乳液浆体蓄冷性能实验研究

李成浩 孙志高 张爱军 王茂 杨明明 李翠敏 李娟

（苏州科技大学环境科学与工程学院 苏州 215009）

乳液浆体蓄冷性能实验研究

李成浩 孙志高 张爱军 王茂 杨明明 李翠敏 李娟

（苏州科技大学环境科学与工程学院 苏州 215009）

本文选用二甲基硅油作为油相，硅烷偶联剂作为添加剂制备了乳液浆体，利用混合量热法测试了二甲基硅油-水乳液浆体的含冰率与二甲基硅油、硅烷偶联剂添加量和温度间的关系。实验表明：在相同的相变结晶时间内，随着二甲基硅油质量分数的增加，乳液的冰点和含冰率降低。虽然硅烷偶联剂的添加降低了含冰率，但可以防止冰浆粘附容器壁面，改善了流动性。当添加的硅烷偶联剂和二甲基硅油质量分数分别为4%和10%，环境温度为-8.5℃，相变结晶时间为90 min时，制备的乳液浆体含冰率达到33.4%，浆体不粘附壁面，浆体颗粒分散均匀，具有良好的流动性。

浆体；乳液；相变；蓄冷

冰浆是冰晶粒子均匀分布的固液两相溶液。与水蓄冷相比，冰浆具有较高的蓄冷密度，能够更快响应冷负荷的变化；与静态冰蓄冷相比，动态冰浆具有较好的流动性，可进行较远距离输送。冰浆以其良好的热物理性质，广泛应用于建筑空调、矿井降温、食品加工、消防灭火和医疗保护等领域［1-3］，是实现电力“削峰填谷”的有效方法，得到国内外学者广泛的关注和研究［4-9］。

冰浆的有效制取与含冰率的控制是冰浆制备过程的关键，其中含冰率是表征冰浆蓄冷性能的重要参数。在水中适当添加一些添加剂是制取冰浆的有效方法，如添加醇类和无机盐制取冰浆和水合物浆液［10-13］。在水中添加油性和表面活性剂形成乳液浆体的蓄冷特性研究近期受到关注［14-15］。冰浆的含冰率与融解热是冰浆制备与研究过程中经常要检测的物理量，其中混合量热法以其简单有效被广泛采用［16-17］。本文利用混合量热法研究了乳液浆体的蓄冷量，根据能量守恒定律获得乳液浆体的含冰率。实验对比分析了乳液浆体的含冰率随着添加剂质量分数（ωa）、二甲基硅油质量分数（ωo）和环境浴温度（Tf）的关系。

1 实验研究

1.1 实验材料及装置

实验选用的油相为二甲基硅油，添加剂为KH-550硅烷偶联剂，水为实验室自制蒸馏水，实验所购试剂均未进一步做提纯处理。实验材料用CP512C电子天平称量，天平的精度为±0.01 g。

图1所示为乳液浆体制备及含冰率测量实验装置图，实验装置主要由恒温空气浴、JJ-1A数显电动搅拌器、反应容器、真空保温瓶、数据采集器和计算机组成。恒温空气浴用于控制乳液浆体制备过程中的温度，控温范围为-40～150℃。反应容器为内径70 mm、高度95 mm的玻璃烧杯，烧杯口用透明胶带密封，内置T型热电偶，记录乳液浆体形成过程的温度变化。真空保温瓶用于保存乳液浆体和热水，其材质为304不锈钢，内置T型热电偶，记录含冰率测量过程中的温度变化。实验用T型热电偶测量精度均为Ⅰ级。数据采集器型号为Agilent 34970A，逐时记录实验过程中热电偶所测温度，同步输入计算机系统中。

1.2 实验过程

为了研究二甲基硅油和硅烷偶联剂对乳液浆体生成速率的影响，配置了一系列实验样品，样品质量在100 g左右（见表1）。

图1 实验装置Fig.1 Experimental rig

表1 实验体系Tab.1 Composition of the experiment systems

其中实验体系1中硅烷偶联剂的质量分数ωa= 4%，实验体系2中蒸馏水和二甲基硅油质量比均为9∶1。将配置好的实验体系放置在25℃的环境中，搅拌器转速设定为250 r／min，搅拌30 min形成乳液。然后在反应容器中插入T型热电偶，并用透明胶带密封，将其置于恒温空气浴中，搅拌器转速设定为200 r／min，设定恒温空气浴温度降温制备冰浆，反应容器中温度用Agilent 34970A采集。实验体系结晶90 min后，从中称取一定质量的浆体加入真空保温瓶中，将另一保温瓶中存放的已知质量和温度的热水加入浆体保温瓶中，记录混合过程中浆体和热水混合物温度的变化。

1.3 实验理论分析

乳液浆体的蓄冷量包括：1）二甲基硅油和硅烷偶联剂温差显热；2）融化前冰晶和水的温差显热；3）冰晶融化潜热；4）融化后水的温差显热。乳液浆体的蓄冷量计算式为：

式中：Q为乳液浆体的蓄冷量，kJ；ΔHi为冰的融化潜热，kJ／kg；Tb、Td、Te分别为初始温度、乳液浆体融化温度以及融化后水的温度，℃；co、ca、cw、ci分别为二甲基硅油、硅烷偶联剂、水、冰的比热容，kJ／（kg·℃）；mo、ma、mw、mi分别为二甲基硅油质量、硅烷偶联剂质量、融化后水的总质量、冰的质量，kg。

根据能量守恒定律，在真空保温瓶中将温度较高的热水与乳液浆体混合，通过温度变化计算出热水释放的热量：

式中：Qw为热水释放的热量，kJ；Qs为乳液浆体增加的热量，即在某一温度区间的蓄冷量，kJ；QL为热水与冰浆混合过程中的能量损失，kJ。由于真空保温瓶具有优良的保温性能，在短时间内与环境交换的热损失很小，可以忽略。式（2）变为：

根据式（1）和式（3）可计算浆体的含冰率IPF：

2 实验结果与分析

2.1 验证性实验

为了验证实验装置和方法的可靠性，首先在此实验装置中利用混合量热法测量了冰的融化潜热。称取一定质量的冰存放在保温瓶中，再称取一定质量的热水加入存放冰的保温瓶中，当热水和冰混合时，热水放热降温，冰融化后迅速升温。由于混合均匀度不一样，混合过程中体系温度变化曲线不完全相同，但最终温度都趋于稳定，图2所示为6次冰融化潜热测量实验过程的温度变化曲线。

表2列出了冰融化潜热测量实验的计算参数和结果，发现测量值都大于理论值，可能是操作时热水与环境存在热损失，热水传递给冰的热量相应减少，所以冰融化后最终稳定的温度比实际值低，导致计算结果都高于冰融化潜热的理论值335 kJ／kg。6次实验测量结果的平均值为348.7 kJ／kg，与理论值相比，相对误差为4.1%。多次实验结果表明，冰融化潜热测量结果的相对误差小于5%，可以用于测量浆体的含冰率。

表2 冰融化潜热测量实验的计算参数和结果Tab.2 Calculation parameters and results of experimental measurements for ice melting heat

图2 冰融化过程温度变化曲线Fig.2 Tem perature curves during experimental measurement of ice melting

2.2 浆体含冰率

图3所示为实验体系1在-8.5℃恒温环境下乳液温度随时间变化曲线。乳液相变均存在过冷现象，过冷度为2.5～4.5℃，冰点随着二甲基硅油质量分数ωo的增加而降低。当乳液温度从最低过冷温度突然升高到冰点时标志着乳液开始结晶，该时刻记为结晶时间ts=0 min。当乳液结晶时间ts=90 min时，取出乳液浆体，测量含冰率。图4所示为添加4%硅烷偶联剂的乳液浆体含冰率随二甲基硅油质量分数变化关系。含冰率随着二甲基硅油质量分数的增大而减小，当二甲基硅油质量分数ωo从10%增大到40%时，含冰率从33.4%降到25.3%，含冰率降低了8.1%。

图3 实验体系1乳液温度随时间变化曲线Fig.3 emulsion tem perature changing with time in experim ent system 1

图5所示为实验体系2在-8.5℃恒温环境下乳液温度随时间变化曲线。由图5可知，乳液的过冷度也在2.5～4.5℃，冰点随着硅烷偶联剂的质量分数ωa的增加而降低。当乳液结晶时间 ts=90 min时，取出乳液浆体，测量其含冰率。图6所示为二甲基硅油质量分数ωo=10%的乳液浆体含冰率随硅烷偶联剂质量分数的变化关系。硅烷偶联剂的质量分数ωa从2%变化到8%时，含冰率IPF从42.6%降低到28.7%，IPF下降了13.9%。当ωa=2%时，虽然乳液浆体具有较高的含冰率，但烧杯内壁面粘附有冰层；当ωa=4%和6%时，含冰率分别为33.4%和33%，变化不大，具有良好的流动性。

图4 实验体系1含冰率随二甲基硅油质量分数变化关系Fig.4 IPF changing with the mass fraction of dimethyl silicone oil in experiment system 1

图5 实验体系2乳液温度随时间变化曲线Fig.5 Emulsion tem perature changing with time in experiment system 2

图6 实验体系2含冰率随硅烷偶联剂质量分数变化关系Fig.6 IPF changing with the mass fraction of the silane coupler in experiment system 2

由图4和图6可知，当硅烷偶联剂质量分数ωa=4%，二甲基硅油质量分数ωo=10%时，乳液浆体形成过程中的过冷度为3.6℃，冰点为-1.3℃，没有冰晶粘附烧杯壁面，当结晶时间ts=90min时，乳液浆体含冰率IPF=33.4%，具有良好的流动性（见图7）。

图7 乳液浆体图片（ωa=4%，ωo=10%，ts=90 m in）Fig.7 Emulsion slurry（ωa=4%，ωo=10%，ts=90 m in）

图8所示为温度对冰浆形成的影响。在-4℃和-8.5℃恒温环境中，乳液（ωo=10%，ωa=4%）的冰点都为-1.3℃。当环境温度为-4℃时，乳液温度降到-3.5℃后几乎不变，再经历1 h左右的诱导时间开始结晶。而环境温度为-8.5℃时，乳液在降温过程中就发生结晶现象。图9所示为-4℃和-8.5℃恒温环境中乳液（ωo=10%，ωa=4%）含冰率随结晶时间变化关系。在-4℃恒温环境中，乳液结晶时间 ts=7 h时，含冰率 IPF=32.2%；在-8.5℃恒温环境中，乳液结晶时间ts=1.5 h时，含冰率IPF=33.7%。表明-8.5℃恒温环境下，乳液结晶速率较快，形成的乳液浆体具有较高的含冰率和蓄冷性能。

图8 温度对结晶的影响Fig.8 Effect of temperature on the formation of ice slurry

图9 含冰率随结晶时间变化关系Fig.9 IPF changing with solidification time

3 结论

本文利用混合量热法实验研究了二甲基硅油和硅烷偶联剂对冰浆形成过冷度、冰浆生长速度和含冰率的影响，研究了添加剂对冰浆的流动性的影响，研究结论如下：

1）分别选择二甲基硅油和硅烷偶联剂作为油相和添加剂，利用机械搅拌的方法制成乳液。乳液的冰点随着二甲基硅油、硅烷偶联剂的质量分数增加而降低，乳液的过冷度在2.5～4.5℃之间。与-4℃的恒温环境相比，在-8.5℃的恒温环境中，冰晶生成速率快，含冰率高。

2）硅烷偶联剂的添加降低了含冰率，但制成的冰浆不粘附容器壁面，改善了冰浆的流动性。添加4%的硅烷偶联剂和10%二甲基硅油制备的乳液相变结晶90 min浆体的含冰率达到33.4%，具有良好的流动性。

本文受江苏省自然科学基金项目（BK2012602）、江苏省研究生创新项目（KYLX15-1309）和苏州科技大学研究生创新项目（SKCX15-027）资助。（The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province（No.BK2012602），Graduate Innovation Fund of Jiangsu Province（No.KYLX15-1309）and Graduate Innovation Fund of Suzhou University of Science and Technology（No.SKCX15-027）.）

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About the corresponding author

Sun Zhigao，male，Ph.D.，professor，School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，+86 512-63176109，E-mail：szg.yzu＠163.com.Research fields：energy storage and energy conservation.

Experimental Study on Cold Storage Performance of Emulsion Slurry

Li Chenghao Sun Zhigao Zhang Aijun Wang Mao Yang Mingming Li Cuimin Li Juan
（School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，215009，China）

Dimethyl silicone oil and silane-coupler are chosen as oil phase and additive to form emulsion for slurry producing.The relation of Ice Packing Factor（IPF）and additive amount of dimethyl silicone oil and silane-coupler and environmental temperature was investigated using the mixing calorimetry method.The freezing point and the IPF of emulsion slurry are both reduced with the increase of dimethyl silicone oil mass fraction under the same crystallization time.Silane-coupler also reduces IPF，but it can prevent ice from adhering to the cooling surface and improve fluidity.The experimental results show that IPF is about 33.4%after 90 min crystallization under -8.5℃ temperature conditions when the mass fraction of dimethyl silicone oil and silane-coupler in emulsion are 4%and 10%，respectively.The slurry does not adhere to the cooling surface and is dispersed well.The slurry has a good fluidity.

slurry；emulsion；phase change；cold storage

TB34；TK02

A

0253-4339（2016）06-0066-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.066

简介

孙志高，男，博士，教授，苏州科技大学环境科学与工程学院，（0512）63176109，E-mail：szg.yzu＠163.com。研究方向：储能与节能技术。

2016年3月28日