陸 威, 吳永衛(wèi)

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

石蠟微乳液在板式換熱器內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性研究

陸 威, 吳永衛(wèi)

(上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

利用實(shí)驗(yàn)的方法研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液在板式換熱器中的壓力損失和傳熱性能.結(jié)果顯示,質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近50%的石蠟微乳液的儲(chǔ)能能力強(qiáng),具有流動(dòng)換熱性能,可以用于儲(chǔ)能.含少量石蠟的微乳液的流動(dòng)性好,其換熱能力在相變溫度區(qū)間內(nèi)顯示出略好于水的傳熱特性.

相變材料; 石蠟微乳液; 傳熱; 儲(chǔ)能

相變材料(PCM)越來(lái)越多地被用作儲(chǔ)能材料,以解決能量供應(yīng)和需求之間的平衡問(wèn)題,用于節(jié)能建筑,提高舒適度和能源效率.固液相變材料可以在很小的溫度范圍內(nèi)吸收或釋放大量的熱能,根據(jù)不同的相變材料的相變溫度,可以將它們用于蓄冷或蓄熱.然而,固液相變材料的換熱能力普遍不強(qiáng),尤其是當(dāng)其處于固相的時(shí)候,僅依靠導(dǎo)熱過(guò)程換熱,吸、放熱過(guò)程需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和很大的溫差.因此,為了提高蓄能設(shè)備的快速響應(yīng)能力,新型的蓄能設(shè)備需要通過(guò)強(qiáng)化換熱來(lái)提高相變材料的換熱能力,使其蓄能能力強(qiáng),蓄能品質(zhì)高,應(yīng)用溫度范圍大,能夠快速實(shí)時(shí)地響應(yīng)用戶需求.為了提高相變材料的傳熱能力,研究人員應(yīng)用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料如泡沫金屬材料[1]、碳纖維[2]或石墨[3-4]來(lái)提高相變材料的表征導(dǎo)熱系數(shù).Agyenim等[ 5]總結(jié)了常用的相變材料和強(qiáng)化傳熱方法.Martin等[6]使相變材料和導(dǎo)熱流體直接接觸,為了實(shí)現(xiàn)較快的充、放熱,他們的研究確定了流量、溫差和石蠟的液滴大小等關(guān)鍵參數(shù).但是,水油間需要相分離,并且石蠟/水床層膨脹和被困的水降低了儲(chǔ)存容器的儲(chǔ)熱能力.

近年來(lái),許多研究人員不斷地探索應(yīng)用水等換熱能力好的流體作為載體,帶動(dòng)準(zhǔn)納米級(jí)當(dāng)量直徑的相變材料進(jìn)行換熱[7-10],如乳濁液、懸濁液或微膠囊懸濁液.將不同相變溫度區(qū)間的相變材料直接與水混合或?qū)⑾嘧儾牧现瞥晌⒛z囊的形式與水混合,這些方法使得相變材料無(wú)論是固相還是液相時(shí)都具有流動(dòng)性,使其可以以對(duì)流換熱的方式吸、放熱,換熱能力得到顯著增強(qiáng).微膠囊相變材料的成本較高,在使用中容易結(jié)塊和破損.流化冰(冰/水混合物)的相變潛熱大,但熔點(diǎn)固定在0 ℃,適用范圍小.鹽的水合物便宜,但有腐蝕性,過(guò)冷度高,容易失效.有機(jī)相變材料直接與水混合可以制成相變材料微乳液.Lu等[10]對(duì)石蠟微乳液的熱物理性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并對(duì)不同的表面活性劑、成核劑和其他添加劑對(duì)過(guò)冷度的影響進(jìn)行了研究.Huang等[8-9]的研究結(jié)果表明,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～50%的石蠟微乳液可以作為相變蓄冷材料.

本文將高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50%,45%)和低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%)的石蠟微乳液分別灌裝到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,利用實(shí)驗(yàn)的方法研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液在板式換熱器中的流動(dòng)和傳熱特性.

1 石蠟微乳液及其熱物理特性

將石蠟(碳鏈的碳原子數(shù)決定相變溫度)放入添加了表面活性劑的水中快速攪拌,使得石蠟以微納米級(jí)顆粒/液滴的形式均勻分散于水中,制成石蠟微乳液.制成的石蠟微乳液呈不透明的白色乳液狀.圖1顯示用藍(lán)色紙為背景的石蠟微乳液流出實(shí)驗(yàn)管子的照片.相變微乳液可以同時(shí)利用相變材料的潛熱容量和水的顯熱容量,同時(shí)在相變過(guò)程中保持流動(dòng)性,不需要額外的傳熱介質(zhì),傳熱性能良好.

圖1 石蠟微乳液

1.1 石蠟微乳液相變材料的熱分析

圖2是對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的石蠟微乳液進(jìn)行熱物理特性分析的DSC(差示掃描量熱儀)測(cè)試曲線,變溫速率為2 ℃/min.該微乳液含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的RT6 (相變溫度為6 ℃的工業(yè)石蠟)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的RT25(相變溫度為25 ℃的石蠟,作為成核劑)及表面活性劑[10].DSC測(cè)試曲線顯示,該相變材料的相變溫度(熔化溫度和凝固溫度)由于添加了RT25,比純RT6的相變溫度略有提高,凝固時(shí)的過(guò)冷度可忽略.純相變潛熱約為65 J/g,符合石蠟在復(fù)合材料中所占的比例,即石蠟微乳液的純相變潛熱與乳液中石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本線性相關(guān)[10].

圖2 石蠟微乳液的DSC特性

1.2 石蠟微乳液相變材料的黏度分析

圖3顯示了該石蠟微乳液的黏度測(cè)試曲線[10],冷卻速率為3 ℃/min,剪切速率為 150 s-1.如圖3所示,流體的黏度隨溫度的降低逐步升高.在20 ℃左右,由于部分RT25過(guò)冷凝固,引起黏度略有升高,再冷卻到石蠟微乳液的相變溫度時(shí),流體黏度突然顯著升高,直至相變材料全部凝結(jié),到冰點(diǎn)溫度之前,流體黏度依然隨溫降顯著升高,但升高的斜率有所降低.

圖3 石蠟微乳液的黏度特性

本文所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示,石蠟微乳液從相變材料箱被泵送到換熱器1中,經(jīng)含有抗凍劑的低溫冷卻水冷卻(石蠟微乳液中的石蠟液滴凝固變成微顆粒)后再流經(jīng)換熱器2,被溫水加熱(石蠟微乳液中的石蠟顆粒熔化變成微液滴)后返回相變材料箱.返回相變材料箱的石蠟微乳液在箱體上部流出管道(如圖1所示),對(duì)箱體內(nèi)的石蠟微乳液具有不斷攪混的作用.石蠟微乳液的流量通過(guò)控制閥調(diào)節(jié)旁路的流量進(jìn)行控制.實(shí)驗(yàn)所用的溫度、壓差和流量傳感器的位置如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了考察石蠟微乳液在實(shí)際系統(tǒng)中的流動(dòng)與傳熱特性,以更好地應(yīng)用這種新型材料,制備了兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液:50%的RT10/RT25(RT10和RT25的質(zhì)量比為5∶1)微乳液和4%的RT6/RT25(5∶1)微乳液.分別將它們灌裝入圖4所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,測(cè)試高質(zhì)量分?jǐn)?shù)和低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相變材料微乳液在實(shí)際系統(tǒng)中的流動(dòng)和傳熱特性,在測(cè)試完50%的RT10/RT25微乳液后加入一定量的水將其稀釋到45%,再進(jìn)行相同的測(cè)試.

2.1 流動(dòng)特性分析

為了準(zhǔn)確地測(cè)量工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)特性,避免其他因素的干擾,首先將旁路關(guān)掉,放空換熱器2內(nèi)的溫水,僅由換熱器1對(duì)相變石蠟微乳液不斷冷卻.圖5(見(jiàn)下頁(yè))表明了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液在系統(tǒng)管道內(nèi)的質(zhì)量流量與石蠟微乳液溫度之間的關(guān)系.由圖5可以看出,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50%,45%)的石蠟微乳液的質(zhì)量流量在開(kāi)始時(shí)隨溫度的降低而逐漸降低,在相變溫度區(qū)間內(nèi)(10～14 ℃)質(zhì)量流量顯著降低,石蠟微乳液中的相變材料完全凝固后,質(zhì)量流量隨溫度降低而降低的速率有所減慢,但依然比純液態(tài)時(shí)質(zhì)量流量降低的速率快.這個(gè)現(xiàn)象與圖3中黏度隨溫度的變化相似,只是兩種材料的相變溫度略有不同.高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟微乳液中相變材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)少量提高(從45%到50%),質(zhì)量流量顯著降低,意味著流體的黏滯阻力顯著提高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到50%時(shí),黏滯阻力過(guò)高會(huì)形成斷流.而低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%)的石蠟微乳液的質(zhì)量流量隨溫度的降低雖略有降低,但在相變溫度區(qū)間內(nèi)質(zhì)量流量沒(méi)有變化,說(shuō)明在此低質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟微乳液中相變材料相變對(duì)流體黏滯阻力的影響可忽略.

圖5 系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量流量隨溫度的變化

2.2 相變時(shí)流經(jīng)換熱設(shè)備的壓降

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),石蠟微乳液從相變材料箱被泵送到換熱器1中冷卻(凝固)后,再流經(jīng)換熱器2被溫水加熱(熔化)后返回相變材料箱.圖6顯示了不同工質(zhì)流經(jīng)換熱器2時(shí)的壓力損失.圖6中的實(shí)線為制造商給定流體為水的曲線,實(shí)心的圓點(diǎn)和三角形分別代表以冷水和溫水為工質(zhì)的實(shí)測(cè)值,當(dāng)質(zhì)量流量小于15 kg/min時(shí),實(shí)測(cè)值與制造曲線吻合得較好.低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%)的石蠟微乳液在4～7 ℃時(shí)流經(jīng)換熱器2產(chǎn)生的壓降與10 ℃冷水的實(shí)測(cè)壓降相當(dāng).而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟微乳液的壓力損失顯著高于水的,45%石蠟微乳液的壓降是水的4倍,而50%石蠟微乳液的壓降高達(dá)水的10倍.質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高意味著儲(chǔ)能能力的提高,但在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)壓力損失隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加迅速飆升.

2.3 傳熱特性分析

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制以及水與石蠟微乳液本身熱物性參數(shù)的不同,在測(cè)試水的傳熱特性時(shí),很難將系統(tǒng)調(diào)整到可與石蠟微乳液的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接比較的工況.為了更好地比較不同流動(dòng)條件下各質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟微乳液和水的傳熱特性,借鑒污垢系數(shù)[11]的計(jì)算方法,將水或石蠟微乳液的傳熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值同相同溫度和流量下凈水的換熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值進(jìn)行比較,定義了熱阻系數(shù)H.

式中:h為實(shí)測(cè)的水或石蠟微乳液的換熱系數(shù);hs為制造商給定的凈水的換熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值.

H的單位為(m2·K)/W,H數(shù)值越大,等同于熱阻越大.工程上可以應(yīng)用H估算實(shí)際需要的換熱面積,簡(jiǎn)化實(shí)際計(jì)算.

圖6 不同工質(zhì)在換熱器2內(nèi)壓降與質(zhì)量流量變化的關(guān)系

各質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟微乳液在相變溫度附近5 ℃的區(qū)間內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流的H和相應(yīng)溫度下水的H如圖7所示.從圖7中可以看出,4%石蠟微乳液的H最小(接近0),自來(lái)水的次之(約0.000 04),高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液的H為0.000 1～0.000 3,與自來(lái)水或池水的污垢系數(shù)相當(dāng)[11].說(shuō)明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%)的石蠟微乳液的熱阻略小于水,其傳熱能力略高于水.但蓄能能力強(qiáng)的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(45%,50%)的石蠟微乳液的熱阻高于水的,其傳熱能力比水弱,質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高(如50%),石蠟微乳液的傳熱能力越弱,但仍與長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的自來(lái)水的換熱能力相當(dāng),具有較好的傳熱能力.

圖7 不同工質(zhì)的H

3 結(jié) 論

對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液的流動(dòng)和換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液具有良好的儲(chǔ)能能力和傳熱性能,但其凝固后的流動(dòng)性較差,流動(dòng)阻力很大,并且隨著溫度的降低而增加.低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石蠟微乳液雖然儲(chǔ)能能力較弱,但具有良好的流動(dòng)和傳熱性能,在相變溫度區(qū)間內(nèi)顯示出略好于水的傳熱特性.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Investigations on Flow and Heat Transfer Performances of Paraffin/Water Emulsions Flowing Through a Plate Heat Exchanger

LU Wei, WU Yongwei

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Paraffin/water emulsions with different mass fractions were experimentally investigated about their flow and heat transfer performances.Their pressure loss and heat transfer coefficient in heat exchangers were tested.The results show that the emulsions with higher paraffin concentration are good in energy storage with good heat transfer performance.The low concentration emulsion has good flow and heat transfer performances,and its heat transfer performance could be better than the water at phase change temperature.

phasechangematerials;paraffin/wateremulsion;heattransfer;energystorage

1007-6735(2017)02-0127-05

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.005

2016-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406121);上海市浦江人才計(jì)劃(14PJ1407000);上海市青年?yáng)|方學(xué)者崗位計(jì)劃(QD2015017)

陸 威(1977-),女,副教授.研究方向:相變材料、強(qiáng)化換熱.E-mail:wei.lu@usst.edu.cn

TB 34

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