相变微胶囊悬浮液圆管内换热特性模拟

相变微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的相变潜热，可以减小温度的变化程度，且比单相流体具有更高的对流换热系数，成为广泛关注的新型热工流体。本文针对相变微胶囊悬浮液在等热流边界条件下的管内层流，根据差示扫描量热法所得到的相变温度范围，采用矩形等效比热容模型，进行了数值模拟分析，并结合以溴代十六烷为相变材料的相变微胶囊悬浮液的实验数据，将数值模拟结果与实验结果对比并进行误差分析。又对在不同质量分数、不同热流密度条件下的对流换热进行研究，分析了不同参数对对流换热强度的影响。并通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液圆管内对流换热关联式。然后改变管径、流速条件重新模拟验证该关联式的通用性，其结果表明模拟结果与预测公式高度吻合，该关联式的通用性较好。     

矩形微通道内相变微胶囊悬浮液换热特性

与常规传热流体相比,相变微胶囊悬浮液因具有较大的表观比热和较高的热能存储容量而具有良好的应用前景。基于此背景,通过实验研究了蒸馏水、1.0%和2.5%浓度的相变微胶囊悬浮液在长100mm,宽度和深度都为0.5mm的矩形微通道中的换热特性。相变微胶囊悬浮液因具有较大的相变潜热、颗粒的扰动和颗粒周围的微对流而表现出比蒸馏水更好的换热性能。相比于蒸馏水,相变微胶囊悬浮液对应的平均Nu更大一些,且当Re增大时,Nu也随之增大;在Re不变的情况下,相变微胶囊悬浮液使通道平均壁面温度比蒸馏水的更低;随着相变微胶囊悬浮液浓度的增加,换热性能增强。     

相变微胶囊悬浮液在微槽道内的流动换热模拟

基于CFD-DPM模型研究定热流壁面条件下二维微槽道内相变微胶囊悬浮液的层流对流换热特性,并结合DSC测试结果采用等效比热模型对相变微胶囊相变特性进行表征,和水的特点进行对比,讨论了相变微胶囊质量分数、有无壁面热阻等因素的影响。结果发现:相变微胶囊悬浮液冷却特性明显优于单质水,并且随着质量分数的增加,模拟相变融化区长度不断增加,最大强化率可达15.7%;从模拟结果中可以明显看出:由于存在微胶囊的相变吸热,流体温度明显低于单质水,平均流体温度明显降低。当存在相变微胶囊颗粒壁面热阻时,换热强度明显小于无壁材情况,对比有无壁面热阻情况下,结果可以发现当存在壁面热阻时,其融化起始点要晚一点,但是对相变吸热的效果影响不大。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部（θ=8.6°）和超疏水顶部（θ=156.1°）的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面（θ=88.1°）提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明：非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

微小管道内相变微胶囊悬浮液换热特性

通过实验研究了去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液在1mm、2mm管道内换热特性,结果表明:在Reynolds数Re=400~1000,1mm管道内去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液局部Nusselt数Nux均比2mm管道的小,分析其原因,这主要是由于1mm管道壁厚管径比大导致的轴向导热比2mm管道强引起的;1mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒能够增强与管壁之间对流换热,且随着Re的增加,Nux增大,而2mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒,构成10%浓度相变微胶囊悬浮液,表现出比水更差的换热特性,并且随着Re的增加Nu_x降低。     

微小管道内相变微胶囊悬浮液换热特性

通过实验研究了去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液在1 mm、2 mm管道内换热特性,结果表明：在Reynolds数Re=400～1000,1 mm管道内去离子水和10%浓度相变微胶囊悬浮液局部Nusselt数Nu_x均比2 mm 管道的小,分析其原因,这主要是由于1 mm管道壁厚管径比大导致的轴向导热比2 mm管道强引起的;1 mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒能够增强与管壁之间对流换热,且随着Re的增加,Nu_x增大,而2 mm管道内去离子水中加入相变微胶囊颗粒,构成10%浓度相变微胶囊悬浮液,表现出比水更差的换热特性,并且随着Re的增加Nu_x降低。     

细小圆管内Micro-PCMS紊流对流传热特性的CFD?DPM模拟

基于计算流体动力学?离散相模型模拟研究恒热流密度条件下3D圆形管道内相变微胶囊悬浮液(Micro-PCMS)紊流的对流传热特性,讨论了微胶囊质量分数对管道内悬浮液速度、温度及壁面温度的影响,获得了沿流动方向不同截面的速度分布、温度分布及修正的局部Nu数.结果表明,靠近管道壁面处,相变微胶囊的存在使悬浮液速度降低,且随其含量增加而降低愈加明显;管内悬浮液温度分布分为非融化区、融化区和完全融化区;管道壁面温度、悬浮液出口温度均比纯水降低,相变微胶囊含量为12%,16%,20%(?)时,出口处悬浮液温度分别降低25.5%,33.9%,42.4%,壁面温度分别降低23.9%,31.0%,39.2%.且因存在相变吸热及扰动的共同效应,管道内温度分布从规则的抛物线形逐渐演变为具有尖峰的曲线.     

相变微胶囊的制备及其在微通道的应用进展

相变微胶囊是一种性能良好、稳定性强的相变储能材料,其热导率偏低,但对相变微胶囊进行改性以及优化换热条件可以提高热导率。本文系统地介绍了相变微胶囊与改性相变微胶囊的制备方法,以及两者的区别。文章指出,对比分析可知,原位聚合法是制备改性相变微胶囊最常用的方法,对壁材进行改性是最常用的改性方法,并且在众多改性材料中氧化石墨烯是一种高导热、力学性能优异、稳定性强的改性材料。同时,文中对相变微胶囊和改性相变微胶囊在微通道换热器中的应用进行概述与总结,指出其中存在的问题：相变微胶囊与微通道换热器的结合,在提升换热效果的同时还存在着增加流动阻力和压降的问题。因此需要确定悬浮液流动的临界速度,充分发挥相变微胶囊与微通道换热器的优势。     

细小槽道换热器内相变微胶囊悬浮液对流传热DPM模拟

基于离散相模型,采用颗粒比热容随温度变化分段函数描述颗粒的相变过程,模拟了相变微胶囊悬浮液在细小槽道换热器内的对流传热特性,考察了不同入口流量时换热器进出口压差及温差的变化规律,并与纯水进行比较,分析了换热器内部及加热面温度分布,研究了换热器典型通道修正的局部努赛尔数Nux*沿流动方向的变化规律. 结果表明,相变微胶囊悬浮液在换热器内的压损随流量变化规律与纯水一致,较纯水有所增大;引入相变微胶囊颗粒减缓了加热面和流体温度升高的速率,使换热器出口及加热面的温度比纯水低;受进出口位置影响,换热器内温度呈现中间通道低、向两侧逐渐升高的分布规律. 不同通道的Nux*沿流动方向的变化规律存在一定差异,部分通道内相变材料完全融化,而部分通道内相变材料尚未完全融化就流出换热器. 需改进换热器进出口位置或对换热器内部结构进行优化设计以获得较好的流量分配特性,从而改善换热效果.     

圆管内氧化石墨烯MPCM悬浮液对流传热实验研究

由于氧化石墨烯(GO)的高热导率特性,将其添加至相变微胶囊颗粒内,以提高以其为基材制备的悬浮液的热导率,从而进一步强化传热。分别测试了纯水、5wt%相变微胶囊悬浮液(MPCMS)、5wt%和10wt%复合氧化石墨烯的相变微胶囊悬浮液(GO-MPCMS)的传热特性,分析讨论了壁面热流密度、雷诺数(Re)等参数的影响。结果表明,由于相变过程的影响,圆管壁面和流体温度分布呈现上升、平直、上升的变化规律;相同实验条件下,当工质为悬浮液时壁面温度与流体温度比纯水低;颗粒浓度和GO均对传热产生较大影响,相同质量分数(5wt%)时,添加GO时可使稳定后的局部努塞尔数(Nu_x)进一步提升8个百分点,颗粒质量分数由5wt%增至10wt%时,Nu_x又增加了20个百分点;与纯水相比,同时考虑GO和微胶囊颗粒的影响,相同实验条件下,相变微胶囊悬浮液平均努塞尔数(Nu)可提升1.0～2.0倍。     

Dynamic Heat Transfer Characteristics Modeling of Microencapsulated Phase Change Material Slurries

Convective heat transfer characteristics of microencapsulated phase change material slurries (MPCSs) flowing in a circular tube under constant heat flux are studied and a feasible heat transfer model is presented. The heat transfer coefficient of MPCS and the wall temperature of the circular tube are simulated. The simulation results agree qualitatively with the experimental results. The effects of Stefan (Ste) number, mass concentration, phase change temperature range, and Reynolds (Re) number on heat transfer characteristics are discussed. The results indicate that the Ste‐number and mass fraction are the most important parameters influencing heat transfer properties compared to the phase change temperature range and Re‐number which less affect these characteristics.     

无机芯微胶囊相变材料的研究进展

综合了近几年对无机芯相变微胶囊的报道,针对微胶囊相变材料（MCPCM）做了总结与概括,从其制备方法和应用领域进行了系统研究,并探讨了现存的问题以及需改进的方面。得到以下结论：微胶囊相变材料（MCPCM）是采用微胶囊封装技术对固-液型相变材料包覆封装的具有核壳结构的复合材料,可广泛地应用在太阳能光热储存、工业余热回收和传热流体领域。无机相变材料具有高储热密度、相变温度恒定、低成本等优点,因此无机芯微胶囊相变材料具有更好的应用空间。但目前采用的微胶囊相变材料也有其自身的缺点,如聚合物导热系数低,相变温度范围小等,有待于进一步研究。     

乳化剂用量对石蜡微胶囊性能的影响

针对太阳能利用以及一些蓄热场合,选取了熔点合适的石蜡,以脲醛树脂为囊壁,采用原位聚合法制备了石蜡—脲醛树脂微胶囊,拟将此微胶囊添加到上述应用场合的传热流体中,提高传热流体的热容。探讨了乳化剂用量对微胶囊蓄热性能和表观形态的影响,可望为工业化生产应用、开发新的储热材料提供技术指导。     

基于离散相模型的相变微胶囊流体传热特性数值模拟

相变材料微胶囊悬浮液是将相变微胶囊颗粒添加至单相流体中形成的一种新型传热介质，由于传热系数高、传热储能一体化等优势，具备很大的发展潜力。采用离散相两相流模型，对恒热流水平圆管中相变微胶囊流体的传热特性进行了模拟计算，通过对比实验数据验证了模型的可靠性，进而定量分析了颗粒尺寸、质量分数、相变潜热，特别是颗粒分布对传热的影响。结果表明随着微胶囊颗粒质量分数增加，颗粒粒径减小，相变潜热增大，壁面传热效果越好，且相变潜热大小对壁温控制和壁面传热的影响大于颗粒质量分数和颗粒尺寸的影响。比较了离散相模型与常用的单相流模型的计算结果，发现质量分数越高，颗粒集聚程度越高，单相流模型计算的偏差越大。     

泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究

超临界CO₂工质在太阳能热发电系统中的应用能够有效提升整个系统的效率、紧凑性和环境友好性，因此有必要优化超临界CO₂用太阳能集热器的综合性能。提出了泡沫材料有效热导率新的预测模型，并研究了不同泡沫材料填充方式对集热管内超临界CO₂流动与换热性能、管壁温度分布的影响规律。结果表明，环形填充方式（沿管内壁填充）的流动换热综合性能指标(j/j _c)/(f/f _c)^1/3最优，净吸热量最大，管壁最高温度最低且温度分布最均匀。     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

Conjugate heat transfer of laminar mixed convection of a nanofluid through an inclined tube with circumferentially non-uniform heating

Laminar mixed convection of a nanofluid consisting of water and Al₂O₃ in an inclined tube with heating at the top half surface of a copper tube has been studied numerically. The bottom half of the tube wall is assumed to be adiabatic (presenting a tube of a solar collector). Heat conduction mechanism through the tube wall is considered. Three-dimensional governing equations with using two-phase mixture model have been solved to investigate hydrodynamic and thermal behaviours of the nanofluid over wide range of nanoparticle volume fractions. For a given nanoparticle mean diameter the effects of nanoparticle volume fractions on the hydrodynamics and thermal parameters are presented and discussed at different Richardson numbers and different tube inclinations. Significant augmentation on the heat transfer coefficient as well as on the wall shear stress is seen.