论文总字数：21384字

摘 要

研究表明，在流体中加入相变微胶囊材料会在强化对流传热的同时削弱流体的流动性。当相变材料发生相变时，它就要吸收或放出热量，这部分热量不会引起温度变化，因此微胶囊悬浮液具有良好的传热与储热性能。而与固态或液态相变材料相比，悬浮液的流动性在相变前后不会有太大的改变。因此，开展对相变微胶囊悬浮液的流动和换热特性的研究具有重要的学术意义和工程应用前景。

本文设计并搭建了一套可视化微通道实验平台，通道当量直径为0.25mm。对去离子水，不同体积浓度的微胶囊水溶液的流动状态和传热特性开展了实验研究。主要研究的内容和结论如下：

（1）比较研究了微通道内单相流体和微胶囊悬浮液在不同流速及加热功率下的流动特性。结果表明：在加热时，加入微胶囊颗粒可以改善流体流动性能，但是流动性能随浓度增加而减小。可见加入微胶囊后表面作用得到增强，但是最佳流动性能对应的浓度有待进一步探究。

（2）比较研究了微通道内流体在不同流速及加热功率下的传热特性。研究结果表明：加热温度较低时悬浮液未发生相变，但微胶囊悬浮液换热性能已优于去离子水，且性能随浓度增加得到改善。提高加热温度后微胶囊发生相变，相变起始温度在31℃～36℃。

实验说明了微胶囊悬浮液在传热及储热方面有良好的应用前景。

关键词：微胶囊 流动性能 传热特性 相变

Experimental research on microencapsulated PCM slurries

Abstrct

Studies show that the fluid will get better heat transfer characteristics but worse flow properties when adding microencapsulated phase change material(PCM). When PCM changes phase, it will absorb or release heat, which does not cause temperature changes. So microencapsulated PCM slurries have good heat transfer and heat storage properties. Furthermore，with the phase changes, the microencapsulated PCM slurries will always keep liquidity. Therefore, it has important academic significance and engineering application prospects to conduct research on microencapsulated PCM slurries.

In the thesis, a visual rectangular microchannel experiment platform was built, and the channel equivalent diameter was 0.25mm. The flow and heat transfer characteristics of deionized water and microencapsulated PCM slurries with different volume concentration were analyzed through the experiment. The main research contents and conclusions were as follows:

1. The flow characteristics of different fluids in microchannel were analyzed under different flow rate and heating power. Results showed that: when heated, microencapsulated PCM could be added to improve the flow properties of the fluid, but the flow performance decreased with the increase of volume concentrations. Its was easy to know that the surface effects were enhanced when adding the microencapsulated PCM, but the best volume concentration was unclear.

(2)The heat transfer characteristics were analyzed under different flow rate and heating power. The results showed that: the microencapsulated PCM didn’t change phase when the heating temperature was too low. However， microencapsulated PCM slurries had better heat transfer properties than deionized water. And the properties were better with the increase of volume concentrations. The microencapsulated PCM changed phase with the increase of heating temperature. The phase transition temperature was from 31℃～36℃.

The experiment showed that the microencapsulated PCM slurries had important engineering application prospects in heat transfer and heat storage.

KEYWORDS: Microencapsulated PCM; Flow properties; Heat transfer properties; Phase change

目 录

摘 要 I

Abstrct II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究状况 2

1.2.1 相变悬浮液的热力学性能 2

1.2.2 研究的不足 3

1.2.3 相变微胶囊悬浮流体的发展趋势 4

1.3 本文的主要研究内容 4

第二章 微通道实验系统 5

2.1 实验系统介绍 5

2.1.1 实验回路介绍 5

2.1.2 实验介质 6

2.2 实验装置 6

2.2.1 实验段 6

2.2.2 压差变送器 8

2.2.3 恒温水浴槽 9

2.2.4 蠕动泵 9

2.2.5 K型热电偶的布置 11

2.2.6 加热板及调压器 11

2.3 实验步骤 11

2.4 误差分析 12

2.5 实验系统不足 12

2.6 本章小结 12

第三章 微胶囊悬浮液流动特性的实验研究 14

3.1 引言 14

3.2 实验数据处理 15

3.2.1 雷诺数Re 15

3.2.2 摩擦阻力系数f 15

3.2.3 流体物性 16

3.3 实验结果与分析 17

3.3.1 冷态实验 17

3.3.2 热态实验 18

3.4 本章小结 23

第四章 微胶囊悬浮液传热特性的实验研究 24

4.1 引言 24

4.2 数据处理 24

4.2.1 基本模型 24

4.2.2 局部热流密度的计算 25

4.3 实验结果与分析 26

4.3.1 热流密度随雷诺数的变化 26

4.2.2 进出口温差与雷诺数的关系 27

4.3 本章小结 29

第五章 结论与展望 30

5.1 主要工作回顾 30

5.2 主要结论 30

5.3 前景展望 31

参考文献 32

第一章 绪论

1.1 引言

随着科学技术的革新，世界经济飞速发展。科学技术促进经济发展，同时经济发展所遇到的问题也引导科学技术朝着实用性与经济性方向发展。而现如今面临的最大问题就是能源问题以及由此所带来的环境问题。如何高效地利用有限的能源成为世界各经济大国实施可持续发展战略的基础。本文以此为前提，研究了相变材料在高效利用能源方面的应用前景。当材料发生相变时就会放出或吸收大量的热量，因此，可以猜想利用相变温度在一个合理区间内的相变材料来实现热量储存和转移，将大大减小材料的使用量及热量转移的时间。如此便达到了高效用能的目的。然而，当材料单纯地发生相变时，如固液相变，材料相变前后性质差别较大，流动状态改变较大，因而对流道的要求比较高且不符合经济性要求。所以利用微胶囊技术将具有合适相变温度的相变材料包裹到微胶囊内部制备成蓄热调温胶囊成为近年来研究的热点^[2,3]。微胶囊技术是一种微尺度下的包装技术，主要内容是用高聚合物形成的薄膜将微量的相变材料包裹在其中。我们再利用此微胶囊和合适的载流体制成微胶囊悬浮液，由于相变材料的潜热的存在，流体的储热和换热性能得到较为明显的提高。微胶悬浮液具有类似常规流体的属性，并且它在相变温度附近的狭窄温度带上具有高热储存量的优势。在选择合适的系统之后，相变材料和载体流体的合理选择也非常重要。不同的系统如空暖和水暖系统，空冷系统，工业过程系统和建筑物内的制冷系统均需要合理选择。与传统纯液体和纯固体微胶囊相比，微胶囊悬浮液的主要优势就是其同时具有流动性和高储热量。由于该悬浮液可以通过管道运输，所以储存的热量可以在离热源较远的站点输出，这在实际应用（例如，太阳能系统，集中供热系统和制冷系统）中非常重要。此外，因为相变前后材料温度基本不变，所以微胶囊悬浮液能使换热过程中的温度保持相对稳定。

相变储能技术在各方面都得到了广泛应用。如冰蓄冷，冰蓄冷过程所要满足的相变温度在0℃ 以下，这就要求冷源的制冷温度波动不能太大，同时，冰为固相，大大限制整体传热速率，这样造成的结果就是蓄冷时间过长或者装置尺寸过大。如过能利用一种材料同时来进行储能和传热，这就能使储能系统的性能得到非常大的改善。相变微胶囊悬浮液和其传热原理的研究正是在这样的背景下提出来的。于是以正Ⅲf 四烷为相变材料，水为载流体制成微胶囊悬浮液，其理沦相变温度为5.9℃ ，这契合了系统的要求。在发生相变前后，该微胶囊悬浮液均能保持良好的流动性，基本解决了依靠冰层传热传热效率低的问题。大大减小了蓄冷装置的制造及成本。再如，在太阳能方面的应用。微胶囊悬浮液在太阳能方面的应用具有以下优点：（1）作为传热介质和蓄热介质，相对于水来说，其可以减少管道和太阳能集热器的尺寸以及储热罐的容积。因为潜热较大，微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的储热密度。（2）在能量传输量相同的情况下，使用微胶囊悬浮液作为传热介质可以减少泵的功率消耗，节约成本。

1.2 国内外研究状况

1991年，P．Charunyakorn等人^[5]通过数值计算对圆管内含有微胶囊的混合流体的传热特性进行分析，数值计算表明含有微胶囊的混合流体的表面传热系数是单相流体(水)的2～4倍。1994年，M．Goel等人^[6]通过实验研究了一种由水和微胶囊化的二十烷组成的微胶囊相变悬浮液，得出了与单相流体相比，微胶囊相变悬浮液在相同无量纲参数下可降低壁面温升近50％的结论。2004年，H．Inaba等人^[7]对含有两种不同微胶囊的混合流体的流动及传热特性进行了实验研究，结果表明，采用该混合流体时的平均表面传热系数是采用单相流体时的2．0～2．8倍。

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