相變微膠囊懸浮液儲能系統放冷特性實驗研究

卜令帥，屈治國，徐洪濤，金滿

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2西安交通大學能源與動力工程學院，熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西西安 710049）

引 言

隨著經濟的快速發展，人們對能源的需求也急劇增加。與此同時，不合理地開發和利用資源也造成了全球能源浪費的問題，儲能技術是解決能源開發與利用不平衡問題的有效手段之一。其中，相變微 膠 囊（microencapsulated phase change material，MPCM）懸浮液作為一種新型儲能介質，是由MPCM和單相載流體組成的兩相混合物[1-2]。MPCM懸浮液在相變過程中，內部相變材料不與載流體及外部環境直接接觸[3-4]，可避免相變材料發生泄漏和相分離[5-6]，這一優點使得相變材料(phase change material，PCM)的應用范圍極大地擴展。由于MPCM懸浮液具有換熱能力強和儲能密度大等特點[7-8]，作為良好的傳熱流體及儲能介質，具有廣闊的發展前景，可被應用在需求強化傳熱和高儲能密度特性的眾多領域，例如：空調制冷[9-10]、太陽能利用[11]、熱泵[12-13]、熱交換器[14-15]及發動機等機械設備的冷卻系統[16]。

為了進一步發揮MPCM懸浮液在強化傳熱和儲能節能方面的巨大潛力，科研人員針對MPCM懸浮液的傳熱和儲能性能進行了一系列研究[17-18]。在強化傳熱方面，Diaconu等[19]通過搭建MPCM懸浮液與浸入的垂直螺旋盤管的實驗裝置，研究了太陽能儲熱系統在低溫環境中的自然對流換熱特性，結果發現在相同的溫度條件下，MPCM懸浮液在相變區間內的傳熱系數最高可達水的5倍。Wang等[20]將管式換熱器浸入到質量分數為10%～30%的MPCM懸浮液中，通過實驗研究了該系統的對流換熱性能，結果表明高濃度的懸浮液可以儲存更多的熱量，但對流傳熱系數隨濃度的提高而降低，并且提高管內換熱流體的溫度和流量有利于管內自然對流換熱性能。Liu等[21-22]建立了恒定熱通量條件下MPCM懸浮液分別在矩形管和水平圓管內強制對流換熱的數值模型，模擬發現MPCM懸浮液使矩形管壁溫上升率降低約50%，最大局部對流換熱強化率達190%；使圓管壁面與流體的溫差減小約39%。

此外，科研人員還對MPCM懸浮液的儲能性能進行了研究[23-24]。Zhang等[25]在水平矩形殼體中，對MPCM懸浮液的儲熱特性進行了實驗研究，結果表明MPCM懸浮液不僅能促進自然對流換熱，而且由于MPCM懸浮液潛熱的存在，還可以延長儲熱時間。Guo等[26]對以MPCM懸浮液為儲能介質的300 MW熱電聯產機組儲能系統進行了理論研究，結果表明MPCM懸浮液可以用63%的總熔化時間吸收90%的潛熱，且儲能系統可使機組的調峰能力提高81.4%。Mert等[27]研究了正十六烷MPCM在不同殼芯比、乳化時間和交聯劑比例條件下的儲熱性能，實驗結果發現當殼芯比為1∶1，乳化時間為30 min，交聯劑用量為10%時制備的MPCM材料潛熱最大為123 kJ·kg-1。Bai等[28]通過實驗研究了不同攪拌速率和傳熱流體在不同初始溫度的條件下MPCM懸浮液潛熱儲能系統的蓄冷性能，結果表明加快攪拌速率可以顯著提高系統的蓄冷性能，當攪拌速率為300 r·min-1時比未攪拌的MPCM懸浮液單位體積蓄冷量高1.28倍，并且在相同攪拌速率下，循環水初始溫度為20℃的MPCM懸浮液平均放冷速率是10℃的1.24倍。

綜上所述，科研人員對MPCM懸浮液的傳熱及儲能性能做了大量的研究，但是MPCM懸浮液作為一種良好的相變蓄冷介質，針對其流動與傳熱特性對潛熱儲能系統放冷性能的研究仍有不足之處。因此，本文搭建了一套以循環水為換熱流體，MPCM懸浮液為蓄冷介質的雙盤管潛熱儲能罐實驗臺。該實驗通過潛熱儲能系統與純水儲能系統作對比，研究了循環水流量（4～7 L·min-1）和儲能罐攪拌器的攪拌速率（0、100、150、200、250 r·min-1）對MPCM懸浮液儲能系統放冷性能的影響，并通過對MPCM懸浮液的放冷速率、相變完成率、單位體積放冷量和對流傳熱系數的分析得出其放冷特性。

1 實驗系統介紹

1.1 實驗流程

本實驗流程包括充冷過程和放冷過程，如圖1所示。循環1是儲能罐中的MPCM懸浮液充冷過程，冷水機輸出的冷水流經泵和流量計，到達儲能罐中的盤管1。此時，冷水對儲能罐中的MPCM懸浮液進行充冷，然后循環水返回至冷水機。由于過冷度的影響[29]，為保證完全相變，需將MPCM懸浮液溫度降低至9℃以下。循環2是儲能罐中的MPCM懸浮液放冷過程，當MPCM懸浮液溫度低于9℃時，MPCM懸浮液開始放冷。利用2.5 kW的電熱絲來代替放冷過程中的熱負荷，并通過溫控開關控制熱水進口溫度保持不變，以此來模擬實際換熱過程中熱源溫度恒定的情況。經加熱水箱加熱過的水流經泵和流量計，到達儲能罐中的盤管2，與儲能罐中MPCM懸浮液進行換熱，帶走經循環1儲存在MPCM懸浮液中的冷量，最后再流回至加熱水箱，直至MPCM懸浮液升溫至20℃以上。

圖1 實驗流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental flow

1.2 實驗裝置

本實驗采用固液相變溫度區間在17～19℃、潛熱為234 kJ·kg-1的正十六烷作為MPCM的芯材，壁材為脲醛樹脂。微膠囊的平均粒徑為12.5μm，使用純水作為載流體。微膠囊在懸浮液中的質量分數為25%，可被視為牛頓流體[30]。通過差示掃描量熱儀（DSC）測試微膠囊的相變潛熱為154 kJ·kg-1。利用文獻[31]的計算方法得到懸浮液的潛熱為38.5 kJ·kg-1，比 熱 容 為3584 J·kg-1·K-1，密 度 為990 kg·m-3。

儲能罐外觀為圓柱形不銹鋼筒體，由玻璃棉隔熱層包裹，內徑為300 mm，高度為500 mm，壁厚40 mm。盤管管徑為15 mm，壁厚為1.2 mm，螺距為27 mm，距儲能罐頂部與底部均為50 mm。其中充冷螺旋盤管半徑為130 mm，長度為12215 mm，放冷螺旋盤管半徑為100 mm，長度為9345 mm。儲能罐內部軸向安裝有攪拌器，葉片中心距離儲能罐底部為300 mm，選用的是上海昂尼AM450L-H型攪拌器。該攪拌器采用無極調速，調速范圍為50～1500 r·min-1，且帶有數顯可以顯示攪拌速率。儲能罐內部尺寸細節及攪拌器安裝位置如圖2所示。

圖2 儲能罐裝置（單位：mm）Fig.2 Storage tank device

本實驗采用16個測量范圍為0～50.0℃、精度為±0.5℃的T型熱電偶和兩個量程為7 L·min-1、誤差小于4%的轉子流量計來測量所需要的溫度和流量。將四個熱電偶分別布置在盤管入口和出口處，用來測量熱水和冷水的進出口溫度；三個熱電偶在儲能罐內部處于同一軸線上，與儲能罐中心相距80 mm，從上到下分別布置在距離儲能罐底部300、200和100 mm處，用來測量MPCM懸浮液的平均溫度；其余熱電偶用來測量熱水水箱和環境的溫度。本實驗采用數據采集模塊（NI-9213，National Instruments）和模數轉換器（NIcDAQ-9191）對熱電偶的信號進行采集，并通過LabVIEW輸出數據，將其自動保存在計算機中。

1.3 實驗參數

本實驗在控制循環水入口溫度不變的條件下，分別研究不同循環水流量和儲能罐懸浮液攪拌速率對儲能罐中MPCM懸浮液放冷特性的影響。實驗共有三組，分別為：以純水儲能系統作對照組，實驗組1為在相同攪拌速率條件下，改變循環水體積流量（4～7 L·min-1），實驗組2在相同體積流量條件下，改變攪拌器攪拌速率（0、100、150、200、250 r·min-1），實驗參數具體設置如表1所示。

表1 實驗參數設置Table 1 Experimental parameter setting

2 MPCM懸浮液相變程度及放冷性能計算

2.1 相變完成率

在MPCM懸浮液放冷過程中，循環水帶走的冷量Ed等于懸浮液釋放的冷量ΔE和環境散失的冷量Eloss之差，定義為

在τ1到τ2特定的時間間隔內，Ed為

儲能罐中MPCM懸浮液釋放的冷量ΔE等于懸浮液的顯熱ΔU和微膠囊相變時的潛熱ΔH之和，定義為

儲能罐向環境散失的冷量Eloss為

式中，Rt為儲能罐的傳熱系數與傳熱面積的乘積，根據文獻[28]方法計算，取值為1.221 W·K-1。

在實驗過程中，由于換熱器可能存在流動死區，導致換熱不充分，MPCM無法全部發生相變，因此引入相變完成率θ來描述放冷過程中MPCM懸浮液的相變程度，定義為

2.2 放冷速率

放冷速率Pd表示在放冷過程中，單位時間內MPCM懸浮液釋放的冷量，定義為

2.3 單位體積放冷量

單位體積放冷量是衡量某種材料作為蓄冷介質的重要參數之一。基于熱平衡計算公式，對于給定的蓄冷介質的溫差，在放冷過程中，單位體積放冷量EV,d定義為

2.4 傳熱系數與對流傳熱系數

螺旋盤管換熱器的傳熱系數作為系統的關鍵設計參數，利用對數平均溫差法來計算得到，對數平均溫差ΔTm計算公式為

所以，螺旋盤管換熱器的傳熱系數k計算公式為

利用熱阻分析法，傳熱系數與表面對流傳熱系數的關系可表示為

根據文獻[32]得到螺旋盤管內強制對流換熱實驗關聯式

所以,螺旋盤管外表面對流傳熱系數ho可通過聯立式(8)～式(12)求解。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗系統準確性與誤差分析

實驗系統的準確性利用純水基于熱平衡方程分析的方法進行驗證。循環水帶走的冷量Ed等于儲能罐釋放的冷量ΔE與系統向環境散失的冷量Eloss之差，方程兩邊的偏差ΔEerr可以良好地反映實驗系統的測量誤差

在不同攪拌速率的情況下純水儲能系統熱平衡分析如表2所示。從結果可以看出，計算的相對誤差結果均小于5%，滿足實驗的要求。實驗中導致測量和計算的不確定性因素有：(1)冷水機提供的冷量存在管路損失；(2)攪拌器做功導致的儲能罐內部熱量增加；(3)儲能罐內部MPCM懸浮液傳熱存在不均勻性；(4)實驗儀器如熱電偶和轉子流量計等存在一定的測量偏差。本實驗在同一參數下運行五次以上，實驗數據穩定，表明實驗可重復進行。

表2 系統熱平衡分析Table 2 System heat balance analysis with water

3.2 MPCM懸浮液的溫度和相變完成率隨時間變化規律

圖3為在放冷過程中，MPCM懸浮液的溫度和相變完成率隨時間的變化規律。在放冷過程中，熱水進口溫度恒為22℃，儲能罐內攪拌器的攪拌速率為200 r·min-1，MPCM懸浮液的初始溫度為9℃。從圖中可以看出，MPCM懸浮液的放冷過程可分為相變前、相變時和相變后三個階段。MPCM懸浮液的溫度在放冷過程的初期先升高隨后保持穩定，在放冷過程的末期繼續升高。與此同時，相變完成率隨著放冷過程的進行逐漸上升并最后保持穩定。原因在于在放冷初始階段，入口水溫保持不變，MPCM懸浮液的比熱容較小且與循環水的溫差較大，所以導致MPCM懸浮液的溫度迅速增加且溫度梯度較大，但由于其還未達到相變溫度，MPCM懸浮液只有小部分發生相變，所以相變完成率上升緩慢。隨著MPCM懸浮液的平均溫度逐漸升高，兩者溫差減小，溫度梯度也越來越小。隨著放冷過程進行，當MPCM懸浮液的溫度達到17℃左右時，此時MPCM懸浮液開始發生相變，由于相變潛熱的存在使懸浮液溫度基本保持不變，同時相變完成率快速升高。隨著放冷過程的繼續進行，MPCM的熔化過程基本完成，相變完成率接近90%。相變完成后，MPCM懸浮液的溫度開始繼續升高，由于實驗后期MPCM懸浮液與22℃循環水的溫差越來越小，所以MPCM懸浮液的溫度變化越來越慢。

圖3 放冷過程中MPCM懸浮液的相變完成率和溫度隨時間的變化規律Fig.3 Changes ofθand temperature of MPCM slurry with time during cooling process

3.3 流量對MPCM懸浮液放冷速率的影響

圖4為不同循環水體積流量的條件下，MPCM懸浮液溫度隨時間的變化曲線。由圖可知，隨著循環水流量的增加，放冷時間持續縮短，放冷速率逐漸提高。當循環水流量為4、5、6和7 L·min-1時，MPCM懸浮液從9℃升溫至20℃所用時間分別為1884、1668、1543和1452 s，原因在于流量較高的循環水可以在單位時間內帶走更多MPCM懸浮液放出的冷量，從而縮短了放冷時間。在不同循環水體積流量的條件下，MPCM懸浮液的放冷速率隨溫度變化如圖5所示。從圖中可以看出，除相變區間外，MPCM懸浮液的放冷速率隨其溫度升高而逐漸降低。原因在于在放冷實驗初始階段，循環水入口溫度保持不變，隨著MPCM懸浮液的溫度逐漸升高，兩者間的溫差逐漸減小，放冷速率逐漸降低。當懸浮液溫度達到17℃時，MPCM懸浮液中的相變材料開始發生相變，由于相變潛熱的存在，MPCM懸浮液開始釋放更多冷量，使得其放冷速率急劇升高。當MPCM完成相變后，隨著MPCM懸浮液溫度的升高，懸浮液溫度與循環水溫差減小，其放冷速率也隨之減小。除此之外，MPCM懸浮液在相變溫度區間外的放冷速率均低于水，這是因為MPCM懸浮液的比熱容比水低。但在MPCM懸浮液的相變區間內，其放冷速率會大幅提高，且從圖5中可知放冷時間持續時間較長，同樣是因為MPCM懸浮液相變潛熱的存在，能夠使循環水帶走更多的冷量。當循環水流量為4、5、6和7 L·min-1時，MPCM懸浮液在相變溫度區間內的放冷速率最大分別為1.19、1.39、1.52和1.59 kW，說明循環水體積流量越大，其放冷速率越大，放冷效果也越好。原因在于在控制循環水入口溫度保持不變時，循環水流量越大，其出口溫度越高，從而增大了換熱器兩側的平均溫差，強化了換熱效果，使得懸浮液放冷速率變大。除此之外，當蓄能介質為水、循環水體積流量為6 L·min-1時，放冷過程僅持續了863 s，相同循環水體積流量的條件下，MPCM懸浮液的放冷過程可達1532 s，相較于水延長了669 s。同時，當循環水流量同為6 L·min-1時，在相同溫度區間內純水的放冷速率僅為0.89 kW，MPCM懸浮液的放冷速率比水提高了約70%。

圖4 不同循環水體積流量下儲能介質溫度隨時間的變化曲線Fig.4 Temperature of energy storage medium with time at different circulating water flow

圖5 不同循環水體積流量下放冷速率隨儲能介質溫度變化曲線Fig.5 Cooling rate with temperature of the storage medium at different circulating water flow

3.4 攪拌速率對MPCM懸浮液相變完成率及單位體積放冷量的影響

圖6為放冷過程中不同攪拌速率條件下，MPCM懸浮液相變完成率隨溫度的變化曲線。從圖中可知，當攪拌速率一定時，隨著MPCM懸浮液溫度的升高，相變完成率的變化整體呈增大趨勢，且在相變溫度區間內急劇升高。當攪拌速率為0時，MPCM懸浮液的相變完成率為58.8%，經過攪拌的MPCM懸浮液的相變完成率比未攪拌的更高，且隨著攪拌速率的增大，其相變完成率也逐漸升高。原因在于未攪拌的MPCM懸浮液處于自然對流狀態，換熱極不充分，溫度分布也不均勻，而使用攪拌器可以使MPCM懸浮液與盤管的換熱方式從自然對流換熱變為強制對流換熱，強化了換熱效果，使更多的微膠囊發生相變，導致MPCM懸浮液的放冷量變大，所以其相變完成率比未攪拌的MPCM懸浮液的相變完成率更高。當攪拌速率為100、150和200 r·min-1時，其相變完成率逐漸增加，分別為75.1%、79.2%和87.1%，原因在于隨著攪拌速率的增加，強化了MPCM懸浮液和盤管的對流換熱，更能充分利用MPCM的潛熱，使得其最終相變完成率增加。但是，當攪拌速率為250 r·min-1時，MPCM懸浮液相變完成率為83.9%，相比于攪拌速率為200 r·min-1時的相變完成率有所下降，主要是因為攪拌器攪拌速率過大，導致部分微膠囊發生破裂，相變材料發生泄漏或揮發，使得整體傳熱效果變差。

圖6 不同攪拌速率下MPCM懸浮液的相變完成率隨溫度變化曲線Fig.6 Change ofθof MPCM slurry with temperature under different stirring rates

圖7為水和MPCM懸浮液在9～20℃溫度范圍內的單位體積放冷量。在整個溫度范圍內，當攪拌速率為200 r·min-1時，純水的單位體積放冷量為44.45 MJ·m-3，MPCM懸浮液的單位體積放冷量為73.86 MJ·m-3，約為純水的1.66倍。由于相變材料潛熱的存在，微膠囊懸浮液中的相變材料發生相變時，MPCM懸浮液釋放了大量冷量，使得其單位體積放冷量遠大于純水。同時，當攪拌速率為0時，單位體積放冷量為54.24 MJ·m-3，與攪拌后的MPCM懸浮液的單位體積放冷量相比較低。這是因為當MPCM懸浮液未攪拌時，整個儲能罐內部處于自然對流狀態，微膠囊出現團聚現象，導致其潛熱未被充分利用。當攪拌速率為100、150和200 r·min-1時，在整個溫度范圍內其單位體積放冷量逐漸增加，分別為65.20、68.01和73.86 MJ·m-3，原因在于通過攪拌器攪拌后儲能罐內部的MPCM懸浮液處于強制對流狀態，微膠囊未產生團聚現象，提高了儲能罐內部的換熱能力。但是，當攪拌速率為250 r·min-1時，單位體積放冷量有所下降為70.43 MJ·m-3。這是因為部分微膠囊破裂，相變材料發生泄漏，懸浮液黏度變大，影響了換熱效果，導致其單位體積放冷量有所降低。因此，應注意對MPCM的保護，防止其破壞導致蓄冷效果變差。

圖7 儲能介質在9～20℃溫度范圍內的單位體積放冷量Fig.7 Volumetric thermal release capacity of the energy storage medium within the temperature range of 9—20℃

3.5 攪拌速率對螺旋盤管外表面傳熱系數的影響

圖8為在不同攪拌速率下螺旋盤管外表面對流傳熱系數隨水和MPCM懸浮液溫度變化曲線。在攪拌速率同為200 r·min-1時，放冷初始階段，MPCM懸浮液與水的對流傳熱系數相差不大。當MPCM懸浮液溫度到17℃時，其表面對流傳熱系數急劇增加，最高可達2176 W·m-2·K-1，約為純水的1.87倍。由于相變潛熱的存在，當MPCM懸浮液達到相變溫度時會釋放出大量冷量，使得其表面傳熱系數遠大于水。同時，當攪拌速率為0時，MPCM懸浮液的對流傳熱系數在相變區間最大值僅為617 W·m-2·K-1，明顯低于攪拌的MPCM懸浮液。這是因為未攪拌的懸浮液處于自然對流狀態，微膠囊出現團聚現象，極大地削弱了換熱效果。當攪拌速率分別為100、150、200和250 r·min-1時，MPCM懸浮液對流傳熱系數在相變區間內最大值分別為：1403、1665、2176和3138 W·m-2·K-1。攪拌速率越大，MPCM懸浮液的對流傳熱系數越高。原因在于，儲能罐內部的MPCM懸浮液始終處于強制對流換熱狀態，微膠囊并未發生團聚現象，提升了盤管與MPCM懸浮液的對流換熱能力。并且攪拌速率的增大，提高了MPCM懸浮液的湍流度，使得換熱效果進一步加強。

圖8 不同攪拌速率下管外對流傳熱系數隨儲能介質溫度變化曲線Fig.8 Variation of ho with temperature of energy storage medium at different stirring rates

4 結 論

本文利用MPCM懸浮液潛熱儲能系統與純水儲能系統作對比，通過分析放冷速率Pd、相變完成率θ、單位體積放冷量EV,d和對流傳熱系數ho，研究不同循環水體積流量和不同攪拌速率對MPCM懸浮液放冷特性的影響，主要結論如下。

（1）循環水體積流量越大，MPCM懸浮液的放冷時間越短，并且放冷速率Pd越大，放冷效果也越好。當循環水流量為7 L·min-1時，MPCM懸浮液放冷時間為1452 s，且在相變溫度范圍內Pd最大值為1.59 kW。除此之外，當循環水流量同為6 L·min-1時，Pd在相變溫度范圍內比水提高了約70%。

（2）MPCM懸浮液的相變完成率θ在相變溫度范圍內快速升高，當懸浮液溫度為20℃時，θ可達90%。在0～200 r·min-1范圍內，攪拌速率越大，θ越高，單位體積蓄冷量EV,d也越大。同時，在攪拌速率為200 r·min-1的情況下，MPCM懸浮液的EV,d為73.86 MJ·m-3，約為純水的1.66倍。

（3）MPCM懸浮液與盤管表面的對流傳熱系數ho隨著攪拌速率的增大而增大。當攪拌速率為200 r·min-1時，ho在相變溫度范圍內最高可達2176 W·m-2·K-1，約為純水的1.87倍。

符號說明

Aex——放冷螺旋盤管的面積，m2

cp,l——相變微膠囊懸浮液的比定壓熱容，J·kg-1·K-1

cp,w——水的比定壓熱容，J·kg-1·K-1

D——盤管螺旋直徑，m

di,do——分別為盤管內、外徑，m

Ed——循環水帶走的冷量，kJ

Eloss——放冷過程中散失的冷量，kJ

EV,d——單位體積放冷量，MJ·m-3

ΔE——相變微膠囊釋放的冷量，kJ

ΔEerr——系統誤差，kJ

ΔH——相變微膠囊懸浮液的潛熱，kJ

hi，ho——分別為盤管內、外表面對流傳熱系數，W·m-2·K-1

hl——單位質量相變微膠囊懸浮液的潛熱，kJ·kg-1

hp——單位質量相變微膠囊的潛熱，kJ·kg-1

k——放冷螺旋盤管傳熱系數，W·m-2·K-1

mp——相變微膠囊的總質量，kg

Δmp——放冷過程中發生相變的微膠囊的質量，kg

Nu——Nusselt數

Pd——放冷速率，kW

Pr——Prandtl數

qv,w——循環水的體積流量，L·min-1

Rt——儲能罐的傳熱系數與傳熱面積的乘積，W·K-1

Re——Reynolds數

Tlab——環境溫度，℃

Tτ——相變微膠囊懸浮液的平均溫度，℃

T1，T2——分別為充冷過程循環水進、出口溫度，℃

T4，T3——分別為放冷過程循環水進、出口溫度，℃

ΔTm——對數平均溫差，℃

ΔU——相變微膠囊懸浮液的顯熱，kJ

Vl——相變微膠囊懸浮液的體積，m3

θ——相變完成率，%

λ——盤管的熱導率，W·m-1·K-1

λi——循環水的熱導率，W·m-1·K-1

ρw——水的密度，kg·m-3

τ1——放冷開始時,s

τ2——放冷結束時,s

下角標

d——放冷過程

i,o——分別表示盤管內和盤管外

l——相變微膠囊懸浮液

p——相變微膠囊顆粒

w——水