低温石蜡相变微乳液泵送稳定性机理与流变性能研究

It is an efficient way to reduce the energy consumption of secondary delivery pumps by applying low-temperature paraffin phase change emulsion in central cold supply networks as a heat transfer fluid. However, most phase change emulsions have poor stability in pumping systems and may cause blockage in pipes. ..Based on the application requirements in central cold supply networks, a liquid-liquid separation model will be developed for the emulsion in a hydrocyclone field. The critical conditions and mechanism will be studied for breaking dispersed paraffin drops. By using both theoretical analysis and experimental tests, the stability mechanism will be determined for the emulsion in various fields of accelerated velocity, velocity and temperature. Methods will be proposed to enhance the emulsion stability in pumping systems...Furthermore, a rheological model will be developed for the emulsion in the laminar and turbulent regions based on the Metzner Now-Newtonian Model by considering the temperature factor. The flow behavior and pressure drop of the emulsion will be analysed in pipe bending, bypass and valves. The critical velocity will be determined for forming homogeneous flow in pipes. Measures will be presented to prevent the blockage of the emulsion in newtworks...The research results of this project will make a great contribution to the development of the phase change emulsions for cold storage and distribution applications, as well as to the achievement of energy savings in central cold supply systems.

在供冷管网中采用低温石蜡相变微乳液作为传热介质，降低二次循环泵的输送能耗，是实现集中供冷系统节能的有效途径。当前开发的相变微乳液存在着泵送稳定性差、在管道输送中易发生阻塞的问题。本项目立足于微乳液在集中供冷系统中的应用要求，建立微乳液在旋流力场中液-液分离理论模型，研究在泵送条件下石蜡分散相液滴破裂机理与临界破裂条件，采用理论研究与实验手段相结合的方法，深入揭示微乳液在不同加速度场、速度场、温度场作用下的稳定性机理，并提出加强微乳液泵送稳定性的方法与措施；同时，以Metzner非牛顿流体模型为基础，引入温度与分散相形态变化的影响因素，建立微乳液在管道输送过程中层流与紊流区域的流变模型，重点研究微乳液在弯曲管、旁路管和阀门周围的流动状态与压力损失，确定形成石蜡分散相均质流动的临界流速，并提出防止微乳液在管道中形成阻塞的有效措施。本项目将为实现微乳液在集中供冷系统的应用提供科学依据与理论指导。

基于集中供冷系统的应用要求，针对当前微乳液存在的泵送稳定性差、在管道输送中易发生阻塞等主要问题，首先通过大量实验研究了不同组分对微乳液性能的影响，选用了熔点为9 ℃的石蜡作为分散相，脂肪醇聚氧乙烯醚作为表面活性剂以及熔点为54 ℃的石蜡作为晶核剂，制备了系列低温相变微乳液，并确定了不同组分适合的浓度范围，其中石蜡分散相质量含量应为20~50%，表面活性剂含量为1.2~2.0%，晶核剂含量为1.5~3.0%。采用以上组分及浓度制备的相变微乳液储能密度高，过冷度小于2 K，且静置稳定性能超过2年，在泵送系统中可以经受1,000次以上的相变循环，具备了作为传热介质在集中供冷系统中应用的潜力。. 其次，以微乳液旋流力场液-液分离理论模型为基础，综合考虑在不同温度与分散相形态的条件下，表面活性剂的作用力与微乳液性能的变化，并采用自制实验平台研究了微乳液在螺杆泵、离心泵及齿轮泵力场作用下的稳定性能。实验结果表明，螺杆泵不宜用于微乳液的输送，而离心泵与齿轮泵适用于泵送石蜡浓度不超过50%的微乳液。其中，离心泵尤其适用于石蜡浓度不超过30%的微乳液，石蜡浓度超过30%的微乳液可采用齿轮泵。另外，管路中应尽量避免采用过多弯头、阀门等零部件，以避免泵的负荷太重、压力太大而出现泵体损坏；在进行热交换时应尽量避免泵送微乳液，即只泵送加热/制冷设备一侧的传热介质，避免出现微乳液破乳的现象，实际应用中可采用具有内置式换热盘管的储罐。. 最后，对微乳液的蓄热性能与流变性能进行了研究。实验结果表明，微乳液的储能容量随着石蜡浓度的增加而呈线性增长，在传统的冷冻水进/出水6 K的温差范围内，其储能容量达到50~150 kJ/k，为水的2~6倍；同时采用修正的Metzner 模型得出了微乳液在层流与紊流区域的摩擦系数与雷诺数的理论关系曲线，通过实验手段确定了临界雷诺数为2,100~2,200；并得出在流速为0.5～1.0 m/s的范围内，石蜡含量为30%的微乳液水头损失为水的1.5~3倍。因此，采用石蜡浓度为20~50%的相变微乳液作为传热载体可以有效降低集中供冷管网的二次输送泵功，达到节能的效果。项目的研究成果为实现微乳液在集中供冷系统的应用提供了科学依据与理论指导。