1  引言

随着全球能源需求的持续增长和“双碳”目标的推进，工业余热回收、电子设备冷却、太阳能热利用等领域对高效传热技术的需求日益迫切。传统的单相传热流体（如水、乙二醇溶液、导热油）主要依靠自身比热容吸收和传递显热，储热密度有限，难以满足紧凑化、高功率密度的热管理需求。例如，水的比热容仅为4.2 kJ/(kg·K)，在温升有限的场景下，其单位质量携带的热量较低，往往需要大流量、大管径的系统设计，增加了设备体积和运行成本。

为突破传统显热传热的瓶颈，潜热型功能流体（Latent Heat Functional Fluid，LHFF）应运而生。这是一种将微纳米相变胶囊均匀分散在基础载液中形成的稳定悬浮液，能够利用相变材料固液相变时吸收/释放的大量潜热，大幅提升流体的等效比热容和储热密度，在温升较小的情况下即可携带远超传统流体的热量，被视为新一代高效传热与储热技术的重要发展方向。

2   潜热型功能流体的组成和分类

潜热型功能流体主要由基础载液与相变胶囊两部分复合而成。其中，基础载液常选用水、乙二醇水溶液或导热油，主要起到流动输运的作用；相变胶囊是赋予流体储热特性的核心功能单元，由壳层材料与相变芯材组成。壳层可采用脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂等聚合物材料，也可选用二氧化硅等无机材料，既能够封装相变芯材，避免芯材泄漏，又可保障热量高效传递；相变芯材则决定了该功能流体的工作温度区间与储热容量，如图1所示。

图1 潜热型功能流内的相变胶囊

将相变材料胶囊化通常需要以下几种物质：相变材料、外壳、乳化剂、引发剂和成核剂等。其中相变材料作为相变胶囊的核心，在选择胶囊芯材时，必须考虑到其工作温度、潜热、过冷度、导热系数、反应性、密度、毒性、相变时体积变化等指标。相变材料分为以下三种：有机相变材料、无机相变材料和低共熔相变材料^[1]。

有机相变材料主要分为两类：石蜡类和非石蜡类。有机相变材料主要有可回收性、无腐蚀性、高稳定性、低反应性等优点。其中石蜡是最常见的相变材料，广泛应用于不同的研究领域。石蜡是一种由碳原子和氢原子形成的油衍生物，是相变材料中应用最多的一种，其结构中的碳原子越多，熔点就越高。无机相变材料主要包括盐(如水合物)和金属。虽然这些材料的储能密度和热导率都比有机材料高，但它们也有一些缺点，如易被腐蚀和高过冷度。与有机材料相比，它们的工作温度也更高。低共熔相变材料是由一种或两种成分(有机-有机，有机-非有机，无机-非有机)的材料混合形成的，其中每一种成分都能够均匀地融化和凝固，并在结晶过程中形成单独晶体的混合物。与有机材料相比，这种材料具有更大的存储密度^[2]。

相变胶囊的外壳材料分有机和无机两种，还有由有机-无机组合而成的杂化壳材料。目前工程应用中大多数外壳是有机的，通过聚合等化学方法制备，也可以通过喷雾干燥或复合凝聚等物理方法制成。外壳材料应不与芯材发生化学反应，并具有良好的化学稳定性。此外，外壳材料在高温下还应具有热稳定性，表面形貌必须光滑，孔隙率小，以防止相变材料熔化后泄漏。外壳通常采用高导热材料，而且要能承受至少 1000 次以上的反复机械应力循环和热循环。外壳的性能取决于所选择的聚合物类型以及合成过程中的条件。

3       潜热型功能流体的应用

潜热型功能流体的传热过程包含显热和潜热两部分。当流体温度低于芯材熔点时，其传热特性与传统单相流体类似，主要依靠显热传递热量；当温度达到芯材熔点区间时，胶囊内的芯材发生固液相变，吸收大量潜热，此时流体的等效比热容会出现显著峰值，可达传统流体的2~10倍，即在几乎不升温的情况下即可吸收大量热量。潜热型功能热流体的对流换热原理如图2。

在管道内对流换热过程中，相变胶囊的存在会改变流体的流动和传热特性：一方面，相变吸热可强化壁面与流体之间的换热，降低壁面温度，避免局部过热；另一方面，胶囊会增加流体的黏度，导致流动阻力略有上升，但研究表明在合理浓度范围内（质量分数5%~20%），传热强化带来的收益远高于阻力增加的损耗，综合传热性能可比传统流体提升30%以上^{[3, 4]}。

图2 潜热型功能热流体的对流换热原理图

3.1  建筑节能与常规储热领域的应用

在建筑节能及工业余热回收等常规储热场景中，提升流体的蓄热密度与换热效率是关键。研究人员针对矩形外壳等典型储热单元，制备了以密胺树脂为壳材、石蜡为核材的相变胶囊悬浮液，并对其热工性能进行了深入探究。

通过模拟实际工况，研究重点考察了加热板与相变胶囊悬浮液之间的界面传热系数、系统的总蓄热量以及达到热平衡所需的储热完成时间。实验结果表明，这种功能流体能够有效利用胶囊内核的相变潜热，在保持流体流动性的同时显著增加系统的蓄热能力。相比于传统单相流体，其在受限空间内的储热性能表现更为优异，为解决建筑调温及低品位热能存储中的传热瓶颈提供了有效的技术路径^[5]。

3.2  光热转换与导热强化领域的应用

针对太阳能直接利用及高效导热需求，研究者们致力于开发兼具高导热系数与优异光热响应特性的功能流体。通过将特定质量分数的相变胶囊颗粒（如二氧化硅包覆石蜡，或掺杂氧化石墨烯的二氧化硅/石蜡复合胶囊）均匀分散于水中，制得了稳定的潜热型功能流体。

研究发现，胶囊的引入显著改变了基液的热物性。一方面，悬浮液的导热系数较纯水基体有了明显提升，特别是掺杂氧化石墨烯的复合胶囊，进一步增强了热传导网络；另一方面，在30~85℃的宽温域内，悬浮液的表观比热容大幅增加，意味着其单位体积的载热能力显著增强。更重要的是，功能性壳材的引入赋予了流体优异的光吸收性，使其在直接吸收式太阳能集热系统中表现出卓越的光热转换性能，实现了光能到热能的高效转化与存储^{[6, 7]}。

3.3  太阳能光伏/热（PV/T）系统综合应用

在太阳能综合利用领域，潜热型功能流体被创新性地应用于光伏/热（PV/T）系统中，作为核心工作流体以解决光伏板过热导致的效率衰减问题。研究人员系统探究了外部环境与流体参数对系统性能的综合影响，重点分析了太阳辐射强度、流体雷诺数（Re）以及相变胶囊悬浮液浓度这三个关键变量。实验数据显示，该功能流体能够利用相变吸热特性，有效稳定光伏电池的工作温度，从而同步提升发电效率与热回收效率。在特定的太阳辐射强度（如500-700 W/m²）、适宜的胶囊浓度（如10%）以及优化的流体流动状态（Re数为3000）下，PV/T系统的总能效达到了极高水平。这一结果证实，潜热型功能流体能够显著改善PV/T系统的热匹配特性，是提升太阳能全光谱利用效率的理想工质^{[8, 9]}。

3.4  在电子设备热管理中的应用

华为微泵液冷手机壳将潜热型功能流体应用于消费电子热管理场景，该流体由基础载液与大量相变微胶囊复合构成。基础载液作为流动介质，在壳体内流道中循环输运热量；数量庞大的相变微胶囊是储热散热的核心单元，微胶囊壳层可有效包覆相变芯材，避免芯材渗漏同时保障热量传递效率，相变芯材则匹配手机的工作温区，利用相变潜热大量吸收机身工作产生的热量，实现被动储热降温。配合壳体内置微泵驱动流体循环流动，将相变微胶囊吸收的热量快速迁移扩散，形成 “相变储热‑泵驱液冷” 协同散热体系，抑制高负载工况下手机温升，改善整机热体验。

4       总结

潜热型功能流体通过耦合相变潜热与对流输运，突破了传统显热传热的性能瓶颈，在能源高效利用、紧凑化热管理等领域具有重要价值。随着材料制备和传热优化技术的进步，潜热型功能流体有望在工业余热回收、可再生能源储热、高功率电子设备冷却等场景中实现规模化应用，为全球能源转型和“双碳”目标实现提供技术支撑。

参考文献

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[3] CHARUNYAKORN P, SENGUPTA S, ROY S K.Forced convection heat transfer in microencapsulated phase change material slurries: flow in circular ducts [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1991, 34(3): 819-833.

[4] 常洋珲, 孙志高. 十五烷微胶囊潜热型功能流体的制备及其性能 [J]. 储能科学与技术, 2022, 11(10): 3123-3132.

[5] ZHANG Y L, WANG S F, RAO Z H, et al. Experiment on heat storage characteristic of microencapsulated phase change material slurry [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2011, 95(10): 2726-2733.

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[9] 于云雁, 赵树兴, 甄子亚, et al. 潜热型功能流体太阳能供暖集热系统集热效果实验研究 [J]. 太阳能学报, 2021, 42(10): 135-139.

（作者：霍宇涛，梁林，张彭政，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院）