薛永浩，梁坤峰，袁爭印

(1.河南科技大學(xué) 先進(jìn)制冷循環(huán)與熱過程控制研究所，河南 洛陽 471003；2.岡山大學(xué) 大學(xué)院自然科學(xué)研究科，日本 岡山 700-8530)

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)指引下，構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系是目前中國的主要工作之一[1]。相變微膠囊懸浮液(micro-encapsulated phase change material suspension, MPCMS)在工業(yè)余廢熱回收系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)、熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景和研究價(jià)值[2-7]。相變微膠囊在相變溫度區(qū)間內(nèi)具有優(yōu)良的儲(chǔ)熱能力[8]，在罐體儲(chǔ)能系統(tǒng)中MPCMS的體積蓄熱能力可達(dá)到純水的1.74倍[9]。在相同溫度下，MPCMS比水提供更好的冷卻效果[10]；傳輸同等的熱量，使用MPCMS與使用水時(shí)相比，泵消耗的功更少[11]。同時(shí)，MPCMS的濃度、雷諾數(shù)(Re)等一些常見的傳熱因素會(huì)影響到MPCMS的換熱效果[12-13]。此外，相變微膠囊自身的物理特性，如粒徑、過冷也會(huì)影響換熱效果[14-15]。

上述文獻(xiàn)主要是將MPCMS作為連續(xù)性介質(zhì)、間接式的換熱特性進(jìn)行研究，但是把MPCMS作為非連續(xù)性介質(zhì)在不同工作溫度區(qū)間的直接接觸式換熱特性研究較少。因此，本文搭建了一個(gè)噴淋塔，利用以正二十二烷(C22H46)為芯材的相變微膠囊所制成的MPCMS作為噴淋介質(zhì)，研究了不同初始噴淋溫度和空氣流量下MPCMS顆粒與空氣的直接接觸式換熱特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)方案及流程

1.1 系統(tǒng)裝置及流程

圖1為噴淋系統(tǒng)裝置圖，系統(tǒng)底部的中間是容量為50 L的保溫桶，其內(nèi)部放置了加熱棒及溫控開關(guān)傳感器，左側(cè)是流量為30 L/min的水泵攪拌液體，可使保溫桶內(nèi)液體溫度均勻分布，右側(cè)安裝了浮球閥，以便及時(shí)向保溫桶內(nèi)補(bǔ)充蒸餾水。系統(tǒng)上部是長度和寬度均為0.55 m、高度為1.6 m的噴淋塔主體，塔壁覆蓋了0.02 m的保溫層；在塔的底部即空氣入口放置了空氣整流器，可使進(jìn)入冷卻塔內(nèi)的空氣均勻分布；冷卻塔的頂部安裝了排氣扇，使空氣勻速排出室外。在空氣入口布置了1個(gè)溫濕度變送器和1個(gè)T型熱電偶；空氣出口布置了1個(gè)溫濕度變送器和2個(gè)T型熱電偶；整流器上均勻布置了3個(gè)T型熱電偶；噴頭內(nèi)布置了1個(gè)T型熱電偶。通過計(jì)算機(jī)和安捷倫數(shù)據(jù)采集器(34970A)采集熱電偶的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

噴淋系統(tǒng)由液體循環(huán)和空氣流動(dòng)兩部分組成。液體循環(huán)：液體在保溫桶里被加熱棒加熱至設(shè)定溫度(35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃)后，再被泵送至噴頭形成液滴，與流動(dòng)的空氣發(fā)生熱交換后流回保溫桶。空氣流動(dòng)：室內(nèi)空氣在排氣扇的作用下分別以不同的體積流量qvair(0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s)經(jīng)過整流器向上流動(dòng)，與噴淋下來的液滴發(fā)生熱交換后排出室外。

1.水泵；2.保溫桶；3.溫控開關(guān)；4.加熱棒；5.溫濕度變送器；6.整流器；7.水泵；8.安捷倫數(shù)據(jù)采集器；9.電磁流量計(jì)；10.計(jì)算機(jī)；11.噴頭；12.壓力傳感器；13.排氣扇；14.功率控制儀。圖1 噴淋系統(tǒng)裝置圖

1.2 工作原理

噴淋換熱，分別將加熱至35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃的噴淋介質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS、水)在水泵和壓力噴頭的作用下，從噴淋塔頂部向下噴細(xì)小水滴，與由排氣扇控制流量大小的室內(nèi)空氣直接接觸。此時(shí)，噴淋介質(zhì)與空氣之間產(chǎn)生由顯熱產(chǎn)生的熱交換作用，同時(shí)部分的水被蒸發(fā)，蒸發(fā)過程中空氣帶走潛熱，最后經(jīng)冷卻后的噴淋介質(zhì)落回保溫桶內(nèi)在加熱棒的作用下被加熱，如此往復(fù)循環(huán)。

1.3 試驗(yàn)原理

等效比熱容模型[16]是將均勻分布在載流體中的相變微膠囊相變對(duì)換熱強(qiáng)化的影響等效為混合流體有效比熱的增大。文獻(xiàn)[17]用式(1)表述了MPCMS的等效比熱容：

(1)

其中：cps為MPCMS的等效比熱容，J/(kg·℃)；ω為MPCMS中相變微膠囊的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ΔT為流體的溫升，℃；L為相變微膠囊的相變潛熱，J/(kg·℃)；cpmpcm為相變微膠囊的比熱容，J/(kg·℃)。

在噴淋塔內(nèi)發(fā)生的噴淋換熱過程，液體作為熱源，室內(nèi)空氣作為冷源。熱源在整個(gè)過程中損失的熱量為:

(2)

其中：Qloss為液體損失的熱量，W；當(dāng)液體為純水時(shí)，cp為比熱容，當(dāng)液體為MPCMS時(shí)，cp為等效比熱容，J/(kg·℃)；qm為液體的流量，kg/s；ΔT為液體噴淋換熱前后的溫差，℃；τ為時(shí)間，s。

空氣在換熱過程中吸收的熱量為：

(3)

其中：Qabsorb為空氣吸收的熱量，W；ρin、ρout分別為進(jìn)、出口空氣的密度，kg/m3；qv為空氣的流量，m3/s；hin、hout分別為進(jìn)、出口空氣的焓值，kJ/kg；τ為時(shí)間，s。

在整個(gè)換熱過程中能量守恒，所以環(huán)境吸收的熱量可以表述為：

Qenvir=Qloss-Qabsorb。

(4)

在整個(gè)換熱過程中，空氣除吸收了許多熱量之外，也獲取了大量的水蒸氣，那么出口空氣的熱濕比為：

(5)

其中：hin、hout分別為進(jìn)、出口空氣的焓值，kJ/kg；din、dout分別為進(jìn)、出口空氣的含濕量，g/kg。

1.4 不確定度分析

測量參數(shù)所用的儀表精度：熱電偶為±0.1 ℃，溫控開關(guān)為±0.1 ℃，溫濕度變送器的相對(duì)濕度偏差<1%，溫度偏差<1 ℃，電磁流量計(jì)為±0.5%，壓力傳感器為0.5%FS。試驗(yàn)過程中存在數(shù)據(jù)采集誤差和系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)中所用測量儀器均為一級(jí)精度。T型熱電偶在測量前用最小刻度為0.1 ℃的溫度計(jì)標(biāo)定；安捷倫數(shù)據(jù)采集器的精度為0.3 ℃。根據(jù)隨機(jī)誤差合成原理[18]，即利用該T型熱電偶和安捷倫數(shù)據(jù)采集器的精度為0.32 ℃。

由于試驗(yàn)的數(shù)據(jù)是多次測量，存在統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的分量，即A類不確定度[19]。A類不確定度分量UA求解：

算術(shù)平均值：

(6)

由貝賽爾公式求試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差：

(7)

則有UA：

(8)

合成不確定度為：

(9)

其中：t對(duì)應(yīng)于t分布因子；n為測量次數(shù)；Δins為儀器本身的誤差。當(dāng)置信概率為0.95時(shí)，代入溫度29.54 ℃、濕度58.5%和噴淋介質(zhì)流量2.75 L/min，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，確定各自的不確定度分別為0.011、0.023、0.018。

2 試驗(yàn)條件

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的原漿MPCMS由安徽省美科迪科技公司生產(chǎn)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)約80%。用蒸餾水把原漿相變微膠囊懸浮液稀釋成了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS。

試驗(yàn)設(shè)置了常溫常濕(T=29～30 ℃，φ=58%～59%)的工作環(huán)境，噴淋介質(zhì)分別為純水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的MPCMS，初始的噴淋溫度分別為35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃，空氣流量分別為0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s。通過噴霧激光粒度儀(HELOS-VARIO)測得液滴顆粒的索特平均直徑(Sauter mean diameter,SMD)為83 μm，則噴淋液滴的體積遠(yuǎn)大于相變微膠囊的體積，可以保證液滴中含有較多的相變微膠囊顆粒。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

液體的溫度和空氣的焓差隨噴淋溫度的變化情況見圖2。圖2a為不同空氣流量下，不同初始溫度的純水和MPCMS經(jīng)過噴淋換熱后在出口時(shí)溫度的變化情況。由圖2a可知：純水和MPCMS在冷卻塔出口的溫度都隨著空氣流量的增加而減小，卻隨著各自初始溫度的增加而增大。當(dāng)空氣流量相等時(shí)，冷卻塔液體出口的純水和MPCMS之間的差值在其兩者的初始溫度為44 ℃、47 ℃和51 ℃時(shí)比35 ℃和40 ℃時(shí)大。因?yàn)榧兯诓煌跏紲囟葧r(shí)，其單位質(zhì)量的熱容變化量很小。對(duì)于MPCMS而言，當(dāng)噴淋溫度超過相變微膠囊的相變溫度后，其囊壁內(nèi)部的相變材料會(huì)以潛熱的形式儲(chǔ)存大量的熱量[8,16,20]。等流量且等噴淋溫度的純水和MPCMS噴淋時(shí)，當(dāng)一定流量的空氣吸收等量的熱量時(shí)，則MPCMS在冷卻塔出口的溫度較高。圖2b為在不同空氣流量下，冷卻塔進(jìn)出口空氣的焓差隨不同初始溫度的純水和MPCMS的變化情況。由圖2b可知：對(duì)于純水和MPCMS，空氣進(jìn)出口的焓差都隨著空氣流量的增加而減小，也都隨著各自的初始溫度增加而增加。當(dāng)初始溫度為44 ℃、47 ℃和51 ℃時(shí)，相比純水，使用MPCMS時(shí)，試驗(yàn)前后空氣的焓差較大。因?yàn)樵谙嗤目諝饬髁肯?，MPCMS所形成的液滴內(nèi)部微膠囊通過釋放潛熱可以使液滴釋放更多的熱量。

圖3a為純水和MPCMS的熱量損失大小與不同噴淋初始溫度之間的變化關(guān)系；圖3b為空氣吸收的熱量與不同噴淋介質(zhì)初始溫度之間的變化關(guān)系。由圖3a和圖3b可知：液體損失的能量與空氣帶走的能量的大小都不僅隨著噴淋初始溫度的增加而增大，還隨著空氣的流量增加而增大。因?yàn)閲娏艹跏紲囟雀?，則與空氣之間的溫差越大，有利于傳遞更多的能量；當(dāng)熱源的能量足夠多且增大空氣流量時(shí)，會(huì)有更多的空氣進(jìn)入噴淋塔中參與熱交換，同時(shí)也增強(qiáng)了空氣與液滴之間的擾動(dòng)，強(qiáng)化了空氣與液滴之間的換熱效果。

在此換熱過程中，當(dāng)噴淋初始溫度為35 ℃和40 ℃時(shí)，純水失去的熱量比MPCMS多，與之對(duì)應(yīng)的是空氣在與純水發(fā)生熱交換時(shí)吸收的熱量更多一些。因?yàn)樾静牡南嘧儨囟葹?3 ℃，在這兩種初始溫度下相變微膠囊的芯材吸熱后沒有發(fā)生相變，更不會(huì)以潛熱的形式儲(chǔ)存更多的熱量。微膠囊囊壁的比熱容比純水的小[21]，則此時(shí)MPCMS所含的熱量少，所以在同樣的條件下失去的熱量就少。當(dāng)噴淋初始溫度為44 ℃時(shí)，MPCMS在此換熱過程中比純水失去的熱量多；在3個(gè)不同空氣流量的換熱中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，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(nèi)的芯材吸熱發(fā)生相變儲(chǔ)存了大量的熱量；其次，噴淋換熱時(shí)的MPCMS是降溫過程，由圖2a可知，在不同的空氣流量而相同的初始溫度下或者在相同的空氣流量而不同的初始溫度下，液體出口MPCMS的溫度不同，會(huì)直接決定降溫過程是否包含了相變微膠囊放熱時(shí)的過冷段。此外，在圖2a中觀察到當(dāng)初始溫度為44 ℃，空氣流量分別為0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，液體出口MPCMS的溫度分別為39.1 ℃、36.2 ℃和34.6 ℃。由此可以判斷，只有空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，MPCMS在換熱過程中相變微膠囊的過冷段釋放熱量這種情況沒有發(fā)生，而其他兩種空氣流量下該情況發(fā)生了，所以當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，MPCMS失去的熱量少。當(dāng)噴淋初始溫度為47 ℃，空氣流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，仍然與噴淋初始溫度為44 ℃時(shí)的現(xiàn)象一致，但是當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，MPCMS比純水失去的熱量少。這是因?yàn)閲娏軠囟壬吆蟪隹贛PCMS的溫度也升高了，這時(shí)芯材除了過冷段沒有參與放熱外，非過冷段放熱也減少了。當(dāng)噴淋溫度為51 ℃時(shí)，MPCMS在3種不同的空氣流量下都比純水失去的熱量少。初始溫度過高導(dǎo)致液體出口溫度升高，當(dāng)分別以0.018 m3/s和0.025 m3/s的空氣流量換熱時(shí)，MPCMS中的相變微膠囊的過冷段[22]沒有釋放熱量；當(dāng)以0.011 m3/s的空氣流量換熱時(shí)，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(dǎo)致其與純水相比能量損失的越來越少。圖3b中空氣的吸收能量與純水和MPCMS失去的能量成正相關(guān)，影響其吸收能量大小的原因與純水和MPCMS的能量失去的多或少的原因基本一致。

圖4 MPCMS的等效比熱容的變化情況

圖4為MPCMS在不同空氣流量下的等效比熱容隨不同噴淋溫度的變化情況。由圖4可知：當(dāng)空氣的流量為0.011 m3/s時(shí)，MPCMS的等效比熱容在初始噴淋溫度為44 ℃時(shí)出現(xiàn)極大值，對(duì)應(yīng)的工作溫度區(qū)間為44.92～38.72 ℃；當(dāng)空氣的流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，MPCMS的等效比熱出現(xiàn)極大值的初始噴淋溫度都為47 ℃，對(duì)應(yīng)的工作溫度分別為47.80～38.43 ℃和47.77～36.49 ℃。當(dāng)MPCMS的噴淋溫度分別為35 ℃和40 ℃時(shí)，芯材未發(fā)生相變，則相變微膠囊內(nèi)沒有儲(chǔ)存潛熱，這里熱量主要由顯熱提供。當(dāng)MPCMS中的相變微膠囊因芯材發(fā)生相變儲(chǔ)存了大量的潛熱時(shí)，噴淋換熱會(huì)有大量潛熱釋放，此時(shí)MPCMS的等效比熱容明顯增大。由于噴淋溫度和空氣流量不同，造成工作溫度區(qū)間不同，就出現(xiàn)等效比熱容不等的情況。由式(2)可知：MPCMS的等效比熱容與其能量損失量成正向關(guān)系，但與其噴淋液體進(jìn)出口溫差成反向關(guān)系，當(dāng)能量損失大且溫差小、溫度區(qū)間剛好包含全部過冷段時(shí)，等效比熱容會(huì)出現(xiàn)較大值。當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s且噴淋溫度為47 ℃、51 ℃時(shí)，MPCMS的等效比熱容比噴淋溫度為44 ℃時(shí)小，如根據(jù)圖3所述的，此時(shí)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。當(dāng)空氣流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s，且噴淋溫度為51 ℃時(shí)，MPCMS的等效比熱容比噴淋溫度為47 ℃時(shí)小，初始溫度過高導(dǎo)致液體出口溫度升高，當(dāng)以0.018 m3/s和0.025 m3/s的空氣流量換熱時(shí)，MPCMS中的相變微膠囊的過冷段沒有釋放熱量，則等效比熱容變小了。

圖5 空氣熱濕比的變化情況

圖5為分別使用純水和MPCMS時(shí)，由式(5)所得的空氣熱濕比隨初始噴淋溫度的變化情況。當(dāng)噴淋純水和MPCMS時(shí)，空氣的熱濕比都隨著液體初始噴淋溫度的增加而增大。因?yàn)樵龃笠后w初始噴淋溫度，空氣會(huì)帶走更多的能量，則會(huì)明顯增大空氣進(jìn)出口的焓差，而整個(gè)換熱過程中，空氣在進(jìn)出口的濕度變化量隨著液體初始噴淋溫度的增加而減小。當(dāng)初始噴淋溫度為35 ℃、40 ℃及3組不同的空氣流量時(shí)，空氣的熱濕比在噴淋純水時(shí)比噴淋MPCMS時(shí)大。因?yàn)镸PCMS在這兩個(gè)初始溫度時(shí)，其相變微膠囊內(nèi)部的芯材沒有發(fā)生相變導(dǎo)致懸浮液吸熱少，所以放熱量也少。當(dāng)初始噴淋溫度為44 ℃時(shí)，噴淋純水比噴淋MPCMS時(shí)空氣的熱濕比小。此初始溫度的MPCMS中相變微膠囊內(nèi)部的芯材發(fā)生相變，增大了懸浮液吸熱量，則放熱量也大。而噴純水與MPCMS時(shí)熱濕比的差值在空氣流量為0.011 m3/s時(shí)最小。因?yàn)榇藭r(shí)液體進(jìn)出口溫差小，則MPCMS放熱量少，使得空氣進(jìn)出口的焓差最小。當(dāng)初始噴淋溫度為47 ℃和51 ℃時(shí)，空氣流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，仍然是噴淋純水比噴淋MPCMS時(shí)空氣的熱濕比小；而空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，卻是噴淋純水比噴淋MPCMS時(shí)空氣的熱濕比大。同樣，由圖2可知，在該溫度下，當(dāng)空氣流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，液體進(jìn)出口溫差大，則MPCMS放熱量多，使得空氣進(jìn)出口的焓差大。當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，液體進(jìn)出口溫差小，則MPCMS放熱量少，使得空氣進(jìn)出口的焓差最小。而造成液體出口溫度高低和放熱量大小的原因已經(jīng)在前文圖4和圖5的內(nèi)容中詳細(xì)闡述，這里不再贅述。

4 結(jié)論

(1)使用MPCMS噴淋換熱時(shí)，除了相變微膠囊本身吸熱相變儲(chǔ)能后能在冷卻時(shí)釋放更多潛熱能量外，還需要提供適當(dāng)?shù)姆艧釡囟葏^(qū)間，使其儲(chǔ)存的熱量盡可能全部釋放。試驗(yàn)中，當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，MPCMS的最佳工作溫度區(qū)間為44.92～38.72 ℃；當(dāng)空氣流量為0.018 m3/s時(shí)，MPCMS的最佳工作溫度區(qū)間為47.80～38.43 ℃；當(dāng)空氣流量為0.025 m3/s時(shí)，MPCMS的最佳工作溫度區(qū)間為47.77～36.49 ℃。

(2)當(dāng)以空氣進(jìn)出焓差大、吸熱量多和熱濕比大作為評(píng)價(jià)流經(jīng)噴淋塔內(nèi)空氣的標(biāo)準(zhǔn)，則有：常溫常濕環(huán)境下，當(dāng)空氣流量為0.018 m3/s和0.025 m3/s時(shí)，使用初始噴淋溫度為44 ℃和47 ℃的MPCMS比純水作為噴淋介質(zhì)更能提升換熱效果；當(dāng)空氣流量為0.011 m3/s時(shí)，使用初始噴淋溫度為44 ℃的MPCMS比純水作為噴淋介質(zhì)更能提升換熱效果；而其他條件下使用純水則更具優(yōu)勢。