高性能微/纳米相变乳液的制备、特性及其应用研究

提高流体的比热容是实现强化传热的重要手段。将发生相变时能吸收或释放大量潜热的相变材料引入到常规传热流体中是提升其比热容的有效途径。将有机相变材料在乳化剂作用下直接分散到水中所得的相变乳液具有比热容大、制备工艺简单和成本低等特点,是一种具有发展潜力的新型传热流体。对于常规的微米级相变乳液来说,稳定性差、过冷度大以及导热系数低是制约其实际应用的主要问题;而纳米乳液因液滴尺寸在纳米尺度范围内则具有稳定性好的特性,探索其应用性能则是推进其实用化进程的前提。本论文致力于研制稳定性好、过冷度小且导热系数高的高性能微米级相变乳液以及将纳米相变乳液用作锂离子电池液体冷却系统工作介质的性能研究,并取得了以下研究成果。为了制备稳定性好且过冷度小的相变乳液,首次探索了由聚乙烯醇(PVA)和聚乙二醇(PEG-600)复配的复合高分子型乳化剂来制备石蜡/水微米级相变乳液。考察PVA和PEG-600的质量比、复合乳化剂与石蜡的质量比和均质乳化速率等工艺参数对20 wt%石蜡/水相变乳液的粒径分布、稳定性和黏度的影响。研究表明,适宜的乳化工艺条件为:PVA和PEG-600的质量比为50:50、复合乳化剂和石蜡质量比为1:5以及均化速率为10000 rpm。所得相变乳液经冷热循环试验表明具有良好的分散稳定性。采用该复合型高分子乳化剂制备的不同石蜡质量分数相变乳液都没有出现明显过冷。所得相变乳液的最大比热容是水的1.51-2.18倍。在相同蓄热量下,相变乳液消耗的泵功率比水小;当蓄热量为26 kW时,20 wt%相变乳液消耗的泵功率仅为水的33.2%。针对新型的直接吸收式太阳能集热器,研制了稳定性好、过冷度小、导热系数高且具光热转化性能的纳米石墨粉改性相变乳液用作工作流体。具体地,将纳米石墨粉添加到上述研制含复合高分子型乳化剂的相变乳液中,考察了纳米石墨粉添加量以及石蜡质量分数等参数对所得改性相变乳液的相变温度、相变焓、过冷度、导热系数以及光热转化性能的影响,以实现性能优化。结果表明,纳米石墨粉改性相变乳液的导热系数和吸光度随纳米石墨粉质量分数的增加而增大,随石蜡质量分数的增加而逐渐降低;纳米石墨粉改性相变乳液的吸光度需与其导热系数相匹配,才能避免因样品中的水蒸发引起入射光强度的削弱;0.07 wt%纳米石墨粉改性的20 wt%相变乳液的光热转化性能最好,其蓄热量是水的1.64倍。研究发现,0.07 wt%纳米石墨粉改性的20 wt%相变乳液具有良好的热可靠性和分散稳定性。为了克服蓄冷相变乳液普遍存在的稳定性差、过冷度大且导热系数低等问题,提出了通过添加纳米石墨粉来同时解决上述问题的创新方案,制备了纳米石墨改性OP10E/水相变乳液。考察了纳米石墨含量对所得蓄冷乳液的过冷度、导热系数、分散稳定性和热可靠性的影响。结果表明,纳米石墨粉质量分数为2 wt%时,纳米石墨粉改性相变乳液的过冷度从9.9℃降至0℃,但相变焓几乎没有改变,导热系数比纯相变乳液提高了88.9%,显示出纳米石墨粉在降低相变乳液过冷度并提升导热系数上的作用;存储30天和冷热循环300次后的测试表明,含2 wt%纳米石墨粉的相变乳液具有良好的分散稳定性和热可靠性。率先将纳米相变乳液用作锂离子电池液体冷却系统的新型工作介质,研究了其应用性能。具体地,采用超声乳化法制备了不同质量分数的OP28E/水纳米相变乳液,考察了纳米相变乳液的质量分数对电池热管理系统的最大温升、最大温差以及压降等特性的影响,并运用数值模拟对相变乳液的流量进行了优化。研究表明,所得纳米相变乳液的平均粒径都小于200 nm。10 wt%和20 wt%纳米相变乳液的最大表观比热容分别是水的2.3倍和4.7倍。纳米相变乳液近似为牛顿流体,表观黏度均小于5.11 mPa·s,符合泵输送系统的要求。当冷却液流速为200 mL·min~(-1)和放电倍率为2 C时,以10 wt%纳米相变乳液作为冷却液的电池组的最高温度和最大温度分别比以水作为冷却液的电池组的低1.1℃和0.4℃,而其总压降仅比水的高1.6%。数值模拟结果表明,电池组的最高温度和最大温差随着流量的增加而减小,且10 wt%相变乳液的电池热管理性能比水的好。