Page 97 - 《精细化工》2022年第1期
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第 1 期 周建辉，等: 换流阀冷却用相变乳状液的制备及其性能 ·87·
较大等缺点 [1-4] 。相变乳状液（PCD）具有储能密度高 来提高冷却容量和换热能力的方法，以解决过负荷
和换热温差小等优点，成为传热领域中的研究热点 和温度分布不均的问题，减少冷却设备尺寸。通过
[5-9] 。目前，国内外研究主要集中在 PCD 的制备 [10-12] 研究不同因素对 PCD 性能的影响，制备了换流阀冷
和强化换热 [13-16] 两大方面，对 PCD 在高压大电流应 却系统用 PCD，还研究了 PCD 的电导率特性、带电
用环境下的研究有待展开。 电压稳定性以及与冷却系统的兼容性，证明所制备
PCD 主要包括分散相（相变材料、乳化剂、成 的 PCD 能在高压大电流环境下使用。最后研究了
核剂）和连续相。使用 PCD 替换常规的去离子水作 PCD 的换热能力。
为高压大电流应用环境下的冷却介质，除满足去离
子水冷却介质基本特性 [17] 以外，需重点考虑如下几 1 实验部分
方面：（1）冷却系统在换流阀内承受着较高电压， 1.1 试剂与仪器
冷却介质需要尽可能低的电导率以降低泄漏电流 [17] ， 相 变材料 高级 脂肪酸酯 Croda Therm 47
TM
维持系统均压，因此，所有材料都必须保持低导电 （CT47，十六酸十四酯和十八酸十四酯按质量比
性，要尽可能减少 PCD 中其他阴、阳离子的引入； 1∶2 混合）、高级脂肪酸酯 Croda Therm TM 53（CT53，
（2）冷却系统通过并联去离子回路处理金属管路 十六酸十六酯）、乳化剂硬脂醇聚醚 Brij TM S2（BS2）
析出来的离子，以维持冷却介质稳定的低电导率 和硬脂醇聚醚 Brij TM S721（BS721），工业品，禾大
（<0.3 μS/cm） [18] ，所以 PCD 与离子交换树脂的兼 化学品（上海）有限公司；油醇聚氧乙烯醚 Sympatens
容性也是不可忽视的问题；（3）在确保 PCD 低导电 AS-100（SAS100），工业品，南通辰润化工有限公
率和与去离子树脂优异兼容性的基础上，需要综合 司；聚乙烯醇（质量分数为 86%~89%），分析纯，上
考虑 PCD 的换热性能、稳定性、黏度及环保性等， 海泰坦科技股份有限公司；去离子水，自制。
以实现换流阀冷却能力提升，进而实现提高输电容 L70/2171 型激光导热仪，德国 Linseis 公司；
量的目的。首先，文献报道的 PCD 使用石蜡相变材 Rheolab QC 型流变仪，奥地利 Anton Paar 公司；
[5]
料作为分散相 ，在工业应用中石蜡不容易降解， Mastersizer 2000 型激光粒度分析仪，英国 Malvern
会在热交换器（空冷器、阀片散热器）中发生部分 公司；DSC3 型差示扫描量热仪，SG23 型电导率测
冻结，清理时易导致产生难降解、难清理和污染环 试仪，瑞士 Mettler Toledo 公司；Lumisizer 型稳定性
境的废渣，这将给实际使用带来诸多不便。因此， 分析仪，德国 LUM 公司；直管对流换热测试台，
采用非导电、可再生资源的高级脂肪酸酯作为相变 交直流电压测试台和换流阀冷却系统集成装置为定
材料，可以保证 PCD 的低导电率和较高的换热性能 制设备。
[9]
并降低对环境的污染 ；另外，根据当前换流阀典 图 1 是集成装置的工作原理示意图和交直流电
型的进水温度条件（44 ℃）和出水温度条件（55 ℃） 压测试台中的电极装置。相变乳液通过主循环泵的
加压进入空冷器将热量排放到空气中，冷却后进入
确定相变材料的熔点应在 47~50 ℃；其次，为了提
直管对流换热测试平台将其产生的热量带走，最后
高 PCD 的物理稳定性必须加入乳化剂以防止相分
[9]
离进而造成聚集和沉淀 。离子型乳化剂在使用过 经过交直流电压测试台中的电极装置回流到主循环
泵进口，形成密闭式循环冷却系统。为适应换流阀
程中会分散出离子，使得 PCD 的导电率增加，这在
冷却系统在高电压条件下的使用要求，减少高电压
高压大电流应用环境下是极其危险的。使用非离子
环境下产生漏电流，在主循环冷却回路上并联了去
型乳化剂不仅可以保证 PCD 的低电导率还可以降
离子回路。一定流量的冷却介质流经离子交换器，
低 PCD 的黏度。工业上比较常见的非离子型乳化剂
不断净化冷却系统金属管路中可能析出的离子，然
有：脂肪酸酯、乙氧基化脂肪醇、甘油酯及前述组
后通过膨胀罐与主循环回路中的相变乳液在主循环
合。最后，PCD 在晶闸管散热器内需要吸热，在外
泵进口汇流。
冷设备中将热量排放到空气中。因此，在 PCD 中需
[6]
要添加合适的成核剂来防止或减少过冷 。将聚乙
烯醇作为成核剂加入 PCD 中不仅可以有效地降低
[8]
过冷度还可以提高 PCD 与冷却系统的兼容性 。基
于上述材料制备非导电型 PCD 的方法还需深入系
统研究。
本文借鉴电气设备绝缘问题的解决思路 [19-20] ，
提出在换流阀去离子水中添加适量非导电型 PCD
