含氧化石墨烯相变微胶囊悬浮液对流传热特性数值模拟与实验研究

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微胶囊化相变材料由于相变温度恒定、储能效率高、存储和运输便利,在热能输运领域具有广阔的应用前景。论文针对含氧化石墨烯相变微胶囊悬浮液对流传热特性展开研究,研究结果可为工程实际应用提供数据支撑。论文首先利用悬浮聚合法制备了以月桂醇为芯材、丙烯酸树脂为壳材、氧化石墨烯为改性剂的复合相变微胶囊,与传统相变微胶囊(MPCM)进行对比得出一种性能更佳的氧化石墨烯复合相变微胶囊(GO-MPCM);基于CFD-DPM模型模拟相变微胶囊悬浮液(MPCMS)在圆管内的对流传热过程,分析了质量分数、雷诺数(Re)、热流密度对流动和传热特性的影响;搭建潜热型功能热流体对流传热实验平台,研究MPCMS与GO-MPCMS对流传热特性。研究结果表明:(1)制备所得相变微胶囊均保持清晰球形轮廓,芯材、壳材、改性剂互不发生反应;未添加氧化石墨烯的MPCM平均粒径为1μm,相变潜热为91.83k J/kg,封装效率为43%,导热系数为0.165W/(m·K),在0-100℃内质量损失约为0.4%,100-200℃内质量损失41.6%;基于传统相变微胶囊改性的GO-MPCM平均粒径增加35.7%,相变潜热增加43%,封装效率增加42.9%,导热系数增加126.7%,在100℃内无质量损失,100-200℃内质量损失约为8%。(2)模拟结果显示,与纯水相比,三种质量分数(2%、5%、10%)下流体温度分别降低0.75%、5.92%、47.5%,流体局部努塞尔数(Nux)分别增加2.67%、7.89%、48.85%;Re数增大,融化区域加长,圆管壁面温度降低,Nu数增大,对流传热能力增强;热流密度增大,融化区域变短,流体Nux数增加;通过拟合得到不同质量分数下悬浮液Nux数与Re数、普朗特数(Pr)数的关系式,对比纯水,质量分数为10%的相变微胶囊悬浮液Nux数增强比为1.369。(3)与纯水相比,MPCMS的Nu数增加约27.6%,GO-MPCMS的Nu数增加约28.8%;与MPCMS相比,与氧化石墨烯颗粒混合的传统相变微胶囊悬浮液Nu数增幅很小。(4)实验结果表明,随着质量流量增加,融化区域长度增加,圆管壁面温度与出口温度比相同条件纯水低;质量流量与热流密度相同情况下,质量分数增加,GO-MPCMS的Nux数增大,对比纯水,质量分数为10%的氧化石墨烯复合相变微胶囊悬浮液Nux数增加约28%。(5)通过数据拟合得到不同质量分数下,潜热型功能热流体Nux数与Re数、Pr数的关系式,对比纯水,功能热流体Nux数皆增大,相同质量分数下,GO-MPCMS的Nux数增强比要大于MPCMS,相同工质下,GO-MPCMS质量分数越高,Nux数增强比越大;实验工况下平均Nu数随Re数增加而增大,在层流状态下,潜热型功能热流体的平均Nu数是对应状态下纯水的2-3倍;圆管进出口压降随Re数的增加而增大。
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