影响微胶囊相变悬浮液稳定性因素的理论分析

吕　珊, 仇中柱, 秦承芳, 罗　鹏

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海　200090)



影响微胶囊相变悬浮液稳定性因素的理论分析

吕珊, 仇中柱, 秦承芳, 罗鹏

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海200090)

为了探究影响微胶囊相变悬浮液稳定性的因素,通过改变相变颗粒粒径以及基液,配制不同种类的微胶囊相变悬浮液.在实验基础上,建立数学模型,分析计算了影响其稳定性的各个因素及其所占权重.结果表明:在实验条件下,相变微胶囊颗粒的粒径以及基液的动力粘度对稳定性的影响有决定作用.

微胶囊相变悬浮液; 动力粘度; 稳定性

自过去10年里,相变材料在储能领域作为一门新技术被提出以后,因其储能容量大,热传递发生在近似恒定的温度,流体导热系数较高,具有显热储能无法比拟的优点[1],引起了学术界和工程应用界的广泛关注.将相变微胶囊材料均匀分散在流体介质中形成稳定的潜热储热液(微胶囊相变悬浮液),是对其进行深入研究的第一步.现有的微胶囊相变悬浮液的制备方法主要为 “两步法”[2-3].

因为微胶囊相变颗粒的比表面积极大,具有极高的表面能,易造成悬浮液的热力学不稳定;相变颗粒的密度通常与基液的密度不匹配,造成相变悬浮液的动力学不稳定性,最终导致相变颗粒在重力场的作用下发生上浮或下沉.但通过改变颗粒粒径,调整基液的配比可显著提高相变悬浮液的稳定性.SCHARBART P等人[4]利用低能乳化方法制得了不同种类的纳米流体,分析出颗粒粒径会显著影响悬浮液的稳定性,同时导致过冷现象的发生.GUNTHER E等人[5]使用增稠剂来缓解悬浮液的分层现象,但伴随着悬浮液粘度的增加,导致泵功增加.

本文利用不同粒径的微胶囊颗粒以及不同种类的基液进行实验,建立数学模型探讨影响微胶囊相变悬浮液稳定性的因素,为采用两步法获取稳定性时间长的微胶囊相变悬浮液提供理论依据.

1　微胶囊相变悬浮液的配制及稳定性观察

1.1实验样品与装置

实验用微胶囊相变材料是名义粒径分别为20 μm和5 μm的MPCM28(美国Microtek公司),芯材为石蜡混合物,壳材为三聚氰胺甲醛树脂,相变温度为28 ℃,密度约为0.9 g/cm3.3种基液分别为水、丙醇以及密度为0.933 g/cm3的丙醇/水混合基液.水、丙醇、丙醇/水混合溶液这3种基液的动力粘度不等.实验所用基液的物性参数如表1所示[6-7].

表1　基液在20 ℃时的物性参数

实验用流变仪为德国安东帕MCR102旋转流变仪,该流变仪是应力/应变控制流变仪,扭矩范围为0.01～2.0×105μNm.电子天平(上海方瑞实验仪器),测量精度为0.001 g.液体电子密度计(上海隽思实验仪器),测量范围为0.001～99.999 g/cm3,测量精度为0.001 g/cm3.

1.2实验方法

将名义粒径为20 μm和5 μm的MPCM28取适量分别置于3种基液中,使用高速剪切乳化机以2 000 r/min搅拌10 min后置于恒温磁力搅拌器以600 r/min搅拌3 h,最后将悬浮液置于超声波震荡器中,以16 kHz频率震荡10 min.配得质量浓度为5 wt.%和10 wt.%的两种颗粒粒径的微胶囊相变悬浮液.

1.3实验结果

图1为静置0 h和12 h时,微胶囊相变悬浮液的稳定性情况.

图1　微胶囊相变悬浮液稳定性观察图像

在静置初期,各悬浮液的稳定性相当.静置12 h后,基液为水的悬浮液试管中均出现了颗粒上浮,基液为丙醇的悬浮液试管中颗粒发生了沉降,基液为丙醇/水混合溶液试管中颗粒少部分上浮.从长期效果来看,基液为丙醇/水混合溶液的微胶囊相变悬浮液稳定性最好.而在同一质量浓度下,名义粒径为5 μm的MPCM28颗粒比名义粒径为20 μm的颗粒稳定性要好.

2　理论分析与结果

2.1稳定性影响因素

微胶囊相变悬浮液中,相变颗粒在基液中均匀稳定地分散,须受力平衡,即沉降力和阻力相等.

(1)

(2)

式中:F1——沉降力,N;

F2——阻力,N;

d——颗粒名义粒径,m;

ρ0——颗粒密度,g/cm3;

ρ1——基液密度,g/cm3;

g——重力加速度,m/s2;

η——基液动力粘度,N·s/m2;

ν0——沉降速度,m/s.

(3)

(4)

由沉降速度表达式可知,当ν0=0时,颗粒在基液中受力平衡.颗粒的当量直径、颗粒与基液的密度差、基液的动力黏度是影响悬浮液稳定性的重要因素.液固密度差越小,相变颗粒粒径越小,基液动力粘度越大,微胶囊相变悬浮液的稳定性越好.这与实验结果具有一致性:在微胶囊颗粒分别为20 μm和5 μm的相变悬浮液中,随着基液动力粘度的增加,稳定性逐渐增强；在同一基液下,5 μm的微胶囊颗粒较20 μm的微胶囊颗粒表现出较好的稳定性.

2.2颗粒当量直径变化的定量分析

对某一特定的微胶囊相变悬浮液,当相变颗粒和基液都已确定时,基液的动力粘度以及颗粒和基液的密度差就为定值.由沉降速度公式发现,沉降速度与颗粒粒径的二次方成正比,故粒径对颗粒稳定性的影响非常大.而颗粒的等效直径受颗粒团聚以及基液物性等多方面的影响.下面就从颗粒间受力分析探讨颗粒等效直径的变化.

颗粒分布模型简化如图2所示.假设颗粒为球形,均匀分散在基液中,只有水平和垂直两个方向的运动.根据《胶体化学》,由于颗粒的粒径均大于5 μm,粒子在各瞬间受到液体分子撞击,作用力相互抵消的可能性很大,故忽略布朗运动[8].

图2　颗粒分布简化模型

2.2.1颗粒间的吸引力(范德华引力)

单个颗粒的质量m′为:

(5)

取M克微胶囊颗粒,则含有的颗粒总数为:

(6)

加入一定量的基液m″,测得混合溶液的密度ρ3,则混合溶液的体积V可计算得:

(7)

单个微胶囊颗粒所占的体积为:

(8)

(9)

式中:a——颗粒质心间距.

定义颗粒间距参数h及无量纲分布参数X分别为:

(10)

(11)

根据DLVO理论[9],颗粒间引力FA为:

(12)

式中:A——Hanmker常数[10],约为10-21J 数量级.

表2为微胶囊颗粒在0.933 g/cm3的丙醇/水的基液中所受吸引力的大小.颗粒间的吸引力必然和基液的密度有关系,从文中计算公式可以明显知道.本文只是计算一种基液中颗粒间的吸引力来说明颗粒间等效直径的变化,3种基液具有类似结论,故只选取一种详细计算说明.由计算可知,相同颗粒粒径下,随着溶液质量浓度的增加,颗粒间吸引力增大,颗粒间发生团聚的可能性增加,颗粒的等效直径增大;在相同质量浓度下,颗粒粒径为5 μm的悬浮液比20 μm的悬浮液颗粒间的吸引力大,颗粒等效直径的增量越大.由此可见,颗粒间吸引力主要受微胶囊相变悬浮液的质量浓度和相变微胶囊粒径的影响.

表2　不同种类悬浮液中颗粒间的吸引力

2.2.2两个球形粒子间的排斥力

悬浮液中粒子的斥力位能对抗粒子间吸引力,使溶液保持稳定[11].球形粒子间的斥力位能VR为:

(13)

排斥力FR为:

(14)

式中:k——Debye-Huckel理论中离子氛的倒数;

ε——基液的介电常数;

ψ0——颗粒表面电位;

h——两颗粒间最短距离,h=a-d.

对同一种微胶囊颗粒,在相同质量浓度下,颗粒所受的排斥力仅与基液的介电常数ε有关.基液的介电常数越大,颗粒间排斥力越大,那么颗粒团聚的可能性越小,等效直径增加的可能性越小;在基液为某一确定的种类时,颗粒间斥力与颗粒间距离有关.颗粒间距越小,颗粒间斥力越大.

所涉及实验中的3种基液,水的介电常数最大,故相同颗粒在水中团聚的几率最小,颗粒的等效直径越小.而在相同基液,相同质量浓度下,由表2可知,20 μm微胶囊颗粒间距离大于5 μm微胶囊颗粒间距离,所以前者的斥力小于后者,前者当量直径的增量大于后者.

3　结　论

(1) 实验观察显示,在水、丙醇以及水/丙醇混合基液中,名义粒径为5 μm的微胶囊相变悬浮液比名义粒径为20 μm的微胶囊相变悬浮液发生沉淀的时间晚,稳定性保持的时间长.

(2) 由理论分析可知,颗粒的当量直径,颗粒与基液的密度差,基液的动力黏度是影响悬浮液稳定性的重要因素.当量直径越小,密度差越小,基液的动力粘度越大,微胶囊相变悬浮液的稳定性越好.

(3) 同一基液,在相同质量浓度下,在不同粒径颗粒的间距不同会造成受力不同.名义粒径为5 μm的相变悬浮液颗粒间吸引力大于名义粒径为20 μm的相变悬浮液颗粒间吸引力;经颗粒质心间距计算可知,前者颗粒间距远小于于后者,故名义粒径为5 μm的微胶囊相变悬浮液的颗粒间排斥力大于名义粒径为20 μm的颗粒间排斥力,造成前者颗粒当量粒径的增加小于后者.这些因素共同作用的结果使颗粒粒径为5 μm的微胶囊相变悬浮的稳定性效果比颗粒粒径为20 μm的微胶囊相变悬浮液好.

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(编辑白林雪)

Analysis of the Stability Factors of Microencapsulated PhaseChange Material Slurry

LÜ Shan, QIU Zhongzhu, QIN Chengfang, LUO Peng

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

In order to find the factors which significantly affect the stability of the microencapsulated phase change material slurry,by changing the base fluid and the size of phase change material,different types of phase change suspensions are prepared.Based on the experiment,mathematical model is established,and related factors which affect the stability of suspension were analyzed.The results show that under the experimental conditions,the particle size of the microencapslues and dynamic viscosity of the base fluid are the main factors which influence the stability of the microencapsulated phase change material slurry.

micro-encapsulated phase change suspension; dynamic viscosity; stability

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.003

2015-06-30

简介：吕珊(1990-),女,在读硕士,湖北孝感人.主要研究方向为微胶囊相变悬浮液的稳定性与流变特性.E-mail:lvshang9983@163.com.

上海电力学院能源与机械工程学院“十二·五”内涵建设项目(“085”工程).

TK124; TK02

A

1006-4729(2016)03-0221-04