1 绪论
1.1 直接接触式蓄热技术的研究背景
目前工业应用的绝大部分蓄热器为壳管式蓄热器，壳程装载蓄热材料，管程为换热工质流动侧。对壳管式蓄热器内蓄热材料和换热工质的传热过程进行分析可知，有效提高传热效率，改善蓄放热速率的工作主要集中在壳程部分，即如何降低壳程的传热热阻[1]。其中，提高蓄热材料的有效导热系数是解决上述问题的一种有效途径。基于此，国内外学者广泛展开了高导热系数复合蓄热材料的制备工作。车海山等人[2]采用静电纺丝法，制备了赤藻糖醇为基体，分别添加硫脲、木糖醇与聚乙烯醇的相变复合纤维材料，并研究了石墨烯作为导热增强材料对单赤藻糖醇、与添加了复合材料后材料热性能的影响。结果显示添加了 10%的石墨烯后三种材料导热系数分别提高了 258%、312%、260%。张正国等人[3]利用多孔基吸附法制备了石蜡/膨胀石墨复合相变材料，由于导热系数的提高，使得储热时间比纯石蜡减少了69.7%，放热时间减少了 80.2%。Yavari 等人[4]利用加热共熔法制备了石墨烯/正十八醇复合相变材料，其中石墨烯含量 5%的复合材料比纯相变材料的导热系数提高了 4倍。
然而，通过制备高导热系数蓄热材料的优化方法也存在着成本提高、性能不稳定等诸多问题[5,6]。一种改进蓄热材料侧导热换热模式，实现蓄热材料与换热工质直接接触，形成对流换热的新型蓄热方式在学者界引起了广泛关注[7,8]。直接接触式蓄热技术原理图如图 1.1 所示。在直接接触式蓄热器内，熔融蓄热材料因密度较大，沉积在蓄热下部；换热工质导热油的密度较小，位于蓄热器上部。放热时：低温导热油由蓄热器下部流入，在惯性力和浮力的作用下穿过熔融液态蓄热材料向上流动，在此过程中发生对流换热，转变为高温导热油，由位于蓄热器顶部的出口流出；蓄热时：沉积在蓄热器底部的固态蓄热材料与流入的高温导热油直接接触换热后，逐渐熔化变为液态，实现了热量的存储。需要注意的是，在进行直接接触式蓄热器设计时，应该选择热稳定性良好，且互不相溶，不发生化学反应的蓄热材料和换热工质组合。此外，考虑到直接接触式蓄热的工作原理，筛选的蓄热材料密度应该大于换热工质的密度[9]。
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1.2 直接接触式蓄热器的国内外研究现状
1.2.1 直接接触式蓄热常用材料
目前，应用于直接接触式蓄热技术的材料主要有赤藻糖醇、三水合醋酸钠等。按照有机材料和无机材料两类，将国内外文献中报道的直接接触式蓄热材料进行整理，得到表 1.1 和表 1.2。如表 1.1 所示，木糖醇、赤藻糖醇等多元醇类物质被广泛用于食品甜味剂，具有无毒无害安全环保的优点，并且具有较高的相变潜热值，是应用于直接接触式蓄热的理想材料。
1998 年，Kakiuchi 等人[13]通过实验平台测试验证了赤藻糖醇用于蓄热的可行性。结果显示，赤藻糖醇具有高达 339 kJ/kg 的潜热值，并且在长期的蓄放热过程中具有良好的热稳定性。同时赤藻糖醇在这三种多元醇里具有相对低廉的价格，3.70€/kg (西班牙 2015) [14]，3.20€/kg (中国 2016) [15]，6.12 €/kg(德国 2017) [16]。然而以上多元醇类物质作为蓄热材料时也存在以下亟待解决的问题：
（1）较低的热导率。三种多元醇导热系数普遍低于 1W/m·℃。较低的热导率在一定程度上限制了蓄放热效率，因此一些学者对提高这类材料的热导率进行了研究。Zhang 等人[17]以木糖醇为基体，制备了添加了石墨烯和碳纳米管的复合相变材料，提高了木糖醇的热导率。Shen 等人[18]以赤藻糖醇为基体，添加了表面含羟基和羧基的改良碳纳米管，构成复合相变材料，当改良碳纳米管的质量分数为 1wt.%时，赤藻糖醇的导热系数可以增加到 0.9779W/m·℃。Lee 等人[19]通过添加 2.5wt.%层间距为 0.3418nm 的膨胀石墨将赤藻糖醇的热导率提高至 3.56W/m·℃。Nan 等人[20]利用热压法在赤藻糖醇中加入铝填料并形成渗透网格结构，当填料体积分数为42.2%时，复合相变材料热导率高达 30W/m·℃。郭启霖等人[21]制备了赤藻糖醇为基体，添加膨胀石墨的复合相变材料。当膨胀石墨含量为 6wt.%时基体材料的热导率提高了约 680%，并在 50 次热循环后保持良好的稳定性。Karthik 等人[43]制备了石墨复合泡沫为导热基体，通过初始浸渍法加入 75wt.%的赤藻糖醇形成复合相变材料。与纯赤藻糖醇相比热导率提高了 5 倍。
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2 熔融 PCM 射流破碎实验系统设计
2.1 实验系统
本文以实验研究为手段，开展以熔融相变蓄热材料三水合醋酸钠为喷射流体、KS-QC310 热传导液为环境流体的射流破碎特性研究。为直接接触式蓄放热装置、射流破碎发生装置的选材、结构设计提供参考。因此本实验系统设计应包括以下四个部分：热源侧、熔融材料储备及喷射系统、射流破碎发生装置以及形貌特征捕捉系统。相变材料与预先加热的高温导热油直接接触换热熔化为熔融态并被加压输运至喷嘴处，在不同的射流条件下，喷射进入射流破碎发生装置。此时通过形貌特征捕捉系统记录射流破碎的光学图像。
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2.2 喷嘴及喷嘴流量特性
实验采用的圆柱射流喷嘴为铜制平孔式喷嘴，直径分别为 2mm、3mm。喷嘴实物如图 2.10 所示。
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3.1 熔融 PCM 射流破碎过程与形貌特征 ........................... 37
3.2 射流参数对熔融 PCM 射流破碎特征的影响 ........................ 38
3.2.1 喷射压力对射流破碎特征的影响 ................................ 38
3.2.2 喷嘴直径对射流破碎特征的影响 ........................... 39
3.2.3 PCM 温度对射流破碎特征的影响 ......................... 41
3 熔融 PCM 射流破碎形态实验研究
3.1 熔融 PCM 射流破碎过程与形貌特征
图 3.1 所示为熔融 PCM 射流破碎发展过程。熔融 PCM 射流进导热油后在第一阶段近喷嘴区域保持一条稳定光滑的液柱，随着喷射流体与环境流体的相对运动，液体表面张力的作用得到加强，使得液体表面各点的曲率发生了变化，曲率的变化又使得在液柱射流内部产生了压力梯度，液柱表面波开始逐渐不稳定并产生振动，形成表面不光滑的液带群为第二阶段。第三阶段液柱表面波振幅进一步增大，液柱开始出现部分断裂形成了液带与液滴的混合场。在与热传导液的相互运动作用下，逐渐完全破碎成一个个液滴并下沉此时射流破碎到达了第四阶段。
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本文首先通过直接接触式蓄热技术的应用案例及应用政策进行研究，其次主要通过实验开展新型直接接触式储热过程中熔融 PCM 射流破碎的形态研究，主要研究结果如下：
⑴直接接触式蓄热技术的应用：移动式供热系统在瑞典、德国等国已投入使用，回收利用余热资源为附近居民提供用热服务。在我国，移动式供热系统发展了试点项目，国家制定的余热回收利用政策、危险品道路运输规范对移动式供热系统的发展起到了初步的政策支持，具有广阔的市场前景。但关于移动式供热技术的财政补贴还未明确；关于移动式供热车的特殊道路运输规定的缺乏，导致危险货物划分界限混乱；关于移动式供热系统的运行所需的专业的设计、安装和操作知识，仍需进一步标准化、规范化。
⑵设计并搭建了熔融 PCM 射流破碎实验台，包括热源侧、熔融材料储备及喷射系统、射流破碎发生装置、形貌特征捕捉系统四部分，并对各部分所用设备进行选型和描述；选取了实验所用材料三水合醋酸钠、KS-QC310 热传导液并对其物性参数进行描述；对重要设备如喷嘴、工质泵、W 型电加热管进行说明，并进行了流量标定、热电偶、热电阻温度标定。
⑶运用高速摄像系统拍摄了熔融 PCM 射流破碎形貌图，并对不同阶段内的射流表面形变情况进行描述。掌握了一定条件下，改变不同射流参数对两个宏观特征参数破碎长度 Lp、破碎锥角 β 的变化规律：增加喷射压力，减小喷嘴直径，降低PCM 温度都会使射流破碎长度 Lp 减小，破碎锥角 β 增大，更有利于射流破碎的发生。在实验条件下，熔融 PCM 的粘度、表面张力系数、流体间的相互作用是影响射流破碎的重要因素；射流破碎形态良好，为后续开展直接接触式蓄热过程中颗粒化浮床换热打下了基础。
参考文献（略）