相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内流动传热的实验研究

论文摘要

随着现代科学技术的发展,热量传递现象大量出现在能源动力、航空航天、电子设备、核能等技术领域。强化传热不仅可提高能量系统的效率,而且可能降低热量输运系统的尺寸和费用,同时可大大降低热量输运过程中的能耗,对节能和环保意义重大。相变材料微胶囊（microencapsulated phase change material, MEPCM）是指通过微胶囊制备技术将相变材料封装在质密且具有一定弹性的聚合物外壳内的新颖材料,MEPCM颗粒的粒径为11000μm。MEPCM颗粒可以和流体（如水,乙二醇等）混合,形成MEPCM悬浮液。由于MEPCM颗粒在相变过程中能够吸收/释放大量潜热、微小的MEPCM颗粒具有非常大的比表面积以及悬浮液流动中MEPCM颗粒之间的相互作用等因素,MEPCM颗粒被认为能够大大强化流体的对流传热过程。在最近十年里,对持续增加的热流密度进行冷却的要求集中体现在高功率电子设备冷却以及微小系统的热控制等新技术领域。这些事实启发了我们开展MEPCM悬浮液─这一高热容流体,在矩形微/小尺寸（Dh < 3 mm）通道内的对流传热规律研究,为高功率电子设备以及微系统提供更加有效的冷却技术。研究MEPCM悬浮液在矩形微小通道内的流动和传热规律能够为设计相应的电子设备热沉提供必要的理论知识和工程数据,这一点区别于过去的、世界范围内的对MEPCM悬浮液在传统尺寸圆管内的流动传热问题研究。在本论文研究中,主要采用了实验研究的方法,并辅以一定的数值模拟,对比研究具有各种质量浓度的MEPCM悬浮液在矩形的小通道内层流流动与传热的特征。本研究中使用的MEPCM颗粒的平均粒径为4.97μm,近似密度为867.2 kg/m3; MEPCM芯材为正十八烷（熔点约为28°C）,MEPCM的壁材是聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethaerylat,PMMA）。在实验中,质量浓度为0-20%的MEPCM-水悬浮液在三条平行的矩形小通道（宽2 mm,高4.2 mm,水力直径Dh=2.71 mm以及长150 mm）内层流流动。本论文研究的主要内容以及结论如下:（1）建立了新的MEPCM悬浮液在矩形小通道内流动传热的实验装置。巧妙地设计并加工了小通道测试件,以实现流体在三条平行小通道内等流量分配。（2）对实验中用的MEPCM颗粒及其悬浮液进行了DSC热分析,得到MEPCM颗粒近似的相变温度范围是24°C-29°C,这个温度范围内的熔解相变焓约为147.1 kJ/kg。采用旋转式柱状流变仪测量了MEPCM悬浮液（质量浓度为5%-20%）的流变性能和整体粘度,测量表明MEPCM悬浮液的整体粘度随着质量浓度的增加而显著增加,并且MEPCM悬浮液表现出一些非牛顿流体的特性。（3）实验测量了MEPCM悬浮液在矩形小通道内的层流Darcy摩擦因子以及流动压降。实验测量表明,质量浓度为5%的悬浮液的摩擦因子在层流区与连续性牛顿流体的理论值符合得较好;对于浓度更大的悬浮液（ c =10%20%）,MEPCM悬浮液的层流摩擦因子稍小于牛顿流体的理论值,但并不随悬浮液的浓度值有明显的改变。MEPCM悬浮液在小通道内的流动压降随着悬浮液的质量浓度的增加而增加,也随着悬浮液在通道内流速的增加而增加;并且当质量浓度大于10%时,悬浮液的流动压降增加的更加显著。（4）对MEPCM悬浮液在小通道内的层流流动传热性能进行了对比性实验和三维数值模拟研究。研究发现,MEPCM悬浮液的质量浓度、质量流量和壁面加热热流对悬浮液的冷却性能有着重要的影响。与水相比,在低质量流量情况下,即M=0.05 kg/min,MEPCM悬浮液表现出更好的冷却性能,对应着比水更低的壁面温度,相应的壁面温度上升值随MEPCM质量浓度的增加而下降的愈加显著。随着质量流量的增加,MEPCM悬浮液相对（水）冷却效果变得越来越不好,相应的壁面温度与水接近或高于水的壁面温度,并且壁面温度上升值随MEPCM质量浓度的增加而上升的愈加显著。实验也发现,质量浓度为5%的悬浮液在在整个质量流量范围内（0.05 kg/min-0.35 kg/min）总是表现出比水好的冷却性能,对应着比水低的壁面温度。（5）论文从MEPCM颗粒对流体热边界层影响的角度去定性分析悬浮液质量浓度、质量流量以及通道壁面加热热流大小对MEPCM悬浮液在小通道内流动传热性能的影响。（6）对MEPCM悬浮液在矩形小通道内的传热以及流动功耗进行综合分析表明,对具有目前的几何参数配置的小通道换热器而言,质量浓度为5%的MEPCM悬浮液工作效能与水相当,且能获得比水更低的壁面温度;而质量浓度大于10%的MEPCM悬浮液工作效能比水要低,且随浓度的增加而迅速降低;但是在小质量流量的情况下,使用高浓度的MEPCM悬浮液能获得更低的壁面温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 相变材料与相变蓄热
• 1.2 典型的相变材料
• 1.3 相变材料微胶囊
• 1.3.1 什么是微胶囊
• 1.3.2 相变材料微胶囊的制备
• 1.4 相变材料微胶囊的典型应用
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 相变材料微胶囊的制备
• 2.2 MEPCM / PCM 悬浮液流动传热
• 2.3 微/小通道内流体流动传热
• 2.4 本章小结
• 第三章 流体流动与传热的理论基础
• 3.1 通道内流体流动基础理论
• 3.2 通道内流体层流传热理论
• 3.2.1 矩形通道内的热充分发展层流流动
• 3.2.2 热入口长度问题
• 第四章 相变材料微胶囊及其悬浮液的热物理性质
• 4.1 相变材料微胶囊及其悬浮液的密度
• 4.2 相变材料微胶囊及其悬浮液的比热
• 4.3 相变材料微胶囊及其悬浮液的导热系数
• 4.4 相变材料微胶囊悬浮液的粘度
• 4.5 相变材料微胶囊及其悬浮液的DSC 热分析
• 4.6 实验中相变材料微胶囊及其悬浮液的热物理性质
• 第五章 实验装置的设计与开发
• 5.1 实验系统介绍
• 5.2 测试装置
• 5.3 小通道测试件设计的辅助计算
• 5.3.1 计算不同的几何参数配置条件下铜块内的温度分布
• 5.3.2 肋片效率
• 5.3.3 多通道内流量分配
• 5.4 数据采集系统
• 5.5 实验系统其它部件的设计
• 5.5.1 蠕动泵和流动脉动抑制器
• 5.5.2 隔热壳体
• 5.5.3 隔热的底板
• 5.5.4 透明的盖板
• 5.5.5 储液罐
• 5.6 相变材料微胶囊悬浮液质量流量的测量以及流量计的校准
• 5.7 热电偶的校准
• 5.8 加热功率的测量
• 第六章 实验测量与数据分析
• 6.1 相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内流动的摩擦阻力特性测量
• 6.1.1 压差测量的方法以及系统测量的可重复性
• 6.1.2 数据处理与误差分析
• 6.1.3 摩擦因子
• 6.1.4 压降
• 6.2 相变材料微胶囊悬浮液在矩形小通道内层流流动传热特征的测量
• 6.2.1 测试装置向外界环境散热损失
• 6.2.2 数据处理与误差分析
• 6.2.3 实验结果与讨论
• 6.3 理论分析悬浮液浓度、质量流量和壁面热流对相变材料微胶囊悬浮液流动传热性能的影响
• 6.3.1 质量流量对相变材料微胶囊悬浮液小通道内流动传热的影响
• 6.3.2 壁面热流对 MEPCM 悬浮液小通道内冷却性能的影响
• 6.3.3 MEPCM 悬浮液层流 Nusselt 数的关系式
• 6.4 相变材料微胶囊悬浮液的流动传热和功耗
• 6.5 本章小结
• 第七章 数值计算
• 7.1 相变材料微胶囊悬浮液在小通道内流动传热的三维数值模拟
• 7.1.1 计算模型
• 7.1.2 数值计算结果与实验结果的比较与讨论
• 7.2 单个相变材料微胶囊颗粒内熔解相变传热
• 7.2.1 相变材料微胶囊颗粒粒径对相变传热的影响
• 7.2.2 相变材料微胶囊芯材质量含量对熔解相变时间的影响
• 7.2.3 流体的温度对相变材料微胶囊熔解相变时间的影响
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介