相变微胶囊悬浮液喷淋换热特性实验研究

董彬，薛永浩，梁坤峰，袁争印，王林，周训

（1河南科技大学先进制冷循环与热过程控制研究所，河南 洛阳 471003；2冈山大学大学院自然科学研究科，日本 冈山700-8530）

引 言

随着经济结构和能源结构的转型，利用低碳、清洁、高效的能源及产品是新时代的热点话题。相变微胶囊悬浮液（MPCMS）作为一种新型的潜热型功能流体，在工业余废热回收系统、空气调节、热能存储系统等领域具有广泛应用前景和研究价值[1-6]。

MPCMS 在相变温度区间有较强的蓄热能力和换热能力。Inaba 等[7-8]的模拟证明，MPCMS 具有较大的比热容，在相变温度区间内的储热和传热特性比非相变温度区间内更强。Yuan等[9]利用实验探究了含不同质量分数的MPCMS 在不同的工作温度区间的动态、静态换热特性。Allouche 等[10]、Zhang等[11]和Xu等[12]证明了在相变温度范围内，相变材料的储能比水更多。Diaconu等[13]获得了垂直螺旋管中MPCMS的传热关联式，证明了MPCMS在相变区间内的蓄热能力比水更强，传热系数明显高于水。Bai等[14]研究认为MPCMS在相变放热时显著提高了系统的蓄热和传热性能。卜令帅等[15]的研究表明，一定条件下MPCMS 的单位体积放冷量和对流传热系数分别比显热储能时高1.66、1.87 倍。Kong 等[16]研究表明，与水相比，MPCMS 表现出了高热容，但高黏度和低熔化潜热限制了其传热性能的提高。Sabbah等[17]的研究表明在低泵功率下，MPCMS可以在电子设备上实现更低和更均匀的温度。钟小龙等[18]研究表明，在内径为1 mm 的细管中，质量分数为10%的MPCMS比水有更好的换热特性。

此外，MPCMS 的流动特性、相变微胶囊的特性和实验条件会影响其换热特性。Liu 等[19]与Qiu 等[20]的实验和数值研究表明，Stefan数和质量分数是影响MPCMS 传热性能的最基本因素。Ma 等[21]的研究认为内径小的管道中其传热性能随相变材料质量分数的变化更为明显，提出了与实验结果误差为20%的层流传热关联式。Zhang等[22]制备了一种MPCMS 并讨论了质量分数对储热和传热过程的影响。Wang等[23]认为在水平圆管内层流条件下，MPCMS 的传热系数明显高于单相流体的传热系数。Yamagishi等[24]的研究表明相变微胶囊的过冷、粒径、黏度会影响其换热特性。Zhang等[25]利用DSC（差示扫描量热法）和XRD（X 射线衍射技术）研究了微胶囊的结晶和防止过冷。Inaba 等[26]研究了不同粒径大小混合的MPCMS，其传热系数是纯水的2～2.8倍。

上述文献研究了相变微胶囊因相变而储热和放热的特性，它们的共同点是连续性换热介质，介质形状受换热装置制约，且换热工作温度区间单一。当然基于相变微胶囊良好的储热、放热特性，利用分散的MPCMS 在多种工作温度区间直接接触式的换热同样有研究价值。因此，本文搭建了一个喷淋塔，以正二十二烷（C22H46）为芯材的相变微胶囊制成的MPCMS 作为喷淋介质，研究了不同喷淋温度和不同空气流量下，不同粒径的MPCMS 颗粒与空气的直接接触式的换热特性。

1 实验方案

1.1 系统装置及流程

图1 是使用T-history 法[27-28]的静态换热测试装置，采用6支长150 mm、内径13 mm、壁厚1 mm的玻璃试管，试管的几何中心及保温桶内安装了T 型热电偶。恒温槽的升、降温功率均为3 kW，提供热、冷流体经保温桶内的盘管分别使水升、降温，搅拌器使保温桶里的水温均匀分布达到均匀换热的效果。在测试过程中，待测介质的温度先从20℃上升至50℃，然后从50℃下降至20℃。

图1 静态换热测试装置1—恒温槽；2—保温桶；3—换热盘管；4—搅拌器；5—试管；6—计算机；7—安捷伦数据采集仪Fig.1 Static heat transfer test device

图2 为喷淋系统装置，系统底部为容量50 L 的保温桶，其内部放置了加热棒及温控开关的温度传感器，其左侧是流量为30 L/min 的水泵搅拌液体使保温桶内液体温度均匀分布，其右侧安装了浮球阀门以便及时地向保温桶内补充蒸馏水。系统上部是长宽均为0.55 m、高1.6 m 的喷淋塔主体，塔壁外侧覆盖了0.02 m 的保温层；在塔的底部即空气入口处设置了空气整流器[29]使室内空气均匀进入喷淋塔内；塔顶部空气出口的排气扇把空气匀速地排到实验室外的环境。同时在该系统的空气入口处布置了1个温湿度变送器和1个T型热电偶，在整流器上均匀布置了3 个T 型热电偶，在喷头入口管内布置了1个T型热电偶，在喷淋塔出口布置了1个温湿度变送器和2个T型热电偶。

图2 喷淋系统装置1—水泵；2—保温桶；3—温控开关；4—加热棒；5—湿度采集器；6—整流器；7—水泵；8—安捷伦数据采集仪；9—电磁流量计；10—计算机；11—喷头；12—压力传感器；13—排气扇；14—功率控制仪；15—水箱；16—浮球阀Fig.2 Sprinkler system device

喷淋系统由液体循环和空气流动两部分组成。其中，液体在保温桶里被加热至设定温度（35、40、44、47、51℃）后，再被泵送至喷头形成颗粒液滴，与向上流动的空气发生热、质交换后流回保温桶；室内空气在排气扇的作用下分别以不同的体积流量（0.011、0.018、0.025 m3/s）经过整流器向上流动，与喷淋下来的颗粒液滴发生热、质交换，最后从顶部排出室外。

两个实验装置中热电偶通过计算机和安捷伦34970A采集实验数据，精度为±0.01℃。

1.2 实验原理

等效比热容模型[30]是将均匀分布在载流体中的相变微胶囊相变对换热强化的影响等效为混合流体有效比热容的增大。张方等[31]用式（1）表示MPCMS的等效比热容。

式中，Tout为保温桶内水的温度，℃；Tin为待测介质的温度，℃；R为计算因子，即热导率与试管壁几何参数的乘积，W/℃；cptest为待测介质的等效比热容，J/(kg·℃)；m为待测介质的质量，kg；cptube为试管的比热容，J/(kg·℃)；mtube为试管的质量，kg；mwater为水的质量，kg；Error为比热容测试结果的误差。

在喷淋塔内发生的喷淋换热过程，液体作为热源，室内空气作为冷源。热源在整个过程中损失的热量为:

喷淋液体与气流之间的传热、传质系数分别为

1.3 相变微胶囊悬浮液

质量分数为40%的原浆MPCMS由安徽省美科迪科技公司生产，相变微胶囊的芯材是正二十二烷（C22H46），囊壁为聚氨酯高分子化合物。芯材熔融温度为43℃，潜热为249 kJ/kg，微胶囊的平均直径为8 μm，芯材质量分数约80%。用蒸馏水把原浆相变微胶囊悬浮液稀释成质量分数为10%的MPCMS。

2 相变微胶囊悬浮的储热和放热特性

用T-history法和式（2）、式（3）测量计算了3组纯水（不含相变微胶囊）的比热容，其结果误差分别为2.2%、3.1%和2.7%，都在5%以内，符合实验需求，因此用此方案测量MPCMS的比热容是合理的，由式（1）计算出的质量分数分别为10%、20%的MPCMS的等效比热容与实验测得结果的误差分别为7%、9%。

图3 为静态加热和冷却过程中，质量分数为10%、20%的MPCMS 与纯水的等效比热容随温度的变化。由图3（a）知，在温度范围25～40℃和44～50℃时，各组MPCMS 的等效比热容大小基本相同，没有热量转化为潜热储存起来。在芯材熔融温度43℃附近区域时，各组MPCMS 的等效比热容曲线出现了波峰，即吸收并储存了潜热[7-11]，平均等效比热容约为纯水的3.8 倍。由图3（b）可知，MPCMS 的等效比热容曲线出现了两处不同的非连续波峰，即为过冷现象并具有较大的过冷度。因为冷却过程中相变微胶囊内晶体发生了均相结晶与异相结晶[24]，同时该现象不利于MPCMS 在限定的工作温度区间内完全释放潜热能。

图3 比热容随温度的变化关系Fig.3 Relationship between specific heat capacity and temperature

3 实验及结果分析

3.1 喷淋环境分析

表1 为实验条件。使用喷雾激光粒度仪（HELOS-VARIO）测得液滴颗粒的Sauter 平均直径（SMD），利用红外热像仪（FLIR T620bx）拍摄喷淋换热场景，通过多功能焓差试验台设置了常温常湿（T=29～30℃，φ=58%～59%）和高温高湿（T=39～40℃，φ=79%～80%）两种测试环境。

表1 实验条件Table 1 Experimental conditions

图4 为喷淋换热的热成像图片。由图4（a）和（g）可知，当喷淋温度为40℃时两张云图差异不大。当喷淋温度为44、51 ℃时，把图4（b）和（h）、图4（c）和（i）相对比，前者的高温区域面积均明显较小，即喷淋温度为44、51℃的纯水从喷嘴喷出后液滴的温度下降得快，而同样喷淋温度的MPCMS 从喷嘴喷出后液滴的温度下降得慢。说明存储在微胶囊内的大量潜热在此过程中发挥了重要作用。在高温高湿环境下的换热过程中，对比相同喷淋温度的纯水[图4（d）～（f）]和MPCMS[图4（j）～（l）]可以发现，两种情况下液体的云图差别很细微，没有体现出相变微胶囊的储能和释放潜热的优势。

图5 是利用FLIR Research Studio 把热成像图片进行后期处理的结果，展示了不同喷淋温度的纯水和MPCMS 在不同环境下换热时各自温度的变化情况。由图5（a）和（b）可知，纯水和MPCMS 经过热质交换后各自的温度在常温常湿环境下都比在高温高湿环境下更低，因为高湿环境不利于水蒸发，高温空气与液体之间温差小，而常温常湿环境下更有利于热量交换。由图5（c）可知，在常温环境中，当喷淋温度为44、51℃时，MPCMS 的末端温度明显高于其喷淋温度为40℃时的情况，平均差值约1.45℃，也高于喷淋温度为40、44、51℃的纯水，平均差值1.64℃；同时其温度下降速率比喷淋温度为40、44、51℃的纯水和喷淋温度为40℃的MPCMS慢。因为喷淋温度为44、51℃的MPCMS 中的相变微胶囊吸热相变后储存了大量的潜热[7-11]，在喷淋换热的过程中当温度降到相变温度点时，相变微胶囊内的芯材发生相变开始释放潜热。由图5（d）可知，高温高湿环境下，喷淋温度为44 和51℃的纯水与MPCMS 在整个喷淋换热过程中温度变化差异很小；而喷淋温度为40℃时，这种温度变化差异较大，但在该温度下MPCMS 中的相变微胶囊没有发挥其因发生相变而储存大量潜热的作用。因此，结合图4 及前文叙述，后续的实验均在常温常湿环境下进行。

图4 热成像图片（SMD=80 μm，qv=0.018 m3/s）(a)～(c)纯水，常温常湿；(d)～(f)纯水，高温高湿；(g)～(i)MPCMS，常温常湿；(j)～(l)MPCMS，高温高湿Fig.4 Thermal image(SMD=80 μm，qv=0.018 m3/s)

图5 纯水与MPCMS的温度变化情况Fig.5 Temperature changes of pure water and MPCMS

3.2 换热特性分析

图6是不同大小直径的液滴，在不同空气流量、不同喷淋温度下，纯水和MPCMS 经过喷淋换热后在出口的温度变化情况。由图可知，纯水和MPCMS在冷却塔的出口温度都随着空气流量的增加而降低，因为增加空气流量会带走更多的热量。当空气流量一定时提高初始喷淋温度，液体在冷却塔的出口温度也逐渐升高。当空气流量相等时，冷却塔液体出口的纯水和MPCMS 之间的温差在其二者的喷淋温度为44、47℃时比35、40℃时大，喷淋温度为44、47℃时差值按空气流量大小排序，图6（a）分别为2.11、1.65，2.18、2.46，1.32、1.77℃；图6（b）分别为1.59、1.00，2.03、1.24，2.05、2.27℃。因为纯水在不同初始温度时，其单位质量的热容变化量很小；而MPCMS中的相变微胶囊在超过其相变温度后，其囊壁内部的相变材料会以潜热的形式储存大量的热量，则MPCMS 的热容量会发生大的变化[7-8]。当以等体积流量的空气与等质量流量的纯水和MPCMS换热时，如果空气带走相同的热量，则冷却塔流体出口MPCMS的温度较高。

图6 液体温度随喷淋温度的变化情况Fig.6 Liquid temperature changes with spray temperature

在 喷 淋 温 度 为44、47、51℃时，图6（b）中MPCMS与纯水之间的温差小于图6（a）中的情况，因为图6（a）和（b）中液滴的SMD 分别为80和240 μm，小液滴与空气总接触面积更大；另外，实验记录了喷淋小液滴和大液滴时管路中液体的压强分别为0.48、0.19 MPa，则小液滴喷淋的速度更快，与空气之间的相对流速更大，有利于热交换，换热更彻底，所以图6（a）中温差较大。

图7 为不同大小的液滴在不同的空气流量下，纯水和MPCMS 的热量损失与不同喷淋温度之间的变化关系。由图可知，喷淋不同大小的液滴颗粒时，液体损失的热量不仅随着喷淋初始温度的升高而增大，还随着空气流量的增加而增大。因为喷淋温度高，液体与空气之间的温差大，有利于传递更多的能量；当液滴携带的热量足够多且增大空气流量时，会有更多的空气进入喷淋塔中参与热交换，同时也增强了与液滴之间的扰动，强化了空气与液滴之间的换热效果。当喷淋温度为35和40℃时，纯水失去的热量比MPCMS 多，因为在该温度下，相变微胶囊的芯材吸热后没有发生相变，更不会以潜热的形式储存更多的热量。微胶囊囊壁的比热容比纯水的小[23]，此时MPCMS 中储存的热量少，所以在同样的条件下失去的热量就少。

当喷淋温度为44℃时，MPCMS在此换热过程中比纯水失去的热量多；在三个不同空气流量的换热中，当空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS 失去的热量最少。首先，在该初始温度情况下，相变微胶囊内的芯材吸热发生相变储存了大量的热量；其次，喷淋换热时的MPCMS 是降温过程，由图6 可知，在不同的空气流量、相同的喷淋温度下或者在相同的空气流速、不同的喷淋温度下，液体出口MPCMS 的温度高低不同，这会直接决定降温过程是否包含了相变微胶囊放热时的过冷段[23-24]，冷却时涵盖的过冷段越多则放热量就越大。例如图7（a）和（b）中，当空气流量为0.011 m3/s，喷淋温度为47、51℃时，MPCMS 比纯水失去的热量少，分别为1669.8、1817.53 W 和1497.17、1469.35 W。当喷淋温度为51℃时，MPCMS 在三种不同的空气流量下都比纯水失去的热量少。因为喷淋温度高导致液体出口温度升高，当以0.018、0.025 m3/s 的空气流量换热时，MPCM 中的相变微胶囊过冷段没有释放热量；当以0.011 m3/s的空气流量换热时，不仅相变微胶囊的过冷段没有放热，非过冷段的放热量也非常少，导致其与纯水相比能量损失越来越少。

图7 液体期的能量随喷淋温度的变化情况Fig.7 Change of fluid and air energy with spray temperature

在同等的喷淋温度和空气流量下，喷淋大液滴比喷淋小液滴失去的热量少一些，因为在喷淋大液滴的情况下换热能力较弱。

图8为空气进出口的焓差随喷淋温度的变化关系。由图可知，对于纯水和MPCMS，空气进出口的焓差都随着空气流量的增加而减小，随初始温度升高而增加。图8（a）中，当初始温度为44、47、51℃时，相比纯水，使用MPCMS 喷淋冷却塔进出口空气的焓差较大，二者存在的最大差值为10.84 kJ/kg。因为相同的空气流量下，MPCMS所形成的水滴其内部微胶囊通过释放潜热可以使液膜表面保持较长时间的高温，有利于增加显热换热量，同时也能促进水蒸发增加潜热换热量。图8（b）中，喷淋温度为44℃时，使用MPCMS空气进出口的焓差比使用纯水时大，各空气流量下分别为73.28、70.65、62.85 kJ/kg，而喷淋温度为47 和51℃时，使用MPCMS 空气进出口的焓差比使用纯水时小。这与图8（a）不同，因为二者喷淋的液滴直径大小不同，小液滴换热彻底，整个液滴温度降得快且最终温度低，过冷段放热后给空气传输了大量的热量；而大液滴换热不彻底，在44℃这种低温喷淋时有过冷段释放潜热，到了47和51℃这种高温喷淋时，由于冷却速度慢，且未冷却到过冷段，则没有潜热释放。

图8 空气进出口焓差随喷淋温度的变化Fig.8 The change of air inlet and outlet enthalpy with spray temperature

图9为MPCMS在不同空气流量下的等效比热容随喷淋温度的变化情况，以及各实验组中MPCMS在进出口温度的变化。由图可知，MPCMS 的等效比热容随着不同的喷淋温度和不同的空气流量展现了不同的结果，各组MPCMS经过换热后在出口的温度也不相同，即使某些组分的入口温度是一致的。如图9（a），当空气的流量为0.011 m3/s时，MPCMS 的等效比热容在喷淋温度为44℃时出现极大值为5427.03 J/(kg·℃)；当空气的流量为0.018、0.025 m3/s 时，MPCMS的等效比热容都在喷淋温度为47℃时出现极大值，分别为5681.06、5192.40 J/(kg·℃)。而图9（b），当空气的流量为0.011、0.018和0.025 m3/s时，MPCMS的等效比热容都在在喷淋温度为44℃时出现极大值，分别为5608.51、6063.10、5796.26 J/(kg·℃)。由 式（5）知 道MPCMS 的等效比热容与其能量损失量成正向关系，但与其喷淋液体进出口温差成反向关系，当能量损失大且温差小时等效比热容会出现极大值。在图9（a）、（b）中，MPCMS 被设置的喷淋温度分别为44、47、51℃，因此相变微胶囊中都储存了大量的潜热，喷淋过后却出现等效比热容不等的情况。因为进出口温差和能量损失量两者共同决定等效比热容的大小，温差大小刚好包含全部过冷段时等效比热容会出现极大值。在图9（a）中，当空气流量为0.011 m3/s 时，换热温差小，则没有包含完全甚至没有包含过冷段放热，所以等效比热容小。当空气流量为0.025 m3/s时换热温差最大，则包含全部过冷段放热，却没有表现出最大等效比热容，这是温差过大导致的。只有当空气流量为0.018 m3/s 时等效比热容最大，说明此时相变微胶囊的过冷段全部放热且温差大小合适，使得等效比热容取得极大值，此时换热效率最大，工作温度区间为47.80～38.43℃。在图9（b）中，当空气流量为0.011 m3/s 时换热温差小，同样是没有包含完全甚至没有包含过冷段放热。当空气流量为0.025 m3/s 时换热温差最大，第4～6、7～9 组中的等效比热容有极大值，而第1～3 组中的等效比热容的极大值在空气流量为0.018 m3/s时出现，此时换热效率最大，工作温度区间为44.04～36.59℃。图9（b）中液滴直径大，换热效率不高，要在大的空气流量下才能带走高温喷淋的大颗粒液滴的热量，使相变微胶囊释放潜热。

图9 MPCMS的等效比热容和温度的变化情况(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

图10为纯水和MPCMS在喷淋过程中Le随喷淋温度的变化情况。Le决定了蒸发过程中的相对传热和传质速率[32-33],由图可知，系统的Le随着喷淋液温度的升高整体基本呈下降趋势，说明随着喷淋温度升高，系统中质量扩散量比热扩散量的增加量更大。图10（a）喷淋温度为44 和47℃时，MPCMS 的Le比水大，差值按空气流量由小到大依次为0.81、1.34、1.05和0.44、0.91、0.83；图10（b）喷淋温度为44℃时，MPCMS的Le比水大，差值按空气流量由小到大依次为0.54、0.85、0.62。因为图10（b）是喷淋大颗粒液滴的情况，前文分析了它不利于换热，所以满足在相变温度区间内Le比水明显大的情况要少。由图10（a）可知，当喷淋温度为44、47、51℃，空气流量为0.018、0.025 m3/s时，用MPCMS时系统的Le更大，说明在纯水原有的基础上促进了液体的蒸发，有利于传热传质的发生，这是因为相变微胶囊在此过程中释放了大量潜热，使热量释放增加也促进了水分的蒸发。当空气流量为0.011 m3/s 时，只有喷淋温度为44、47℃的时候，系统使用MPCMS 时其Le更大。在51℃时，由图6 可知液体进出口温度较高，则没有包含相变微胶囊的过冷段，没有潜热释放。由图10（b）可知，在喷淋温度为44℃时，系统使用MPCMS 喷淋的Le更大。其根本原因与图10（a）中一致。

图10 Le随温度的变化情况Fig.10 The change of Le with temperature

4 结 论

以纯水和质量分数为10%的MPCMS 为喷淋介质，在不同的初始喷淋温度、不同粒径和不同的空气流量下进行喷淋换热，得到以下结论。

（1）常温常湿环境更有利于喷淋换热，不同的空气流量和喷淋温度给换热实验提供了不同的工作环境，相比喷淋SMD=240 μm 的液滴，喷淋SMD=80 μm的液滴时更有利于换热，使用范围更广。

（2）喷淋SMD=80 μm 的液滴时，当空气流量为0.018、0.025 m3/s 时，使用喷淋温度为44、47℃的MPCMS比纯水作为喷淋介质更能促进换热效果，当空气流量为0.011 m3/s 时，使用喷淋温度为44℃的MPCMS 比纯水作为喷淋介质更能促进换热效果。喷淋SMD=240 μm 的液滴时，当空气流量为0.011、0.018、0.025 m3/s时，使用喷淋温度为44℃的MPCMS比纯水作为喷淋介质更能促进换热效果。

（3）实验中使用MPCMS 喷淋换热时，相变微胶囊存在的过冷对其潜热释放具有很大影响，为了释放其全部潜热，需要提供适当的工作温度区间，这样更能提高换热效率。在相变微胶囊的相变温度范围内，喷淋SMD=80 μm 的液滴时，最佳工作温度区间为47.80～38.43℃；喷淋SMD=240 μm的液滴时，最佳工作温度区间为44.04～36.59℃。