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微胶囊相变悬浮液是一种新型潜热型功能热流体,具有较高储热密度,可在恒定温度区间内进行储放热,同时由于相变潜热使得有效比热容增大以及微对流导致有效导热系数提高,使它的对流换热系数比单相流体显著提高。微胶囊相变悬浮液的出现为建筑节能及其他需要强化换热的领域提供了新的应用前景。
本文提出了微胶囊相变悬浮液通过圆管层流恒热流加热时的对流换热性能的实验方案。阐述了微胶囊相变悬浮液的强化换热机理,着重分析了体积浓度c,雷诺数Re和斯蒂芬数Ste这三个因素对微胶囊相变悬浮液的强化换热性能的影响,并对实验中的一些现象和误差进行了分析。本文所做具体工作如下:
对近年来相关课题的研究进展进行了综述,指出了研究中有待深化的问题,确定了本课题的研究方法和研究内容。
介绍了内层为脲醛树脂,外层为TiO<,2>改性的双壳层相变蓄能微胶囊的制备方法,并给出了微胶囊相变悬浮液整体物性参数的计算方法。
分析了国外几个关于微胶囊相变悬浮液传热性能测试实验台的设计,并给出了本课题中微胶囊相变悬浮液传热性能测试的实验方案;同时针对实验系统中的测试段,即不锈钢管外侧包裹的保温层达到传热准稳态所需要的时间进行了数值模拟计算;最后推导了测试管内壁温度的理论解析式。
对微胶囊相变悬浮液换热强化的机理做了简要介绍。就定热流加热条件下单相流体管内层流换热,对整个实验系统的可靠性进行了验证。在微胶囊相变悬浮液的对流换热实验中,微胶囊的体积浓度取为5﹪、10﹪、15﹪三种,热流密度的范围取作1051W/m<2>~3152W//m<2>(相应的斯蒂芬数约在1.5~9之间),两相流体的流量在0.0023kg/s~0.0047kg/s以内(相应的雷诺数大约等于400~700)。对斯蒂芬数Ste、雷诺数Re和体积浓度c这三个因素对于微胶囊相变悬浮液的换热强化比η*和修正努塞尔数Nu*的影响进行了分析;同时给出了对斯蒂芬数Ste、雷诺数Re、体积浓度c测试误差的分析说明;最后对在实验运行过程中出现的一些现象进行了分析讨论。
实验结果表明,在以上无量纲参数情况下,微胶囊相变悬浮液定热流圆管层流换热的修正努塞尔数达到单相流体相应数值的1.9~3倍。微胶囊相变悬浮液的体积浓度c和雷诺数Re对微胶囊相变悬浮液的换热强化具有重要的影响。虽然很多已发表的模拟计算的结果显示斯蒂芬数Ste对管内层流换热强化影响很大,但本次实验的结果证明,在有明显过冷度的条件下,它的影响相当微弱。其中的原因至今不很清楚。
最后,对本课题下一步的实验和研究工作提出了一些建议和想法。