相变微胶囊悬浮液的喷淋换热特性研究

薛永浩，梁坤峰，袁争印

(1.河南科技大学 先进制冷循环与热过程控制研究所，河南 洛阳 471003；2.冈山大学 大学院自然科学研究科，日本 冈山 700-8530)

0 引言

在“双碳”目标指引下，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系是目前中国的主要工作之一[1]。相变微胶囊悬浮液(micro-encapsulated phase change material suspension, MPCMS)在工业余废热回收系统、空气调节、热能存储系统等领域具有广泛应用前景和研究价值[2-7]。相变微胶囊在相变温度区间内具有优良的储热能力[8]，在罐体储能系统中MPCMS的体积蓄热能力可达到纯水的1.74倍[9]。在相同温度下，MPCMS比水提供更好的冷却效果[10]；传输同等的热量，使用MPCMS与使用水时相比，泵消耗的功更少[11]。同时，MPCMS的浓度、雷诺数(Re)等一些常见的传热因素会影响到MPCMS的换热效果[12-13]。此外，相变微胶囊自身的物理特性，如粒径、过冷也会影响换热效果[14-15]。

上述文献主要是将MPCMS作为连续性介质、间接式的换热特性进行研究，但是把MPCMS作为非连续性介质在不同工作温度区间的直接接触式换热特性研究较少。因此，本文搭建了一个喷淋塔，利用以正二十二烷(C22H46)为芯材的相变微胶囊所制成的MPCMS作为喷淋介质，研究了不同初始喷淋温度和空气流量下MPCMS颗粒与空气的直接接触式换热特性。

1 试验系统方案及流程

1.1 系统装置及流程

图1为喷淋系统装置图，系统底部的中间是容量为50 L的保温桶，其内部放置了加热棒及温控开关传感器，左侧是流量为30 L/min的水泵搅拌液体，可使保温桶内液体温度均匀分布，右侧安装了浮球阀，以便及时向保温桶内补充蒸馏水。系统上部是长度和宽度均为0.55 m、高度为1.6 m的喷淋塔主体，塔壁覆盖了0.02 m的保温层；在塔的底部即空气入口放置了空气整流器，可使进入冷却塔内的空气均匀分布；冷却塔的顶部安装了排气扇，使空气匀速排出室外。在空气入口布置了1个温湿度变送器和1个T型热电偶；空气出口布置了1个温湿度变送器和2个T型热电偶；整流器上均匀布置了3个T型热电偶；喷头内布置了1个T型热电偶。通过计算机和安捷伦数据采集器(34970A)采集热电偶的试验数据。

喷淋系统由液体循环和空气流动两部分组成。液体循环：液体在保温桶里被加热棒加热至设定温度(35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃)后，再被泵送至喷头形成液滴，与流动的空气发生热交换后流回保温桶。空气流动：室内空气在排气扇的作用下分别以不同的体积流量qvair(0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s)经过整流器向上流动，与喷淋下来的液滴发生热交换后排出室外。

1.水泵；2.保温桶；3.温控开关；4.加热棒；5.温湿度变送器；6.整流器；7.水泵；8.安捷伦数据采集器；9.电磁流量计；10.计算机；11.喷头；12.压力传感器；13.排气扇；14.功率控制仪。图1 喷淋系统装置图

1.2 工作原理

喷淋换热，分别将加热至35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃的喷淋介质(质量分数为10%的MPCMS、水)在水泵和压力喷头的作用下，从喷淋塔顶部向下喷细小水滴，与由排气扇控制流量大小的室内空气直接接触。此时，喷淋介质与空气之间产生由显热产生的热交换作用，同时部分的水被蒸发，蒸发过程中空气带走潜热，最后经冷却后的喷淋介质落回保温桶内在加热棒的作用下被加热，如此往复循环。

1.3 试验原理

等效比热容模型[16]是将均匀分布在载流体中的相变微胶囊相变对换热强化的影响等效为混合流体有效比热的增大。文献[17]用式(1)表述了MPCMS的等效比热容：

(1)

其中：cps为MPCMS的等效比热容，J/(kg·℃)；ω为MPCMS中相变微胶囊的质量分数，%；ΔT为流体的温升，℃；L为相变微胶囊的相变潜热，J/(kg·℃)；cpmpcm为相变微胶囊的比热容，J/(kg·℃)。

在喷淋塔内发生的喷淋换热过程，液体作为热源，室内空气作为冷源。热源在整个过程中损失的热量为:

(2)

其中：Qloss为液体损失的热量，W；当液体为纯水时，cp为比热容，当液体为MPCMS时，cp为等效比热容，J/(kg·℃)；qm为液体的流量，kg/s；ΔT为液体喷淋换热前后的温差，℃；τ为时间，s。

空气在换热过程中吸收的热量为：

(3)

其中：Qabsorb为空气吸收的热量，W；ρin、ρout分别为进、出口空气的密度，kg/m3；qv为空气的流量，m3/s；hin、hout分别为进、出口空气的焓值，kJ/kg；τ为时间，s。

在整个换热过程中能量守恒，所以环境吸收的热量可以表述为：

Qenvir=Qloss-Qabsorb。

(4)

在整个换热过程中，空气除吸收了许多热量之外，也获取了大量的水蒸气，那么出口空气的热湿比为：

(5)

其中：hin、hout分别为进、出口空气的焓值，kJ/kg；din、dout分别为进、出口空气的含湿量，g/kg。

1.4 不确定度分析

测量参数所用的仪表精度：热电偶为±0.1 ℃，温控开关为±0.1 ℃，温湿度变送器的相对湿度偏差<1%，温度偏差<1 ℃，电磁流量计为±0.5%，压力传感器为0.5%FS。试验过程中存在数据采集误差和系统误差。试验中所用测量仪器均为一级精度。T型热电偶在测量前用最小刻度为0.1 ℃的温度计标定；安捷伦数据采集器的精度为0.3 ℃。根据随机误差合成原理[18]，即利用该T型热电偶和安捷伦数据采集器的精度为0.32 ℃。

由于试验的数据是多次测量，存在统计方法计算的分量，即A类不确定度[19]。A类不确定度分量UA求解：

算术平均值：

(6)

由贝赛尔公式求试验的标准差：

(7)

则有UA：

(8)

合成不确定度为：

(9)

其中：t对应于t分布因子；n为测量次数；Δins为仪器本身的误差。当置信概率为0.95时，代入温度29.54 ℃、湿度58.5%和喷淋介质流量2.75 L/min，根据文献[19]，确定各自的不确定度分别为0.011、0.023、0.018。

2 试验条件

质量分数为40%的原浆MPCMS由安徽省美科迪科技公司生产，相变微胶囊的芯材是正二十二烷(C22H46)，囊壁为聚氨酯高分子化合物。芯材熔融温度为43 ℃，潜热为249 kJ/kg，微胶囊的平均直径为8 μm，芯材质量分数约80%。用蒸馏水把原浆相变微胶囊悬浮液稀释成了质量分数为10%的MPCMS。

试验设置了常温常湿(T=29～30 ℃，φ=58%～59%)的工作环境，喷淋介质分别为纯水和质量分数为10%的MPCMS，初始的喷淋温度分别为35 ℃、40 ℃、44 ℃、47 ℃和51 ℃，空气流量分别为0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s。通过喷雾激光粒度仪(HELOS-VARIO)测得液滴颗粒的索特平均直径(Sauter mean diameter,SMD)为83 μm，则喷淋液滴的体积远大于相变微胶囊的体积，可以保证液滴中含有较多的相变微胶囊颗粒。

3 试验结果及讨论

液体的温度和空气的焓差随喷淋温度的变化情况见图2。图2a为不同空气流量下，不同初始温度的纯水和MPCMS经过喷淋换热后在出口时温度的变化情况。由图2a可知：纯水和MPCMS在冷却塔出口的温度都随着空气流量的增加而减小，却随着各自初始温度的增加而增大。当空气流量相等时，冷却塔液体出口的纯水和MPCMS之间的差值在其两者的初始温度为44 ℃、47 ℃和51 ℃时比35 ℃和40 ℃时大。因为纯水在不同初始温度时，其单位质量的热容变化量很小。对于MPCMS而言，当喷淋温度超过相变微胶囊的相变温度后，其囊壁内部的相变材料会以潜热的形式储存大量的热量[8,16,20]。等流量且等喷淋温度的纯水和MPCMS喷淋时，当一定流量的空气吸收等量的热量时，则MPCMS在冷却塔出口的温度较高。图2b为在不同空气流量下，冷却塔进出口空气的焓差随不同初始温度的纯水和MPCMS的变化情况。由图2b可知：对于纯水和MPCMS，空气进出口的焓差都随着空气流量的增加而减小，也都随着各自的初始温度增加而增加。当初始温度为44 ℃、47 ℃和51 ℃时，相比纯水，使用MPCMS时，试验前后空气的焓差较大。因为在相同的空气流量下，MPCMS所形成的液滴内部微胶囊通过释放潜热可以使液滴释放更多的热量。

图3a为纯水和MPCMS的热量损失大小与不同喷淋初始温度之间的变化关系；图3b为空气吸收的热量与不同喷淋介质初始温度之间的变化关系。由图3a和图3b可知：液体损失的能量与空气带走的能量的大小都不仅随着喷淋初始温度的增加而增大，还随着空气的流量增加而增大。因为喷淋初始温度高，则与空气之间的温差越大，有利于传递更多的能量；当热源的能量足够多且增大空气流量时，会有更多的空气进入喷淋塔中参与热交换，同时也增强了空气与液滴之间的扰动，强化了空气与液滴之间的换热效果。

在此换热过程中，当喷淋初始温度为35 ℃和40 ℃时，纯水失去的热量比MPCMS多，与之对应的是空气在与纯水发生热交换时吸收的热量更多一些。因为芯材的相变温度为43 ℃，在这两种初始温度下相变微胶囊的芯材吸热后没有发生相变，更不会以潜热的形式储存更多的热量。微胶囊囊壁的比热容比纯水的小[21]，则此时MPCMS所含的热量少，所以在同样的条件下失去的热量就少。当喷淋初始温度为44 ℃时，MPCMS在此换热过程中比纯水失去的热量多；在3个不同空气流量的换热中，当空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS失去的热量最少。首先，在该初始温度情况下，相变微胶囊内的芯材吸热发生相变储存了大量的热量；其次，喷淋换热时的MPCMS是降温过程，由图2a可知，在不同的空气流量而相同的初始温度下或者在相同的空气流量而不同的初始温度下，液体出口MPCMS的温度不同，会直接决定降温过程是否包含了相变微胶囊放热时的过冷段。此外，在图2a中观察到当初始温度为44 ℃，空气流量分别为0.011 m3/s、0.018 m3/s和0.025 m3/s时，液体出口MPCMS的温度分别为39.1 ℃、36.2 ℃和34.6 ℃。由此可以判断，只有空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS在换热过程中相变微胶囊的过冷段释放热量这种情况没有发生，而其他两种空气流量下该情况发生了，所以当空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS失去的热量少。当喷淋初始温度为47 ℃，空气流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s时，仍然与喷淋初始温度为44 ℃时的现象一致，但是当空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS比纯水失去的热量少。这是因为喷淋温度升高后出口MPCMS的温度也升高了，这时芯材除了过冷段没有参与放热外，非过冷段放热也减少了。当喷淋温度为51 ℃时，MPCMS在3种不同的空气流量下都比纯水失去的热量少。初始温度过高导致液体出口温度升高，当分别以0.018 m3/s和0.025 m3/s的空气流量换热时，MPCMS中的相变微胶囊的过冷段[22]没有释放热量；当以0.011 m3/s的空气流量换热时，不仅相变微胶囊的过冷段没有放热，非过冷段的放热量也非常少，导致其与纯水相比能量损失的越来越少。图3b中空气的吸收能量与纯水和MPCMS失去的能量成正相关，影响其吸收能量大小的原因与纯水和MPCMS的能量失去的多或少的原因基本一致。

图4 MPCMS的等效比热容的变化情况

图4为MPCMS在不同空气流量下的等效比热容随不同喷淋温度的变化情况。由图4可知：当空气的流量为0.011 m3/s时，MPCMS的等效比热容在初始喷淋温度为44 ℃时出现极大值，对应的工作温度区间为44.92～38.72 ℃；当空气的流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s时，MPCMS的等效比热出现极大值的初始喷淋温度都为47 ℃，对应的工作温度分别为47.80～38.43 ℃和47.77～36.49 ℃。当MPCMS的喷淋温度分别为35 ℃和40 ℃时，芯材未发生相变，则相变微胶囊内没有储存潜热，这里热量主要由显热提供。当MPCMS中的相变微胶囊因芯材发生相变储存了大量的潜热时，喷淋换热会有大量潜热释放，此时MPCMS的等效比热容明显增大。由于喷淋温度和空气流量不同，造成工作温度区间不同，就出现等效比热容不等的情况。由式(2)可知：MPCMS的等效比热容与其能量损失量成正向关系，但与其喷淋液体进出口温差成反向关系，当能量损失大且温差小、温度区间刚好包含全部过冷段时，等效比热容会出现较大值。当空气流量为0.011 m3/s且喷淋温度为47 ℃、51 ℃时，MPCMS的等效比热容比喷淋温度为44 ℃时小，如根据图3所述的，此时不仅相变微胶囊的过冷段没有放热，非过冷段的放热量也非常少。当空气流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s，且喷淋温度为51 ℃时，MPCMS的等效比热容比喷淋温度为47 ℃时小，初始温度过高导致液体出口温度升高，当以0.018 m3/s和0.025 m3/s的空气流量换热时，MPCMS中的相变微胶囊的过冷段没有释放热量，则等效比热容变小了。

图5 空气热湿比的变化情况

图5为分别使用纯水和MPCMS时，由式(5)所得的空气热湿比随初始喷淋温度的变化情况。当喷淋纯水和MPCMS时，空气的热湿比都随着液体初始喷淋温度的增加而增大。因为增大液体初始喷淋温度，空气会带走更多的能量，则会明显增大空气进出口的焓差，而整个换热过程中，空气在进出口的湿度变化量随着液体初始喷淋温度的增加而减小。当初始喷淋温度为35 ℃、40 ℃及3组不同的空气流量时，空气的热湿比在喷淋纯水时比喷淋MPCMS时大。因为MPCMS在这两个初始温度时，其相变微胶囊内部的芯材没有发生相变导致悬浮液吸热少，所以放热量也少。当初始喷淋温度为44 ℃时，喷淋纯水比喷淋MPCMS时空气的热湿比小。此初始温度的MPCMS中相变微胶囊内部的芯材发生相变，增大了悬浮液吸热量，则放热量也大。而喷纯水与MPCMS时热湿比的差值在空气流量为0.011 m3/s时最小。因为此时液体进出口温差小，则MPCMS放热量少，使得空气进出口的焓差最小。当初始喷淋温度为47 ℃和51 ℃时，空气流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s时，仍然是喷淋纯水比喷淋MPCMS时空气的热湿比小；而空气流量为0.011 m3/s时，却是喷淋纯水比喷淋MPCMS时空气的热湿比大。同样，由图2可知，在该温度下，当空气流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s时，液体进出口温差大，则MPCMS放热量多，使得空气进出口的焓差大。当空气流量为0.011 m3/s时，液体进出口温差小，则MPCMS放热量少，使得空气进出口的焓差最小。而造成液体出口温度高低和放热量大小的原因已经在前文图4和图5的内容中详细阐述，这里不再赘述。

4 结论

(1)使用MPCMS喷淋换热时，除了相变微胶囊本身吸热相变储能后能在冷却时释放更多潜热能量外，还需要提供适当的放热温度区间，使其储存的热量尽可能全部释放。试验中，当空气流量为0.011 m3/s时，MPCMS的最佳工作温度区间为44.92～38.72 ℃；当空气流量为0.018 m3/s时，MPCMS的最佳工作温度区间为47.80～38.43 ℃；当空气流量为0.025 m3/s时，MPCMS的最佳工作温度区间为47.77～36.49 ℃。

(2)当以空气进出焓差大、吸热量多和热湿比大作为评价流经喷淋塔内空气的标准，则有：常温常湿环境下，当空气流量为0.018 m3/s和0.025 m3/s时，使用初始喷淋温度为44 ℃和47 ℃的MPCMS比纯水作为喷淋介质更能提升换热效果；当空气流量为0.011 m3/s时，使用初始喷淋温度为44 ℃的MPCMS比纯水作为喷淋介质更能提升换热效果；而其他条件下使用纯水则更具优势。