磁性潜热型功能流体的制备与能量传递特性研究

摘要

潜热型功能流体是由相变微胶囊颗粒与传统单相流体构成的一种多相流体，由于相变微胶囊颗粒中的相变材料在发生固-液或液-固相变过程中吸收或释放潜热，它具有一定的储热能力。磁流体是一种具有磁体磁性和液体流动性的功能流体，它的一些热物性参数（如密度、粘度、导热系数等）会随着外磁场的变化而发生改变，因此磁流体是一种“可控”的传热流体，可以用外磁场实现对其流动和热量传递过程的控制。为实现潜热型功能流体的储热与磁流体的可控的有机结合，本文提出了一种全新的功能流体——磁性潜热型功能流体，它由磁性相变微胶囊颗粒与传统的单相流体构成。磁性相变微胶囊颗粒具有与磁性细微颗粒类似的磁性和相变微胶囊的储热能力，因而磁性潜热型功能流体是一种集可控、储热、强化换热功能于一身的新颖的功能流体。本学位论文将从以下几个方面研究磁性潜热型功能流体。
　　 (1)磁性相变微胶囊制备
　　 以石蜡为芯材，脲醛树脂和三聚氰胺改性脲醛树脂为壳材，纳米铁粒子为磁性材料，用原位聚合法制备了磁性相变微胶囊。采用差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)和电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)对样品的热性能、表面形态、磁性能以及微胶囊中纳米铁粒子含量进行了表征和测量。研究了纳米铁粒子的加入对微胶囊的表面形态比饱和磁化强度的影响，对比了两种壳磁性相变微胶囊的表面形貌和强度。磁性相变微胶囊比饱和磁化强度随着纳米铁粒子含量的增加和石蜡用量的减少而增大。与脲醛树脂壳磁性相变微胶囊相比，三聚氰胺改性脲醛树脂壳磁性相变微胶囊具有更好的球形度和更好的强度。
　　 (2)磁性潜热型功能流体表观比热容与导热系数测量
　　 分别采用差示扫描量热仪和瞬态热线装置对磁性潜热型功能流体的表观比热容和导热系数进行了测量。研究了不同配方的磁性相变微胶囊及微胶囊体积分数下流体的表观比热容和导热系数，探索了外磁场对流体导热系数的影响。不同体积分数磁性潜热型功能流体的导热系数比皆随磁场强度的增大而升高，体积分数愈高导热系数比的增幅愈大。
　　 (3)磁性潜热型功能流体对流换热实验研究
　　 搭建了以磁性潜热型功能流体为工质的对流回路实验系统，利用永磁体提供外磁场，研究了磁场作用下磁性潜热型功能流体的运行状况。通过对回路中流体和铜管壁面的温度测量，实验探索了永磁体位置、磁性相变微胶囊体积分数、流体质量流量、加热热流密度等因素对磁性潜热型功能流体对流换热特性的影响。在外加非均匀磁场作用范围内，磁场强度越大，磁性潜热型功能流体的对流换热系数也越大。
　　 (4)磁性潜热型功能流体对流换热数值模拟
　　 在流体动力学、传热学和电磁学的一些重要理论基础上，建立了磁场作用下水平圆管内磁性潜热型功能流体对流换热的宏观数学模型，分析了磁场强度、磁性相变微胶囊体积分数、流体质量流量、加热热流密度等因素对流体对流换热的影响，并揭示了外磁场对磁性潜热型功能流体对流换热的影响机制。磁场对磁性潜热型功能流体的对流换热具有显著的强化作用，强化的原因是磁性相变微胶囊受到磁力作用产生扰动。通过对比壁面温度实验值与计算值，对数学模型和实验系统的合理性进行了相互验证，理论模型可正确地对外加非均匀磁场作用下磁性潜热型功能流体的对流换热特性进行模拟，而实验系统也能较准确地对其对流换热特性进行实验测量。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．3 本文工作简介

2 潜热型功能流体及磁流体介绍

2．1 潜热型功能流体简介

2．1．1 潜热型功能流体的组成及应用

2．1．2 相变材料

2．1．3 相变微胶囊

2．2 磁流体简介

2．2．1 磁流体组成与分类

2．2．2 磁流体制备方法

2．2．3 磁流体特性及应用

2．2．4 磁流体相关磁场理论

2．3 本章小结

3 磁性相变微胶囊的制备

3．1 脲醛树脂壳磁性相变微胶囊制备方法

3．1．1 实验原料

3．1．2 实验步骤

3．1．3 样品表征方法

3．1．4 表面形貌分析

3．1．5 热性能

3．1．6 外加磁场作用下的运动

3．1．7 磁性能与纳米铁粒子含量

3．1．8 比饱和磁化强度与石蜡用量

3．2 三聚氰胺改性脲醛树脂壳磁性相变微胶囊制备方法

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验步骤

3．2．3 两种壳磁性相变微胶囊比较

3．3 纳米铁粒子表面改性

3．4 本章小结

4 磁性潜热型功能流体热物性

4．1 磁性潜热型功能流体制备

4．2 流体比热容与导热系数测量方法

4．2．1 DSC测比热容

4．2．2 瞬态短热线法测流体导热系数

4．3 测量结果与讨论

4．3．1 微胶囊体积分数与表观比热容

4．3．2 石蜡用量与表观比热容

4．3．3 纳米铁粒子用量与导热系数

4．3．5 微胶囊体积分数与导热系数

4．3．6 磁场对流体导热系数的影响

4．4 本章小结

5 磁性潜热型功能流体对流换热实验研究

5．1 实验材料

5．1．1 磁性相交微胶囊

5．1．2 磁性潜热型功能流体物性

5．2 实验方法

5．2．1 实验系统

5．2．2 测量误差

5．2．3 实验结果分析方法与误差分析

5．2．4 实验系统有效性验证

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 磁性潜热型功能流体对流换热

5．3．2 磁场作用下流体对流换热

5．3．3 微胶囊体积分数与流体对流换热

5．3．4 质量流量与流体对流换热

5．3．5 热流密度与流体对流换热

5．4 本章小结

6 磁性潜热型功能流体对流换热的数值模拟

6．1 磁性潜热型功能流体对流换热数学模型

6．1．1 磁性潜热型功能流体动力学方程组

6．1．2 磁场求解方法

6．1．3 磁性相变微胶囊物性参数的确定

6．1．4 磁性相变微胶囊的磁矩

6．2 数值计算模型及方法

6．2．1 数值计算的模型和边界条件

6．2．2 数值计算方法

6．3 数值计算结果

6．3．1 磁场作用下的磁性潜热型功能流体对流换热

6．3．2 微胶囊体积分数对流体对流换热的影响

6．3．3 质量流量对流体对流换热的影响

6．3．4 热流密度对流体对流换热的影响

6．3．5 实验与数值计算

6．4 本章小结

7 结束语

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 下一步工作展望

致谢

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参考文献