相变微胶囊粉体的传热分析 郑兴华.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143270 相变微胶囊的传热分析 郑兴华1，岳鹏1,2，邱琳1,*，李玉华1，王刚唐大伟1 （1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049） （Tel: 010E-mail：qiulin@.cn） 摘 要：相变储能微胶囊 关键词：脲醛树脂石蜡 0 前言 微胶囊化可以将功能物质封装转变成无数微小工作单元，可使其具有特殊性质和用途，大大扩展了各种材料的使用领域和场合。随着高分子科学和技术的发展，微胶囊的制备方法也得到了长足的发展，因此多种多样的微胶囊逐渐开发出来，在药物控制释放、生物制品、涂料、阻燃剂、纺织、感光材料以及相变材料等领域得到了广泛的应用[1]。 随着能源危机日益加剧，如何节能和实现能源再生及回收利用已成为亟待解决的问题。利用相变材料的相变潜热进行能量的储存(蓄冷、蓄热是一项新型的节能技术，它可以解决能源的需求与供给之间在时间和空间上的不匹配，实现对能源进行高效管理。将微胶囊技术与相变储能这一理念结合，制备相变储能微胶囊，利用先进的测量技术精确测量相变微胶囊的热物性参数，是解决这一问题的有效途径及基础。 2]，采用3ω谐波探测技术[3]测量得到的有效热导率为依据，通过分析样品的传热过程，建立相应的有效热导率理论模型。 1传热理论模型分析 根据质量守恒定理可得： 式中，代表密度，下标mu、g、u及ug分别代表脲醛树脂粉体样品、气体（空气）、脲醛树脂及脲醛树脂粉体中的空气，ε代表体积百分比（对于气体则为孔隙率）。脲醛树脂粉末有效密度按照测量值计算，空气密度及脲醛树脂密度按照文献[4]及[5]计算。 如图1，假定相变微胶囊颗粒为均匀球体，6]，采用复合球体法计算单个颗粒的热导率，根据文献[7]，对于单个相变微胶囊颗粒、相变微胶囊壳及相变微胶囊核分别有： 基金项目：国家自然科学基金（NO.51306183） 国家重大科学研究计划（NO. 2012CB933200 图1 相变微胶囊导热分析示意图 根据能量守恒，联立式、及可得： 式中，r代表半径，下标p、c及u分别代表相变微胶囊颗粒、胶囊核材（石蜡）及壳材（脲醛树脂）。即 相变微胶囊颗粒及相变微胶囊粉体密度由下式计算： 其中，下标mp代表相变微胶囊粉体，pg代表相变微胶囊粉体样品中的空气。 联立上两式可得： 对于相变微胶囊粉体样品，可以为是相变微胶囊颗粒分散于空气中。目前对于复合材料的有效热导率计算方法主要有并联热阻法[4]、串联热阻法[4]、Maxwell模型[4]及Bruggman模型[6]。 1.1并联热阻法 采用并联热阻法，脲醛树脂粉体样品的有效热导率由下式计算： 则脲醛树脂热导率为： 采用并联热阻法，相变微胶囊粉体样品的有效热导率由下式计算： 将式、及带入上式可得： 1.2联热阻法 采用串联热阻法，脲醛树脂粉体样品的有效热导率由下式计算： 则脲醛树脂热导率为： 采用串联热阻法，相变微胶囊粉体样品的有效热导率由下式计算： 将式、及带入上式可得： 1.3 Maxwell模型 采用Maxwell模型，脲醛树脂粉体样品的有效热导率由下式计算： 则脲醛树脂热导率为： 采用Maxwell模型，相变微胶囊粉体样品的有效热导率由下式计算： 将式6)带入上式可得： 联立式、及即可获得相变微胶囊粉体样品Maxwell模型的有效热导率。 1.4 Bruggman模型 脲醛树脂粉体有效热导率由式（22）计算： 相变微胶囊粉体有效热导率由下式计算： 联立式、及可获得相变微胶囊粉体样品Bruggman模型有效热导率。 本文中石蜡脲醛树脂在不同温度的有效热导率按照2]计算，空气在不同温度的热导率按照文献[4]中计算。 对于密度为110 g/L壳芯比分别为17/83图2展示了分别采用并联、串联、Maxwell模型、Bruggman模型计算样品有效热导率及测量值。图中可见，使用并联计算的结果最大，串联结果最小，其他计算结果均处于这两种计算结果之间。由于Maxwell模型是考虑少量颗粒分散于流体中，忽略了颗粒间的相互传热，因此其计算结果接近并联计算结果，远大于测量值。相对于Maxwell模型，Bruggman模型添加了颗粒间的