乳液漿體蓄冷性能實驗研究

李成浩 孫志高 張愛軍 王茂 楊明明 李翠敏 李娟

（蘇州科技大學環境科學與工程學院 蘇州 215009）

乳液漿體蓄冷性能實驗研究

李成浩 孫志高 張愛軍 王茂 楊明明 李翠敏 李娟

（蘇州科技大學環境科學與工程學院 蘇州 215009）

本文選用二甲基硅油作為油相，硅烷偶聯劑作為添加劑制備了乳液漿體，利用混合量熱法測試了二甲基硅油-水乳液漿體的含冰率與二甲基硅油、硅烷偶聯劑添加量和溫度間的關系。實驗表明：在相同的相變結晶時間內，隨著二甲基硅油質量分數的增加，乳液的冰點和含冰率降低。雖然硅烷偶聯劑的添加降低了含冰率，但可以防止冰漿粘附容器壁面，改善了流動性。當添加的硅烷偶聯劑和二甲基硅油質量分數分別為4%和10%，環境溫度為-8.5℃，相變結晶時間為90 min時，制備的乳液漿體含冰率達到33.4%，漿體不粘附壁面，漿體顆粒分散均勻，具有良好的流動性。

漿體；乳液；相變；蓄冷

冰漿是冰晶粒子均勻分布的固液兩相溶液。與水蓄冷相比，冰漿具有較高的蓄冷密度，能夠更快響應冷負荷的變化；與靜態冰蓄冷相比，動態冰漿具有較好的流動性，可進行較遠距離輸送。冰漿以其良好的熱物理性質，廣泛應用于建筑空調、礦井降溫、食品加工、消防滅火和醫療保護等領域［1-3］，是實現電力“削峰填谷”的有效方法，得到國內外學者廣泛的關注和研究［4-9］。

冰漿的有效制取與含冰率的控制是冰漿制備過程的關鍵，其中含冰率是表征冰漿蓄冷性能的重要參數。在水中適當添加一些添加劑是制取冰漿的有效方法，如添加醇類和無機鹽制取冰漿和水合物漿液［10-13］。在水中添加油性和表面活性劑形成乳液漿體的蓄冷特性研究近期受到關注［14-15］。冰漿的含冰率與融解熱是冰漿制備與研究過程中經常要檢測的物理量，其中混合量熱法以其簡單有效被廣泛采用［16-17］。本文利用混合量熱法研究了乳液漿體的蓄冷量，根據能量守恒定律獲得乳液漿體的含冰率。實驗對比分析了乳液漿體的含冰率隨著添加劑質量分數（ωa）、二甲基硅油質量分數（ωo）和環境浴溫度（Tf）的關系。

1 實驗研究

1.1 實驗材料及裝置

實驗選用的油相為二甲基硅油，添加劑為KH-550硅烷偶聯劑，水為實驗室自制蒸餾水，實驗所購試劑均未進一步做提純處理。實驗材料用CP512C電子天平稱量，天平的精度為±0.01 g。

圖1所示為乳液漿體制備及含冰率測量實驗裝置圖，實驗裝置主要由恒溫空氣浴、JJ-1A數顯電動攪拌器、反應容器、真空保溫瓶、數據采集器和計算機組成。恒溫空氣浴用于控制乳液漿體制備過程中的溫度，控溫范圍為-40～150℃。反應容器為內徑70 mm、高度95 mm的玻璃燒杯，燒杯口用透明膠帶密封，內置T型熱電偶，記錄乳液漿體形成過程的溫度變化。真空保溫瓶用于保存乳液漿體和熱水，其材質為304不銹鋼，內置T型熱電偶，記錄含冰率測量過程中的溫度變化。實驗用T型熱電偶測量精度均為Ⅰ級。數據采集器型號為Agilent 34970A，逐時記錄實驗過程中熱電偶所測溫度，同步輸入計算機系統中。

1.2 實驗過程

為了研究二甲基硅油和硅烷偶聯劑對乳液漿體生成速率的影響，配置了一系列實驗樣品，樣品質量在100 g左右（見表1）。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental rig

表1 實驗體系Tab.1 Composition of the experiment systems

其中實驗體系1中硅烷偶聯劑的質量分數ωa= 4%，實驗體系2中蒸餾水和二甲基硅油質量比均為9∶1。將配置好的實驗體系放置在25℃的環境中，攪拌器轉速設定為250 r／min，攪拌30 min形成乳液。然后在反應容器中插入T型熱電偶，并用透明膠帶密封，將其置于恒溫空氣浴中，攪拌器轉速設定為200 r／min，設定恒溫空氣浴溫度降溫制備冰漿，反應容器中溫度用Agilent 34970A采集。實驗體系結晶90 min后，從中稱取一定質量的漿體加入真空保溫瓶中，將另一保溫瓶中存放的已知質量和溫度的熱水加入漿體保溫瓶中，記錄混合過程中漿體和熱水混合物溫度的變化。

1.3 實驗理論分析

乳液漿體的蓄冷量包括：1）二甲基硅油和硅烷偶聯劑溫差顯熱；2）融化前冰晶和水的溫差顯熱；3）冰晶融化潛熱；4）融化后水的溫差顯熱。乳液漿體的蓄冷量計算式為：

式中：Q為乳液漿體的蓄冷量，kJ；ΔHi為冰的融化潛熱，kJ／kg；Tb、Td、Te分別為初始溫度、乳液漿體融化溫度以及融化后水的溫度，℃；co、ca、cw、ci分別為二甲基硅油、硅烷偶聯劑、水、冰的比熱容，kJ／（kg·℃）；mo、ma、mw、mi分別為二甲基硅油質量、硅烷偶聯劑質量、融化后水的總質量、冰的質量，kg。

根據能量守恒定律，在真空保溫瓶中將溫度較高的熱水與乳液漿體混合，通過溫度變化計算出熱水釋放的熱量：

式中：Qw為熱水釋放的熱量，kJ；Qs為乳液漿體增加的熱量，即在某一溫度區間的蓄冷量，kJ；QL為熱水與冰漿混合過程中的能量損失，kJ。由于真空保溫瓶具有優良的保溫性能，在短時間內與環境交換的熱損失很小，可以忽略。式（2）變為：

根據式（1）和式（3）可計算漿體的含冰率IPF：

2 實驗結果與分析

2.1 驗證性實驗

為了驗證實驗裝置和方法的可靠性，首先在此實驗裝置中利用混合量熱法測量了冰的融化潛熱。稱取一定質量的冰存放在保溫瓶中，再稱取一定質量的熱水加入存放冰的保溫瓶中，當熱水和冰混合時，熱水放熱降溫，冰融化后迅速升溫。由于混合均勻度不一樣，混合過程中體系溫度變化曲線不完全相同，但最終溫度都趨于穩定，圖2所示為6次冰融化潛熱測量實驗過程的溫度變化曲線。

表2列出了冰融化潛熱測量實驗的計算參數和結果，發現測量值都大于理論值，可能是操作時熱水與環境存在熱損失，熱水傳遞給冰的熱量相應減少，所以冰融化后最終穩定的溫度比實際值低，導致計算結果都高于冰融化潛熱的理論值335 kJ／kg。6次實驗測量結果的平均值為348.7 kJ／kg，與理論值相比，相對誤差為4.1%。多次實驗結果表明，冰融化潛熱測量結果的相對誤差小于5%，可以用于測量漿體的含冰率。

表2 冰融化潛熱測量實驗的計算參數和結果Tab.2 Calculation parameters and results of experimental measurements for ice melting heat

圖2 冰融化過程溫度變化曲線Fig.2 Tem perature curves during experimental measurement of ice melting

2.2 漿體含冰率

圖3所示為實驗體系1在-8.5℃恒溫環境下乳液溫度隨時間變化曲線。乳液相變均存在過冷現象，過冷度為2.5～4.5℃，冰點隨著二甲基硅油質量分數ωo的增加而降低。當乳液溫度從最低過冷溫度突然升高到冰點時標志著乳液開始結晶，該時刻記為結晶時間ts=0 min。當乳液結晶時間ts=90 min時，取出乳液漿體，測量含冰率。圖4所示為添加4%硅烷偶聯劑的乳液漿體含冰率隨二甲基硅油質量分數變化關系。含冰率隨著二甲基硅油質量分數的增大而減小，當二甲基硅油質量分數ωo從10%增大到40%時，含冰率從33.4%降到25.3%，含冰率降低了8.1%。

圖3 實驗體系1乳液溫度隨時間變化曲線Fig.3 emulsion tem perature changing with time in experim ent system 1

圖5所示為實驗體系2在-8.5℃恒溫環境下乳液溫度隨時間變化曲線。由圖5可知，乳液的過冷度也在2.5～4.5℃，冰點隨著硅烷偶聯劑的質量分數ωa的增加而降低。當乳液結晶時間 ts=90 min時，取出乳液漿體，測量其含冰率。圖6所示為二甲基硅油質量分數ωo=10%的乳液漿體含冰率隨硅烷偶聯劑質量分數的變化關系。硅烷偶聯劑的質量分數ωa從2%變化到8%時，含冰率IPF從42.6%降低到28.7%，IPF下降了13.9%。當ωa=2%時，雖然乳液漿體具有較高的含冰率，但燒杯內壁面粘附有冰層；當ωa=4%和6%時，含冰率分別為33.4%和33%，變化不大，具有良好的流動性。

圖4 實驗體系1含冰率隨二甲基硅油質量分數變化關系Fig.4 IPF changing with the mass fraction of dimethyl silicone oil in experiment system 1

圖5 實驗體系2乳液溫度隨時間變化曲線Fig.5 Emulsion tem perature changing with time in experiment system 2

圖6 實驗體系2含冰率隨硅烷偶聯劑質量分數變化關系Fig.6 IPF changing with the mass fraction of the silane coupler in experiment system 2

由圖4和圖6可知，當硅烷偶聯劑質量分數ωa=4%，二甲基硅油質量分數ωo=10%時，乳液漿體形成過程中的過冷度為3.6℃，冰點為-1.3℃，沒有冰晶粘附燒杯壁面，當結晶時間ts=90min時，乳液漿體含冰率IPF=33.4%，具有良好的流動性（見圖7）。

圖7 乳液漿體圖片（ωa=4%，ωo=10%，ts=90 m in）Fig.7 Emulsion slurry（ωa=4%，ωo=10%，ts=90 m in）

圖8所示為溫度對冰漿形成的影響。在-4℃和-8.5℃恒溫環境中，乳液（ωo=10%，ωa=4%）的冰點都為-1.3℃。當環境溫度為-4℃時，乳液溫度降到-3.5℃后幾乎不變，再經歷1 h左右的誘導時間開始結晶。而環境溫度為-8.5℃時，乳液在降溫過程中就發生結晶現象。圖9所示為-4℃和-8.5℃恒溫環境中乳液（ωo=10%，ωa=4%）含冰率隨結晶時間變化關系。在-4℃恒溫環境中，乳液結晶時間 ts=7 h時，含冰率 IPF=32.2%；在-8.5℃恒溫環境中，乳液結晶時間ts=1.5 h時，含冰率IPF=33.7%。表明-8.5℃恒溫環境下，乳液結晶速率較快，形成的乳液漿體具有較高的含冰率和蓄冷性能。

圖8 溫度對結晶的影響Fig.8 Effect of temperature on the formation of ice slurry

圖9 含冰率隨結晶時間變化關系Fig.9 IPF changing with solidification time

3 結論

本文利用混合量熱法實驗研究了二甲基硅油和硅烷偶聯劑對冰漿形成過冷度、冰漿生長速度和含冰率的影響，研究了添加劑對冰漿的流動性的影響，研究結論如下：

1）分別選擇二甲基硅油和硅烷偶聯劑作為油相和添加劑，利用機械攪拌的方法制成乳液。乳液的冰點隨著二甲基硅油、硅烷偶聯劑的質量分數增加而降低，乳液的過冷度在2.5～4.5℃之間。與-4℃的恒溫環境相比，在-8.5℃的恒溫環境中，冰晶生成速率快，含冰率高。

2）硅烷偶聯劑的添加降低了含冰率，但制成的冰漿不粘附容器壁面，改善了冰漿的流動性。添加4%的硅烷偶聯劑和10%二甲基硅油制備的乳液相變結晶90 min漿體的含冰率達到33.4%，具有良好的流動性。

本文受江蘇省自然科學基金項目（BK2012602）、江蘇省研究生創新項目（KYLX15-1309）和蘇州科技大學研究生創新項目（SKCX15-027）資助。（The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province（No.BK2012602），Graduate Innovation Fund of Jiangsu Province（No.KYLX15-1309）and Graduate Innovation Fund of Suzhou University of Science and Technology（No.SKCX15-027）.）

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About the corresponding author

Sun Zhigao，male，Ph.D.，professor，School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，+86 512-63176109，E-mail：szg.yzu＠163.com.Research fields：energy storage and energy conservation.

Experimental Study on Cold Storage Performance of Emulsion Slurry

Li Chenghao Sun Zhigao Zhang Aijun Wang Mao Yang Mingming Li Cuimin Li Juan
（School of Environmental Science and Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，215009，China）

Dimethyl silicone oil and silane-coupler are chosen as oil phase and additive to form emulsion for slurry producing.The relation of Ice Packing Factor（IPF）and additive amount of dimethyl silicone oil and silane-coupler and environmental temperature was investigated using the mixing calorimetry method.The freezing point and the IPF of emulsion slurry are both reduced with the increase of dimethyl silicone oil mass fraction under the same crystallization time.Silane-coupler also reduces IPF，but it can prevent ice from adhering to the cooling surface and improve fluidity.The experimental results show that IPF is about 33.4%after 90 min crystallization under -8.5℃ temperature conditions when the mass fraction of dimethyl silicone oil and silane-coupler in emulsion are 4%and 10%，respectively.The slurry does not adhere to the cooling surface and is dispersed well.The slurry has a good fluidity.

slurry；emulsion；phase change；cold storage

TB34；TK02

A

0253-4339（2016）06-0066-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.066

簡介

孫志高，男，博士，教授，蘇州科技大學環境科學與工程學院，（0512）63176109，E-mail：szg.yzu＠163.com。研究方向：儲能與節能技術。

2016年3月28日