相變微膠囊懸浮液噴淋換熱特性實驗研究

董彬，薛永浩，梁坤峰，袁爭印，王林，周訓

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

引 言

隨著經濟結構和能源結構的轉型，利用低碳、清潔、高效的能源及產品是新時代的熱點話題。相變微膠囊懸浮液（MPCMS）作為一種新型的潛熱型功能流體，在工業余廢熱回收系統、空氣調節、熱能存儲系統等領域具有廣泛應用前景和研究價值[1-6]。

MPCMS 在相變溫度區間有較強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，在相變溫度區間內的儲熱和傳熱特性比非相變溫度區間內更強。Yuan等[9]利用實驗探究了含不同質量分數的MPCMS 在不同的工作溫度區間的動態、靜態換熱特性。Allouche 等[10]、Zhang等[11]和Xu等[12]證明了在相變溫度范圍內，相變材料的儲能比水更多。Diaconu等[13]獲得了垂直螺旋管中MPCMS的傳熱關聯式，證明了MPCMS在相變區間內的蓄熱能力比水更強，傳熱系數明顯高于水。Bai等[14]研究認為MPCMS在相變放熱時顯著提高了系統的蓄熱和傳熱性能。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可以在電子設備上實現更低和更均勻的溫度。鐘小龍等[18]研究表明，在內徑為1 mm 的細管中，質量分數為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驗條件會影響其換熱特性。Liu 等[19]與Qiu 等[20]的實驗和數值研究表明，Stefan數和質量分數是影響MPCMS 傳熱性能的最基本因素。Ma 等[21]的研究認為內徑小的管道中其傳熱性能隨相變材料質量分數的變化更為明顯，提出了與實驗結果誤差為20%的層流傳熱關聯式。Zhang等[22]制備了一種MPCMS 并討論了質量分數對儲熱和傳熱過程的影響。Wang等[23]認為在水平圓管內層流條件下，MPCMS 的傳熱系數明顯高于單相流體的傳熱系數。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）研究了微膠囊的結晶和防止過冷。Inaba 等[26]研究了不同粒徑大小混合的MPCMS，其傳熱系數是純水的2～2.8倍。

上述文獻研究了相變微膠囊因相變而儲熱和放熱的特性，它們的共同點是連續性換熱介質，介質形狀受換熱裝置制約，且換熱工作溫度區間單一。當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，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 實驗方案

1.1 系統裝置及流程

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

圖1 靜態換熱測試裝置1—恒溫槽；2—保溫桶；3—換熱盤管；4—攪拌器；5—試管；6—計算機；7—安捷倫數據采集儀Fig.1 Static heat transfer test device

圖2 為噴淋系統裝置，系統底部為容量50 L 的保溫桶，其內部放置了加熱棒及溫控開關的溫度傳感器，其左側是流量為30 L/min 的水泵攪拌液體使保溫桶內液體溫度均勻分布，其右側安裝了浮球閥門以便及時地向保溫桶內補充蒸餾水。系統上部是長寬均為0.55 m、高1.6 m 的噴淋塔主體，塔壁外側覆蓋了0.02 m 的保溫層；在塔的底部即空氣入口處設置了空氣整流器[29]使室內空氣均勻進入噴淋塔內；塔頂部空氣出口的排氣扇把空氣勻速地排到實驗室外的環境。同時在該系統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 噴淋系統裝置1—水泵；2—保溫桶；3—溫控開關；4—加熱棒；5—濕度采集器；6—整流器；7—水泵；8—安捷倫數據采集儀；9—電磁流量計；10—計算機；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

噴淋系統由液體循環和空氣流動兩部分組成。其中，液體在保溫桶里被加熱至設定溫度（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生熱、質交換后流回保溫桶；室內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）經過整流器向上流動，與噴淋下來的顆粒液滴發生熱、質交換，最后從頂部排出室外。

兩個實驗裝置中熱電偶通過計算機和安捷倫34970A采集實驗數據，精度為±0.01℃。

1.2 實驗原理

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為保溫桶內水的溫度，℃；Tin為待測介質的溫度，℃；R為計算因子，即熱導率與試管壁幾何參數的乘積，W/℃；cptest為待測介質的等效比熱容，J/(kg·℃)；m為待測介質的質量，kg；cptube為試管的比熱容，J/(kg·℃)；mtube為試管的質量，kg；mwater為水的質量，kg；Error為比熱容測試結果的誤差。

在噴淋塔內發生的噴淋換熱過程，液體作為熱源，室內空氣作為冷源。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、傳質系數分別為

1.3 相變微膠囊懸浮液

質量分數為40%的原漿MPCMS由安徽省美科迪科技公司生產，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，芯材質量分數約80%。用蒸餾水把原漿相變微膠囊懸浮液稀釋成質量分數為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）測量計算了3組純水（不含相變微膠囊）的比熱容，其結果誤差分別為2.2%、3.1%和2.7%，都在5%以內，符合實驗需求，因此用此方案測量MPCMS的比熱容是合理的，由式（1）計算出的質量分數分別為10%、20%的MPCMS的等效比熱容與實驗測得結果的誤差分別為7%、9%。

圖3 為靜態加熱和冷卻過程中，質量分數為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，沒有熱量轉化為潛熱儲存起來。在芯材熔融溫度43℃附近區域時，各組MPCMS 的等效比熱容曲線出現了波峰，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了兩處不同的非連續波峰，即為過冷現象并具有較大的過冷度。因為冷卻過程中相變微膠囊內晶體發生了均相結晶與異相結晶[24]，同時該現象不利于MPCMS 在限定的工作溫度區間內完全釋放潛熱能。

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

3 實驗及結果分析

3.1 噴淋環境分析

表1 為實驗條件。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臺設置了常溫常濕（T=29～30℃，φ=58%～59%）和高溫高濕（T=39～40℃，φ=79%～80%）兩種測試環境。

表1 實驗條件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，當噴淋溫度為40℃時兩張云圖差異不大。當噴淋溫度為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的大量潛熱在此過程中發揮了重要作用。在高溫高濕環境下的換熱過程中，對比相同噴淋溫度的純水[圖4（d）～（f）]和MPCMS[圖4（j）～（l）]可以發現，兩種情況下液體的云圖差別很細微，沒有體現出相變微膠囊的儲能和釋放潛熱的優勢。

圖5 是利用FLIR Research Studio 把熱成像圖片進行后期處理的結果，展示了不同噴淋溫度的純水和MPCMS 在不同環境下換熱時各自溫度的變化情況。由圖5（a）和（b）可知，純水和MPCMS 經過熱質交換后各自的溫度在常溫常濕環境下都比在高溫高濕環境下更低，因為高濕環境不利于水蒸發，高溫空氣與液體之間溫差小，而常溫常濕環境下更有利于熱量交換。由圖5（c）可知，在常溫環境中，當噴淋溫度為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。因為噴淋溫度為44、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溫度降到相變溫度點時，相變微膠囊內的芯材發生相變開始釋放潛熱。由圖5（d）可知，高溫高濕環境下，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?。欢鴩娏軠囟葹?0℃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揮其因發生相變而儲存大量潛熱的作用。因此，結合圖4 及前文敘述，后續的實驗均在常溫常濕環境下進行。

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，因為增加空氣流量會帶走更多的熱量。當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℃。因為純水在不同初始溫度時，其單位質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 的熱容量會發生大的變化[7-8]。當以等體積流量的空氣與等質量流量的純水和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，因為圖6（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，實驗記錄了噴淋小液滴和大液滴時管路中液體的壓強分別為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。因為噴淋溫度高，液體與空氣之間的溫差大，有利于傳遞更多的能量；當液滴攜帶的熱量足夠多且增大空氣流量時，會有更多的空氣進入噴淋塔中參與熱交換，同時也增強了與液滴之間的擾動，強化了空氣與液滴之間的換熱效果。當噴淋溫度為35和40℃時，純水失去的熱量比MPCMS 多，因為在該溫度下，相變微膠囊的芯材吸熱后沒有發生相變，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，相變微膠囊內的芯材吸熱發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。因為噴淋溫度高導致液體出口溫度升高，當以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，因為在噴淋大液滴的情況下換熱能力較弱。

圖8為空氣進出口的焓差隨噴淋溫度的變化關系。由圖可知，對于純水和MPCMS，空氣進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，當初始溫度為44、47、51℃時，相比純水，使用MPCMS 噴淋冷卻塔進出口空氣的焓差較大，二者存在的最大差值為10.84 kJ/kg。因為相同的空氣流量下，MPCMS所形成的水滴其內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，同時也能促進水蒸發增加潛熱換熱量。圖8（b）中，噴淋溫度為44℃時，使用MPCMS空氣進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 空氣進出口的焓差比使用純水時小。這與圖8（a）不同，因為二者噴淋的液滴直徑大小不同，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，以及各實驗組中MPCMS在進出口溫度的變化。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了不同的結果，各組MPCMS經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℃時出現極大值為5427.03 J/(kg·℃)；當空氣的流量為0.018、0.025 m3/s 時，MPCMS的等效比熱容都在噴淋溫度為47℃時出現極大值，分別為5681.06、5192.40 J/(kg·℃)。而圖9（b），當空氣的流量為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系，但與其噴淋液體進出口溫差成反向關系，當能量損失大且溫差小時等效比熱容會出現極大值。在圖9（a）、（b）中，MPCMS 被設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，噴淋過后卻出現等效比熱容不等的情況。因為進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極大值。在圖9（a）中，當空氣流量為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，卻沒有表現出最大等效比熱容，這是溫差過大導致的。只有當空氣流量為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，工作溫度區間為47.80～38.43℃。在圖9（b）中，當空氣流量為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，此時換熱效率最大，工作溫度區間為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決定了蒸發過程中的相對傳熱和傳質速率[32-33],由圖可知，系統的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，系統中質量擴散量比熱擴散量的增加量更大。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。因為圖10（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間內Le比水明顯大的情況要少。由圖10（a）可知，當噴淋溫度為44、47、51℃，空氣流量為0.018、0.025 m3/s時，用MPCMS時系統的Le更大，說明在純水原有的基礎上促進了液體的蒸發，有利于傳熱傳質的發生，這是因為相變微膠囊在此過程中釋放了大量潛熱，使熱量釋放增加也促進了水分的蒸發。當空氣流量為0.011 m3/s 時，只有噴淋溫度為44、47℃的時候，系統使用MPCMS 時其Le更大。在51℃時，由圖6 可知液體進出口溫度較高，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 論

以純水和質量分數為10%的MPCMS 為噴淋介質，在不同的初始噴淋溫度、不同粒徑和不同的空氣流量下進行噴淋換熱，得到以下結論。

（1）常溫常濕環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驗提供了不同的工作環境，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更能促進換熱效果，當空氣流量為0.011 m3/s 時，使用噴淋溫度為44℃的MPCMS 比純水作為噴淋介質更能促進換熱效果。噴淋SMD=240 μm 的液滴時，當空氣流量為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更能促進換熱效果。

（3）實驗中使用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，需要提供適當的工作溫度區間，這樣更能提高換熱效率。在相變微膠囊的相變溫度范圍內，噴淋SMD=80 μm 的液滴時，最佳工作溫度區間為47.80～38.43℃；噴淋SMD=240 μm的液滴時，最佳工作溫度區間為44.04～36.59℃。