液体的流 动性，外磁场可对其流动换热过程加以控制。 潜热型功能流体是由相交微胶囊颗粒与传统单相流体( 如水、乙二醇、硅油等) 构 成的一种多相流体，它是一种集储热与强化换热功能于一身的新型输能介质【l ，2 1 。潜热 型功能流体的储热功能是因为相变微胶囊颗粒中的相变材料在发生固液或液固相变过 程中吸收或释放潜热，在相变温度区内潜热型功能流体具有很大的表观比热容【3 1 。而潜 热型功能流体的强化换热功能主要被认为是基于以下三个因素 4 1 ：( 1 ) 悬浮于流体中的相 变微胶囊颗粒在相变材料发生相变的过程中能够吸收或释放大量潜热；( 2 ) 由于相变微胶 囊颗粒非常微小，比表面积非常大，即换热面非常大；( 3 ) 流体流动过程中相变微胶囊颗 粒之间及相变微胶囊与管道壁面间的相互作用。由于潜热型功能流体的多功能性，它在 建筑物空调与供热、航天器热控制、电子设备冷却、流化床和换热器微型化等领域具有 广阔的应用前景1 5 ，6 | 。 利用潜热型功能流体的储热与强化换热功能，热系统中换热装置的尺寸、重量以及 泵的功耗可以得到有效地降低。因此，潜热型功能流体已经成为国内外学者的研究热点 7 - 1 0 oj o r g e 等人【1 l j 实验研究了等热流条件下潜热型功能流体湍流对流换热。在相变微胶 囊质量分数小于1 7 7 时，潜热型功能流体是牛顿流体。相变微胶囊的相变过程和质量 分数是影响潜热型功能流体对流换热的两个主要因素。c h a r u n y a k o m 1 2 】建立了圆管内潜 热型功能流体强制对流换热的理论模型，并根据相变材料的吸放热和导热系数的增大给 出了新的能量方程，结果显示潜热型功能流体的对流换热得到了强化，是单相流体的2 4 倍。这些研究为潜热型功能流体的应用提供了实验和理论指导。 磁流体是由纳米磁性粒子表面包覆一层表面活性剂，稳定地分散在油、水等单相流 体中而形成的两相流体，它是一种同时具有块状磁体的磁性及液体的流动性的新型功能 流体 1 3 - 1 6 1 。这种流体的磁性来源于分散在单相流体当中的单畴的纳米磁性粒子( 粒子粒 径为纳米级，且小于单畴临界尺寸) 对外磁场的响应，因此，在外磁场作用下磁流体可 以被控制、定位、定向与移动。r o s e n s w e i g 等在磁流体基础理论方面做了开拓性工作【1 3 】， 提出了铁磁流体的有关的流体动力学方程和热力学方程，为磁流体的计算模拟奠定了坚 1 1 绪论博士论文 实的基础。6 0 年代科研人员就开始进行磁流体的应用研究，如美国宇航局将磁流体应用 于阿波罗登月计划的宇航服密封，随后磁流体的应用领域便很快推广到航空航天、遥控、 环保、仪表、化- v , 机械、电子、医疗、能源、冶金等诸多领域1 1 7 。19 。随着磁流体研究 的深入，其特殊的流动传热特性吸引了传热领域的学者的研究热情【2 0 抛】。 实质上，磁流体是一种特殊的纳米流体，它具有一般纳米流体所具备的优异的热性 能，可大大提高传热效率【2 3 】。通过在单相流体中添加纳米颗粒来强化传热的方法有如下 优点：首先，单相流体中的纳米颗粒比表面积较大，可显著增大流体的导热系数与换热 面积；其次，纳米颗粒在流体中作不规则布朗运动，增强了流体内部热交换；再次，由 于纳米颗粒的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，分散性、稳定性较好，在实际应用 中不易产生磨损或堵塞。由于磁流体具有磁性，它的一些热物性参数( 如密度、粘度、 导热系数等) 会随着外磁场的变化而改变，从而成为一种“可控”的传热流体，可以实现 流体流动和能量传递过程的可控性【2 4 ，2 5 1 。由于磁流体本身的强化传热特性和在外磁场下 的可控性，在热科学领域，特别在一些特殊传热场合( 如航空、航天、电子、生物等领 域) 有着非常重要的应用价值。 为实现潜热型功能流体的储热与磁流体的可控的有机结合，本文提出了一种全新的 功能流体磁性潜热型功能流体，它由磁性相变微胶囊颗粒与传统的单相流体构成。 磁性相变微胶囊颗粒具有与磁性细微颗粒类似的磁性和相变微胶囊的储热能力，因而磁 性潜热型功能流体是一种集可控、储热、强化换热功能于一身的新颖的功能流体，其在 电子设备冷却、太阳能热利用、采暖和空调等领域具有潜在的利用价值和广阔的应用前 旦 泉0 1 2 研究现状 ( 1 ) 潜热型功能流体对流换热的相关研究 潜热型功能流体包括相变乳状液和相变微胶囊悬浮液两种 3 1 。相变乳状液是将相变 材料直接分散在单相流体中形成乳液，c h o i 等【2 6 】对相变乳状液的对流换热系数和比热 容进行了实验研究。实验发现在相变材料颗粒熔化时，局部对流换热系数大幅度增加， 但随后急剧下降，这是因为悬浮液的融化边界层迅速地变厚。同时，相变材料颗粒融化 后的流体的压降要小于相变材料颗粒融化前的流体，这可作为判断相变材料颗粒是否融 化的依据。由于这种相变乳状液直接将相变材料分散于单相流体中，容易造成管道堵塞， 而相变微胶囊乳状液则是先应用微胶囊化技术将相变材料封装在高分子聚合物外壳中 制成相变微胶囊颗粒，然后把相变微胶囊分散于单相流体中形成悬浮液，因此不易堵塞 管道。同时，将相变材料用高分子材料包裹成相变微胶囊颗粒，不仅可以有效地增大热 传导面积，避免壳内的相变材料与壳外的载流体接触和反应，还可以有效地控制材料在 发生相变时的体积变化【2 7 1 。因此，近年来，研究人员对潜热型功能流体的研究主要集 ， 堡主笙奎 垡竺堂垫型些堂鎏堡塑型鱼皇墼量堡垄堑堡! 至型 ； 3 ： 中于相变微胶囊悬浮液。本文以后提及潜热型功能流体皆指相变微胶囊悬浮液。 对于潜热型功能流体的对流换热特性，国内外学者从实验和理论两方面开展了广泛 的研究工作。在实验方面，g o e l l 2 8 】等于1 9 9 4 年设计了如图1 1 所示的实验台，对潜热 型功能流体在等热流加热圆管层流速度充分发展条件下的对流换热特性进行了测试。与 单相流体相比，潜热型功能流体的壁面温升降低了5 0 以上，相变微胶囊颗粒体积浓度 为1 5 时的换热能力是单相流体的2 5 倍。 图1 1g o e l 等设计的实验台不意图 为避免泵损坏相变微胶囊颗粒，g o e l 等人的实验台用压缩空气驱动潜热型功能流体 流动，从而导致流体流量不易精确控制，于是，y a m a g i s h i 等【2 9 】于1 9 9 9 年设计了用螺杆 泵驱动的实验系统，如图1 2 所示。由于螺杆泵是目前已知的对相变微胶囊颗粒损坏最 小的泵【l ，且螺杆泵具有适合吸排粘稠液体、流量连续均匀等优点，因此该实验系统兼 顾了流量精确控制和相变微胶囊颗粒的耐久性。y a m a g i s h i 用该实验系统对由十八烷微 胶囊和水组成的潜热型功能流体在等热流圆管内的流动压降和局部对流换热系数进行 了测量。 图1 2 采用螺杆泵驱动的实验系统示意图 1 绪论博士论文 在g o e l 和y a m a g i s h i 的实验系统中，潜热型功能流体不能循环流动，导致稳态实验 需要大量的潜热型功能流体，清华大学张寅平课题小组设计了如图1 3 所示的实验系统 【3 0 】。系统包含两个循环回路，一个是冷却回路，该回路内流动的是冷却剂乙二醇溶液， 另一个回路是测试回路。储液槽中潜热型功能流体在泵的驱动下流入平板换热器与乙二 醇溶液进行热交换，完成液固相变过程，随后流入测试段完成固一液相变过程并流回 储液槽。测试段是长1 4 6 m 内径为4 m m 的不锈钢圆管，选用4 m m 内径的圆管是因为该 尺寸与供热通风与空气调节( h v a c ) 应用尺寸相近，且该尺寸下测试段较紧凑 ( y a m a g i s h i 实验系统测试段长1 0 5 m ) 。c h e n 3 0 】、w a n g 3 1 】和z e n g 3 2 】等利用该实验系统 研究了以溴代十六烷( c 1 6 h 3 3 b r ) 为相变材料的潜热型功能流体在等热流条件下的对流 换热特性，并根据斯蒂芬数的物理定义提出了新的斯蒂芬数表达式，为潜热型功能流体 在h v a c 中的应用提供了基础实验数据。 ，国圈一国圈：亟五王 r e s t p i 即、厂订 8t - t y 婶t h e m ，。c 。p l e s i _ l ! ! 竺! 望：| 图1 3 循环实验系统不恿图 m u l l i g a 等【3 3 】分析了在空间飞行器热系统中使用潜热型功能流体作为传热工质的可 行性，并用潜热型功能流体作为传热工质进行了液液热交换实验，为潜热型功能流体 在空间飞行器中的应用打下了基础。i n a b a 等【3 4 】贝0 对具有不同粒径相变微胶囊颗粒的多 组分潜热型功能流体在等热流条件下的对流换热特性进行了研究。由于微对流和相变过 程中潜热的吸收的综合影响，多组分潜热型功能流体的局部努塞尔数有着更高的值，其 平均对流换热系数是单相水的2 2 5 倍。t h a i c h a m 等f 3 5 】研究了不同相变微胶囊浓度的潜 热型功能流体在管内的流动特性，研究发现最合适的相变微胶囊浓度为2 0 3 0 。r a o 等【6 1 探索了潜热型功能流体在矩形小通道内的层流流动传热，小通道的水力直径为 2 7 1 m m 。d a t t a 纠3 6 】贝0 对潜热型功能流体的自然对流传热特性进行了探讨。 4 博士论文磁性潜热型功能流体的制各与能量传递特性研究 i - 鹾 在潜热型功能流体理论研究方面，对于潜热的处理研究人员提出了两种模型一内热 源模型和等效比热模型。内热源模型将潜热看作流体的内热源，在能量方程中加入能量 源项，而等效比热模型将潜热处理为流体的等效比热容。r o y 和a v a n i c t 3 7 j 于1 9 9 4 年提 出了等效比热模型，模拟了潜热型功能流体在具有定常壁面加热热流密度的圆管内的紊 流流动传热，并建议结合d s c 热分析恰当地测定相变材料相变过程特征，以建立与实 际情况更符合的数值模型。胡先旭和张寅平【3 8 j 贝0 建立了矩形、左三角、右三角和正弦4 种流体比热容一温度曲线( 如图1 4 所示) 下的等效比热模型，并应用该模型对圆管内 潜热型功能流体层流对流换热进行了理论计算。相变微胶囊颗粒在充分发展区对传热性 能的提高要好于流动入口段，并且小尺寸圆管对流动传热性能的强化要好于大尺寸圆 管。 l e 图1 4 不同的c p - t 曲线图 虽然等效比热模型较为简单且对层流与湍流皆适用，但该模型忽略了相变微胶囊颗 粒与单相流体间的传热阻力。在1 9 9 1 年c h a r u n y a k o m 1 2 1 等就利用内热源模型分别对等 热流和等壁温条件下圆管内潜热型功能流体对流换热特性进行了数值模拟，并根据相变 微胶囊颗粒的潜热和流体导热系数的增大给出了新的能量方程，作者给出的能量源项表 达式如下： 黔d