相变微胶囊乳液小通道内对流换热特性实验研究

锂离子电池在高环境温度、高倍率充放电等恶劣工况下易发生热失控,进而引发电动汽车整车安全问题,因此,锂离子电池的热安全逐渐成为制约电动汽车发展的关键因素之一。为加快电池热量传递,避免电池内部热量堆积,本文针对采用液体作为传热介质的电池热管理过程,结合相变微胶囊相变过程温度近似恒定但相变潜热大的特点,采用微胶囊乳液为传热介质,制备了两种相变微胶囊乳液,并搭建了小通道内相变微胶囊乳液对流换热实验台,研究了雷诺数、斯蒂芬数、胶囊质量分数等对乳液在小通道内的对流换热特性、温度分布等的影响规律,主要研究内容及结论如下:(1)选择石蜡/二氧化硅、正二十烷/聚甲基丙烯酸甲酯和石蜡/脲醛树脂三种微胶囊颗粒制备乳液,并对其稳定性、热物性进行了实验研究。结果表明,与石蜡/脲醛树脂相比,石蜡/二氧化硅和正二十烷/聚甲基丙烯酸甲酯微胶囊颗粒的热稳定性较好,可以用来制备微胶囊乳液。当微胶囊颗粒的质量分数分别为5 wt.%、10 wt.%、20 wt.%和30 wt.%时,石蜡/二氧化硅和正二十烷/聚甲基丙烯酸甲酯相变微胶囊乳液在不同温度下的导热系数与Maxwell公式的理论结果一致,且相对误差仅在3%以内。当胶囊质量分数大于20 wt.%时,乳液粘度呈幂函数增长,与Vand粘度公式的趋势也一致。(2)搭建了微胶囊乳液对流换热实验台,研究雷诺数、斯蒂芬数、胶囊质量分数等对直管内微胶囊乳液对流换热特性的影响规律。采用热平衡实验等验证了实验台的准确性(实验结果与经验公式相对误差在±9.0%以内)。实验结果表明,增加雷诺数或质量分数可强化复合流体的对流换热性能。在雷诺数为80,斯蒂芬数为13.9的工况下,质量分数为20 wt.%的微胶囊乳液平均表面传热系数比基液提高64.1%。在入口段(微胶囊乳液没有达到相变温度时),质量分数为10 wt.%的相变微胶囊乳液使无量纲壁面温度相对降低了20.2%。(3)为探究管径、管型等对微胶囊乳液对流换热特性的影响规律,改进对流换热实验台,测试了内径为3 mm和6 mm的直管、U型管和螺旋管内微胶囊乳液的对流换热特性。结果表明,缩小管径可有效提高对流换热强度。以U型管和螺旋管为例,内径为3 mm的U型管和螺旋管的平均表面传热系数比内径为6mm的管道分别相对提高了103.4%和124.7%。对于U型管来说,流量增加后,管道的弯头处会产生二次流,破坏换热壁面的温度边界层,强化换热性能。