呂　珊, 仇中柱, 秦承芳, 羅　鵬

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上?！?00090)

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影響微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性因素的理論分析

呂珊, 仇中柱, 秦承芳, 羅鵬

(上海電力學(xué)院 能源與機械工程學(xué)院, 上海200090)

為了探究影響微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性的因素,通過改變相變顆粒粒徑以及基液,配制不同種類的微膠囊相變懸浮液.在實驗基礎(chǔ)上,建立數(shù)學(xué)模型,分析計算了影響其穩(wěn)定性的各個因素及其所占權(quán)重.結(jié)果表明:在實驗條件下,相變微膠囊顆粒的粒徑以及基液的動力粘度對穩(wěn)定性的影響有決定作用.

微膠囊相變懸浮液; 動力粘度; 穩(wěn)定性

自過去10年里,相變材料在儲能領(lǐng)域作為一門新技術(shù)被提出以后,因其儲能容量大,熱傳遞發(fā)生在近似恒定的溫度,流體導(dǎo)熱系數(shù)較高,具有顯熱儲能無法比擬的優(yōu)點[1],引起了學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用界的廣泛關(guān)注.將相變微膠囊材料均勻分散在流體介質(zhì)中形成穩(wěn)定的潛熱儲熱液(微膠囊相變懸浮液),是對其進行深入研究的第一步.現(xiàn)有的微膠囊相變懸浮液的制備方法主要為 “兩步法”[2-3].

因為微膠囊相變顆粒的比表面積極大,具有極高的表面能,易造成懸浮液的熱力學(xué)不穩(wěn)定;相變顆粒的密度通常與基液的密度不匹配,造成相變懸浮液的動力學(xué)不穩(wěn)定性,最終導(dǎo)致相變顆粒在重力場的作用下發(fā)生上浮或下沉.但通過改變顆粒粒徑,調(diào)整基液的配比可顯著提高相變懸浮液的穩(wěn)定性.SCHARBART P等人[4]利用低能乳化方法制得了不同種類的納米流體,分析出顆粒粒徑會顯著影響懸浮液的穩(wěn)定性,同時導(dǎo)致過冷現(xiàn)象的發(fā)生.GUNTHER E等人[5]使用增稠劑來緩解懸浮液的分層現(xiàn)象,但伴隨著懸浮液粘度的增加,導(dǎo)致泵功增加.

本文利用不同粒徑的微膠囊顆粒以及不同種類的基液進行實驗,建立數(shù)學(xué)模型探討影響微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性的因素,為采用兩步法獲取穩(wěn)定性時間長的微膠囊相變懸浮液提供理論依據(jù).

1　微膠囊相變懸浮液的配制及穩(wěn)定性觀察

1.1實驗樣品與裝置

實驗用微膠囊相變材料是名義粒徑分別為20 μm和5 μm的MPCM28(美國Microtek公司),芯材為石蠟混合物,殼材為三聚氰胺甲醛樹脂,相變溫度為28 ℃,密度約為0.9 g/cm3.3種基液分別為水、丙醇以及密度為0.933 g/cm3的丙醇/水混合基液.水、丙醇、丙醇/水混合溶液這3種基液的動力粘度不等.實驗所用基液的物性參數(shù)如表1所示[6-7].

表1　基液在20 ℃時的物性參數(shù)

實驗用流變儀為德國安東帕MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀,該流變儀是應(yīng)力/應(yīng)變控制流變儀,扭矩范圍為0.01～2.0×105μNm.電子天平(上海方瑞實驗儀器),測量精度為0.001 g.液體電子密度計(上海雋思實驗儀器),測量范圍為0.001～99.999 g/cm3,測量精度為0.001 g/cm3.

1.2實驗方法

將名義粒徑為20 μm和5 μm的MPCM28取適量分別置于3種基液中,使用高速剪切乳化機以2 000 r/min攪拌10 min后置于恒溫磁力攪拌器以600 r/min攪拌3 h,最后將懸浮液置于超聲波震蕩器中,以16 kHz頻率震蕩10 min.配得質(zhì)量濃度為5 wt.%和10 wt.%的兩種顆粒粒徑的微膠囊相變懸浮液.

1.3實驗結(jié)果

圖1為靜置0 h和12 h時,微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性情況.

圖1　微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性觀察圖像

在靜置初期,各懸浮液的穩(wěn)定性相當(dāng).靜置12 h后,基液為水的懸浮液試管中均出現(xiàn)了顆粒上浮,基液為丙醇的懸浮液試管中顆粒發(fā)生了沉降,基液為丙醇/水混合溶液試管中顆粒少部分上浮.從長期效果來看,基液為丙醇/水混合溶液的微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性最好.而在同一質(zhì)量濃度下,名義粒徑為5 μm的MPCM28顆粒比名義粒徑為20 μm的顆粒穩(wěn)定性要好.

2　理論分析與結(jié)果

2.1穩(wěn)定性影響因素

微膠囊相變懸浮液中,相變顆粒在基液中均勻穩(wěn)定地分散,須受力平衡,即沉降力和阻力相等.

(1)

(2)

式中:F1——沉降力,N;

F2——阻力,N;

d——顆粒名義粒徑,m;

ρ0——顆粒密度,g/cm3;

ρ1——基液密度,g/cm3;

g——重力加速度,m/s2;

η——基液動力粘度,N·s/m2;

ν0——沉降速度,m/s.

(3)

(4)

由沉降速度表達式可知,當(dāng)ν0=0時,顆粒在基液中受力平衡.顆粒的當(dāng)量直徑、顆粒與基液的密度差、基液的動力黏度是影響懸浮液穩(wěn)定性的重要因素.液固密度差越小,相變顆粒粒徑越小,基液動力粘度越大,微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性越好.這與實驗結(jié)果具有一致性:在微膠囊顆粒分別為20 μm和5 μm的相變懸浮液中,隨著基液動力粘度的增加,穩(wěn)定性逐漸增強；在同一基液下,5 μm的微膠囊顆粒較20 μm的微膠囊顆粒表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性.

2.2顆粒當(dāng)量直徑變化的定量分析

對某一特定的微膠囊相變懸浮液,當(dāng)相變顆粒和基液都已確定時,基液的動力粘度以及顆粒和基液的密度差就為定值.由沉降速度公式發(fā)現(xiàn),沉降速度與顆粒粒徑的二次方成正比,故粒徑對顆粒穩(wěn)定性的影響非常大.而顆粒的等效直徑受顆粒團聚以及基液物性等多方面的影響.下面就從顆粒間受力分析探討顆粒等效直徑的變化.

顆粒分布模型簡化如圖2所示.假設(shè)顆粒為球形,均勻分散在基液中,只有水平和垂直兩個方向的運動.根據(jù)《膠體化學(xué)》,由于顆粒的粒徑均大于5 μm,粒子在各瞬間受到液體分子撞擊,作用力相互抵消的可能性很大,故忽略布朗運動[8].

圖2　顆粒分布簡化模型

2.2.1顆粒間的吸引力(范德華引力)

單個顆粒的質(zhì)量m′為:

(5)

取M克微膠囊顆粒,則含有的顆?？倲?shù)為:

(6)

加入一定量的基液m″,測得混合溶液的密度ρ3,則混合溶液的體積V可計算得:

(7)

單個微膠囊顆粒所占的體積為:

(8)

(9)

式中:a——顆粒質(zhì)心間距.

定義顆粒間距參數(shù)h及無量綱分布參數(shù)X分別為:

(10)

(11)

根據(jù)DLVO理論[9],顆粒間引力FA為:

(12)

式中:A——Hanmker常數(shù)[10],約為10-21J 數(shù)量級.

表2為微膠囊顆粒在0.933 g/cm3的丙醇/水的基液中所受吸引力的大小.顆粒間的吸引力必然和基液的密度有關(guān)系,從文中計算公式可以明顯知道.本文只是計算一種基液中顆粒間的吸引力來說明顆粒間等效直徑的變化,3種基液具有類似結(jié)論,故只選取一種詳細計算說明.由計算可知,相同顆粒粒徑下,隨著溶液質(zhì)量濃度的增加,顆粒間吸引力增大,顆粒間發(fā)生團聚的可能性增加,顆粒的等效直徑增大;在相同質(zhì)量濃度下,顆粒粒徑為5 μm的懸浮液比20 μm的懸浮液顆粒間的吸引力大,顆粒等效直徑的增量越大.由此可見,顆粒間吸引力主要受微膠囊相變懸浮液的質(zhì)量濃度和相變微膠囊粒徑的影響.

表2　不同種類懸浮液中顆粒間的吸引力

2.2.2兩個球形粒子間的排斥力

懸浮液中粒子的斥力位能對抗粒子間吸引力,使溶液保持穩(wěn)定[11].球形粒子間的斥力位能VR為:

(13)

排斥力FR為:

(14)

式中:k——Debye-Huckel理論中離子氛的倒數(shù);

ε——基液的介電常數(shù);

ψ0——顆粒表面電位;

h——兩顆粒間最短距離,h=a-d.

對同一種微膠囊顆粒,在相同質(zhì)量濃度下,顆粒所受的排斥力僅與基液的介電常數(shù)ε有關(guān).基液的介電常數(shù)越大,顆粒間排斥力越大,那么顆粒團聚的可能性越小,等效直徑增加的可能性越小;在基液為某一確定的種類時,顆粒間斥力與顆粒間距離有關(guān).顆粒間距越小,顆粒間斥力越大.

所涉及實驗中的3種基液,水的介電常數(shù)最大,故相同顆粒在水中團聚的幾率最小,顆粒的等效直徑越小.而在相同基液,相同質(zhì)量濃度下,由表2可知,20 μm微膠囊顆粒間距離大于5 μm微膠囊顆粒間距離,所以前者的斥力小于后者,前者當(dāng)量直徑的增量大于后者.

3　結(jié)　論

(1) 實驗觀察顯示,在水、丙醇以及水/丙醇混合基液中,名義粒徑為5 μm的微膠囊相變懸浮液比名義粒徑為20 μm的微膠囊相變懸浮液發(fā)生沉淀的時間晚,穩(wěn)定性保持的時間長.

(2) 由理論分析可知,顆粒的當(dāng)量直徑,顆粒與基液的密度差,基液的動力黏度是影響懸浮液穩(wěn)定性的重要因素.當(dāng)量直徑越小,密度差越小,基液的動力粘度越大,微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性越好.

(3) 同一基液,在相同質(zhì)量濃度下,在不同粒徑顆粒的間距不同會造成受力不同.名義粒徑為5 μm的相變懸浮液顆粒間吸引力大于名義粒徑為20 μm的相變懸浮液顆粒間吸引力;經(jīng)顆粒質(zhì)心間距計算可知,前者顆粒間距遠小于于后者,故名義粒徑為5 μm的微膠囊相變懸浮液的顆粒間排斥力大于名義粒徑為20 μm的顆粒間排斥力,造成前者顆粒當(dāng)量粒徑的增加小于后者.這些因素共同作用的結(jié)果使顆粒粒徑為5 μm的微膠囊相變懸浮的穩(wěn)定性效果比顆粒粒徑為20 μm的微膠囊相變懸浮液好.

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(編輯白林雪)

Analysis of the Stability Factors of Microencapsulated PhaseChange Material Slurry

Lü Shan, QIU Zhongzhu, QIN Chengfang, LUO Peng

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

In order to find the factors which significantly affect the stability of the microencapsulated phase change material slurry,by changing the base fluid and the size of phase change material,different types of phase change suspensions are prepared.Based on the experiment,mathematical model is established,and related factors which affect the stability of suspension were analyzed.The results show that under the experimental conditions,the particle size of the microencapslues and dynamic viscosity of the base fluid are the main factors which influence the stability of the microencapsulated phase change material slurry.

micro-encapsulated phase change suspension; dynamic viscosity; stability

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.003

2015-06-30

簡介：呂珊(1990-),女,在讀碩士,湖北孝感人.主要研究方向為微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性與流變特性.E-mail:lvshang9983@163.com.

上海電力學(xué)院能源與機械工程學(xué)院“十二·五”內(nèi)涵建設(shè)項目(“085”工程).

TK124; TK02

A

1006-4729(2016)03-0221-04