細(xì)小圓管內(nèi)相變微膠囊懸浮液的換熱特性

公 雪, 王程遙

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,全球能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重,提高能源使用效率和開(kāi)發(fā)新能源是人類(lèi)面臨的重要課題[1]。相變微膠囊懸浮液由于相變微膠囊顆粒發(fā)生相變時(shí)吸收或放出大量熱量,并與周?chē)黧w發(fā)生微對(duì)流效應(yīng),增強(qiáng)了懸浮液與壁面的換熱效果,是集儲(chǔ)熱和強(qiáng)化傳熱于一體的一種新型材料,因此在太陽(yáng)能利用、電子設(shè)備冷卻、采暖和空調(diào)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

王利[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),影響相變微膠囊懸浮液強(qiáng)化傳熱的主要因素是雷諾數(shù)(Re)和微膠囊的體積分?jǐn)?shù),而斯蒂芬數(shù)的影響很微小。魯進(jìn)利等人[4]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),影響相變微膠囊懸浮液強(qiáng)化傳熱的較大因素有雷諾數(shù)、微膠囊的顆粒濃度、壁面熱流密度。田麗亭等人[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相變微膠囊顆粒的加入明顯增強(qiáng)了溶液的冷卻效果,有效降低了管道壁面溫度,并且懸浮液濃度越高,管道壁面溫度越低。鐘小龍等人[6]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),管壁壁面溫度受雷諾數(shù)和相變微膠囊懸浮液濃度的影響較大。仇中柱等人[7]研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)和斯坦頓數(shù)(St)對(duì)強(qiáng)化傳熱的效果影響較大,而相變微膠囊顆粒的粒徑大小、過(guò)冷度強(qiáng)化傳熱的效果影響較小。INABA H等人[8]研究發(fā)現(xiàn),在相同雷諾數(shù)下,相變微膠囊懸浮液的平均換熱系數(shù)是水的2.0～2.8倍。

綜上所述,相變微膠囊懸浮液可以有效強(qiáng)化傳熱,它的流動(dòng)和傳熱特性取決于以下參數(shù):相變微膠囊懸浮液流速、質(zhì)量濃度、傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)(Nu)、雷諾數(shù)、斯坦頓數(shù)、均勻度、過(guò)冷度、相變溫度范圍和粒徑分布等。這些參數(shù)的影響是已知的,但在不同的實(shí)驗(yàn)中影響程度不同,仍處于探索狀態(tài)[9]。本文搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)不同濃度的相變微膠囊懸浮液流過(guò)細(xì)小圓管時(shí)與壁面的對(duì)流換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。相變微膠囊懸浮液由微型流量泵從磁力攪拌器上的恒溫?zé)形?通過(guò)主循環(huán)回路流量調(diào)節(jié)閥和旁通回路流量調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié),控制進(jìn)入流量計(jì)的流量;一部分懸浮液直接通過(guò)旁通回路流量調(diào)節(jié)閥返回恒溫?zé)?另一部分進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行換熱,換熱后返回恒溫?zé)罄^續(xù)循環(huán)。磁力攪拌器恒溫?zé)隹诘臏囟葹?0 ℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)為650 mm、內(nèi)徑為2.5 mm、外徑為3 mm的304不銹鋼圓管,其熱導(dǎo)率為16.3 W/(m·K),并且在不銹鋼圓管均勻包裹上4個(gè)K型熱電偶形成實(shí)驗(yàn)段。K型熱電偶溫度信號(hào)通過(guò)安捷倫數(shù)據(jù)采集儀(Agilent34970A)采集后,由電腦輸出。

實(shí)驗(yàn)采用大龍興創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器(北京)有限公司生產(chǎn)的LCD數(shù)控加熱型23.33 cm方盤(pán)磁力攪拌器,型號(hào)為MS7-H550-Pro;喬穆自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的K型貼片式熱電偶,型號(hào)為T(mén)psk;南京潤(rùn)澤流體控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的倒錐接頭,型號(hào)為WD10A-1/4-28-P和YC-032-P;南京潤(rùn)澤流體控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的特氟龍管,型號(hào)為T(mén)FLG00006;卡默爾流體科技(上海)有限公司生產(chǎn)的微型流量泵,型號(hào)為NKCP-S10B。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 相變微膠囊物理特性

相變微膠囊材料在相變的過(guò)程中能吸收或者釋放出大量的潛熱。本實(shí)驗(yàn)建立在放熱的基礎(chǔ)上,由磁力攪拌器加熱微膠囊懸浮液到30 ℃,芯材發(fā)生融化吸熱變?yōu)槿廴趹B(tài),其微觀顆粒的熔融狀態(tài)如圖2所示。

圖2 相變微膠囊相變示意

實(shí)驗(yàn)所采用的相變微膠囊顆粒,其芯材為石蠟,壁材為密胺樹(shù)脂,相變微膠囊材料的平均相變溫度為28 ℃,微膠囊顆粒的相變焓值大約為120 J/g。室溫下,其外觀為白色粉末狀顆粒物,約含有68%石蠟和32%的密胺樹(shù)脂,其平均顆粒直徑為8 μm。將相變微膠囊與蒸餾水配成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相變微膠囊懸浮液,經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),相變微膠囊在蒸餾水中有很好的分散性。

1.2.2 相變微膠囊懸浮液密度

在實(shí)驗(yàn)中需要計(jì)算相變微膠囊懸浮液的整體密度。首先計(jì)算單個(gè)相變微膠囊顆粒的密度,用ρp表示單個(gè)相變微膠囊顆粒密度,用ρb表示相變微膠囊懸浮液的密度。

ρp=ρccm+ρwi(1-cm)

(1)

ρb=ρpcv+ρwj(1-cv)

(2)

式中:ρc——芯體相變材料密度,kg/m3;

cm——相變微膠囊懸浮液的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

ρwi——?dú)んw材料密度,kg/m3;

cv——相變微膠囊懸浮液中相變微膠囊顆粒的體積分?jǐn)?shù),%;

ρwj——蒸餾水的密度,kg/m3。

1.2.3 相變微膠囊懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)

用kp表示單個(gè)相變微膠囊顆粒的導(dǎo)熱系數(shù),用kb表示相變微膠囊懸浮液的平均導(dǎo)熱系數(shù)。

(3)

(4)

式中:dp,dc——顆粒和芯材的直徑,μm;

kc——相變微膠囊中芯材的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

kwi——?dú)げ牧系膶?dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

kwj——蒸餾水的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

1.2.4 相變微膠囊懸浮液黏度

用ub表示相變微膠囊懸浮液的平均黏度。

(5)

式中:uw——蒸餾水的黏度,Pa·s。

式(5)黏度關(guān)系式適用于顆粒濃度在0%～20%、顆粒平均粒徑在0.3～400 μm的情況。應(yīng)用式(1)～式(5),可以得出相變微膠囊顆粒及相變微膠囊懸浮液的物性參數(shù)[10-12]如表1所示。

表1 相變微膠囊懸浮液的物性參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

相變微膠囊的相變溫度為28 ℃,實(shí)驗(yàn)中利用磁力攪拌器將懸浮液加熱至30 ℃,因從磁力攪拌器恒溫槽到實(shí)驗(yàn)段入口段較短,此段的熱損失和熱阻可以忽略不記,因此實(shí)驗(yàn)入口溫度為30 ℃。

實(shí)驗(yàn)中圓管的進(jìn)口雷諾數(shù)為

(6)

式中:um——相變微膠囊的進(jìn)口速度,m/s;

di——圓管內(nèi)徑,m;

vb——懸浮液運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;

ρ——相變微膠囊的密度,g/cm3;

μ——懸浮液動(dòng)力黏度,Pa·s;

f——流量計(jì)所測(cè)的流量,kg/s。

圓管無(wú)量綱壁面溫度θw,x、圓管內(nèi)壁面局部溫度Twi,x、管內(nèi)流體局部溫度Tb,x分別為

(7)

(8)

(9)

式中:λb——流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Tin——圓管內(nèi)流體的進(jìn)口溫度,K;

qw——圓管壁面加熱熱流密度,W/m2;

Two,x——圓管外壁面局部溫度,K;

Q——輸入功率,W;

do——圓管外徑,m;

λw——圓管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

L——圓管長(zhǎng)度,m;

x——距離圓管入口處的長(zhǎng)度,m;

m——圓管內(nèi)流體的質(zhì)量流量,kg/s;

cp,b——流體的比熱容,J/(kg·K)。

實(shí)驗(yàn)圓管的局部換熱系數(shù)hx和局部努塞爾數(shù)Nux分別為

(10)

(11)

式中:ΔTx——壁面溫度與流體溫度的局部溫差,K。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同濃度下相變微膠囊懸浮液換熱特性探究

3.1.1 管道壁面溫度

雷諾數(shù)為200和300,濃度為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液其管道無(wú)量綱壁面溫度θw,x隨流動(dòng)方向的變化曲線,如圖3所示。

圖3 管道無(wú)量綱壁面溫度的沿程變化

由圖3可以看出,在雷諾數(shù)不同的情況下,無(wú)量綱壁面溫度隨著沿程的逐漸增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。在雷諾數(shù)不變的條件下,在濃度為0.50%～3.00%的相變微膠囊懸浮液中,懸浮液濃度越大,管道無(wú)量綱壁面溫度增加或減小的幅度越大,其中2.00%的相變微膠囊懸浮液的無(wú)量綱壁面溫度最高,而3.00%的相變微膠囊懸浮液的無(wú)量綱壁面溫度最低。究其原因在于:當(dāng)濃度繼續(xù)增加到3.00%時(shí),懸浮液中相變微膠囊顆粒濃度增大,流經(jīng)管道的時(shí)間較短,使得懸浮液中部分相變微膠囊顆粒尚未完全放熱而流出通道;雷諾數(shù)增大后,相變微膠囊懸浮液在管道內(nèi)的流速加大,流經(jīng)管道的時(shí)間縮短,使得懸浮液中大量的熱量被帶出通道。

3.1.2 管道局部努塞爾數(shù)

雷諾數(shù)為200和300,濃度為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液其管道局部努塞爾數(shù)Nux隨流動(dòng)方向的變化曲線,如圖4所示。

圖4 管道局部努塞爾數(shù)的沿程變化

由圖4可以看出,當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí),整體換熱增強(qiáng)的幅度減弱。在管道的入口段,濃度為0.50%的懸浮液明顯優(yōu)于更高濃度的懸浮液,這是由于低濃度的懸浮液剛進(jìn)入圓管時(shí),貼近壁面的微膠囊顆粒率先與管壁接觸并開(kāi)始放熱,同時(shí)懸浮液的高導(dǎo)熱率和低黏度使熱量能及時(shí)高效地與管壁進(jìn)行對(duì)流換熱。隨著懸浮液向下游流動(dòng),管道壁面換熱增強(qiáng)的幅度減弱,在管道中部時(shí)懸浮液換熱幾乎相近,而在接近管道的出口處,懸浮液的Nux略有差異。相變微膠囊懸浮使管道入口段的Nux減小幅度明顯較大,但隨著沿程的變化,對(duì)流換熱幅度減弱。究其原因在于:懸浮液剛進(jìn)入圓管時(shí),貼近壁面的微膠囊顆粒開(kāi)始釋放熱量,同時(shí)微膠囊顆粒和周?chē)黧w存在微對(duì)流效應(yīng),增強(qiáng)了管道壁面的對(duì)流換熱;隨著沿程的變化,靠近壁面的熱邊界層不斷加厚,流動(dòng)徑向熱阻加大,懸浮液中的微膠囊顆粒不能盡快放熱相變,最終隨懸浮液流出管道。

4 結(jié) 論

本文搭建了細(xì)小圓管內(nèi)相變微膠囊懸浮液換熱的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)濃度分別為0.50%,0.75%,1.00%,2.00%,3.00%的相變微膠囊懸浮液在細(xì)小圓管內(nèi)放熱過(guò)程的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論。

(1) 在本文選定的實(shí)驗(yàn)工況下,相變微膠囊懸浮液可以強(qiáng)化傳熱,并且在放熱過(guò)程中,圓管壁面的無(wú)量綱溫度隨濃度的增加而逐漸增加。

(2) 在選定的雷諾數(shù)條件和不同濃度的相變微膠囊懸浮液中,濃度為2.00%的懸浮液換熱效果最好,這是因?yàn)?.00%的懸浮液顆粒濃度較大,懸浮液中大量微膠囊顆粒尚未完成放熱相變就已經(jīng)流出管道。

(3) 當(dāng)雷諾數(shù)一定時(shí),不同濃度的相變微膠囊懸浮液的Nux均隨沿程的增加而減小,且隨著懸浮液濃度的增加,Nux呈現(xiàn)減小趨勢(shì);相變微膠囊懸浮使管道入口段的Nux減小幅度較大,但隨著沿程的增加對(duì)流換熱幅度減弱。