金屬相變儲(chǔ)熱材料鋁硅合金儲(chǔ)熱特性研究＊

陳觀生，王波群，張仁元，李 風(fēng)，張 莉，麥志豪

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

金屬相變儲(chǔ)熱材料鋁硅合金儲(chǔ)熱特性研究＊

陳觀生，王波群，張仁元，李 風(fēng)，張 莉，麥志豪

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

在不同熱循環(huán)次數(shù)下，對(duì)含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13%，17%和21%的鋁硅合金的熱物理性能的變化進(jìn)行了研究，并對(duì)基于鋁硅合金（13%Si）的太陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中儲(chǔ)熱體的儲(chǔ)、放熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬．結(jié)果表明：隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，Al－Si合金的熔化潛熱、熔化溫度、熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)等熱物性雖然均有不同程度的變化，但所變化的幅度均較小，說明鋁硅合金的熱物性較為穩(wěn)定，衰減較慢；儲(chǔ)熱體在儲(chǔ)、放熱過程中溫度變化平穩(wěn)，所需集熱溫度不超過980K，供熱溫度可達(dá)600K以上．

鋁硅合金；太陽能；高溫；相變；儲(chǔ)熱

目前，國內(nèi)外在太陽能高溫?zé)崂妙I(lǐng)域如太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，采用的儲(chǔ)熱方式主要是顯熱儲(chǔ)能，儲(chǔ)熱材料主要選用熔鹽[1－4]．由于熔鹽普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)?。ㄍǔＰ∮?W/（m·K））、儲(chǔ)能密度低（以50℃溫差計(jì)算低于100 kJ/kg）及工作溫度低（最高不超過811K）等缺陷，從而導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)較為龐大及太陽能熱發(fā)電的蒸汽參數(shù)較低．

比較而言，鋁硅合金具有導(dǎo)熱系數(shù)大（通常為100～200 W/（m·K））、儲(chǔ)能密度大（僅相變潛熱即可高達(dá)400～500 kJ/kg）及工作溫度高且穩(wěn)定（相變溫度在850K左右，工作溫度最高可達(dá)900K）等特點(diǎn)[56]，比較適合在太陽能熱發(fā)電等聚光類高溫太陽能熱利用場(chǎng)合中應(yīng)用．

Si的含量是影響鋁硅合金熱物性的主要因素．一般來說，Si的含量越高，相變潛熱越大，熱導(dǎo)率則下降．本文對(duì)含Si質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為13%，17%及21%的鋁硅合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了其熱物性變化規(guī)律，并對(duì)基于Al－13Si合金的儲(chǔ)熱體儲(chǔ)熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，掌握了其傳熱規(guī)律，為鋁硅合金在太陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)．

1 鋁硅合金熱物性的研究

1．1 試驗(yàn)方法

試樣為鋁硅合金，其成分及原始熱物性列于表1．在溫度為700～900 K環(huán)境下，對(duì)試樣進(jìn)行熔化－凝固熱循環(huán)試驗(yàn)．在循環(huán)次數(shù)為400，800和1200次時(shí)，分別取樣進(jìn)行DSC測(cè)試，以測(cè)定試樣的熔化潛熱γ、初始熔點(diǎn)Tm、熱導(dǎo)率λ及線膨脹系數(shù)β等熱物性的變化，分析試樣的熱循環(huán)穩(wěn)定性．

表1 試樣成分及其原始熱物性

1．2 結(jié)果及分析

1．2．1 熔化潛熱

圖1為熔化潛熱與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系．從圖1可見，經(jīng)過400，800和1200次熱循環(huán)后，三種材料的熔化潛熱均有所下降，其中Al－13Si合金與熱循環(huán)前相比，熔化潛熱下降的百分比分別為0．6%，2．2%及4．5%；Al－17Si合金下降的百分比分別為0．8%，2．1%及4．1%；Al－21Si合金下降的百分比分別為0．6%，1．8%及3．2%．這是因?yàn)殡S著循環(huán)次數(shù)的增加，合金中的細(xì)針狀硅晶變粗大、共晶組織增多，合金中粗大塊狀的初生硅逐漸減少．

圖1 熔化潛熱與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖1還可知，Al－Si合金的熔化潛熱基本上與Si的含量成正比．這是由于鋁硅共晶組織、初晶Si固/液相變時(shí)的相變潛熱高，當(dāng)共晶組織、初晶Si含量減少時(shí)，對(duì)應(yīng)的潛熱也會(huì)隨之降低．因此，在所有樣品中Al－21Si合金的熔化潛熱最大，Al－17Si合金次之，Al－13Si合金最?。?/p>

1．2．2 初始熔點(diǎn)

圖2為初始熔點(diǎn)與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系．從圖2可見，三種材料的初始熔點(diǎn)相差不大，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加均有所上升，但上升的幅度逐漸減小．其中Al－13Si合金的初始熔點(diǎn)與循環(huán)前試樣的相比，分別上升了0．16%，0．37%和0．47%；Al－17Si合金的分別上升了0．14%，0．24%和0．30%；Al－21Si合金的分別上升了0．11%，0．17%和0．21%．這主要是由于經(jīng)熱循環(huán)后合金晶粒增大，合金內(nèi)界面數(shù)量減少，熔化形核的能壘提高，因此造成初始熔點(diǎn)的升高．1．2．3 熱導(dǎo)率

圖3為熱導(dǎo)率與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系．從圖3可見，試樣的室溫?zé)釋?dǎo)率隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，均有不同程度的降低，其中Al－13Si合金的熱導(dǎo)率分別降低了3．2%，6．1%和12．1%；Al－17Si合金降低了2．7%，5．9%和14．5%；Al－21Si合金降低了3．2%，8．5%和17．3%．這是由于材料經(jīng)熱循環(huán)后形成氣孔，氣孔內(nèi)的氣體導(dǎo)熱系數(shù)低，會(huì)降低材料的整體導(dǎo)熱能力．氣孔對(duì)材料整體導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度，取決于氣孔所占的體積百分?jǐn)?shù)及材料中固相和氣相導(dǎo)熱系數(shù)之比．由于鋁硅合金在循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)氣孔，且氣孔的數(shù)目隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加，從而導(dǎo)致鋁硅合金熱導(dǎo)率的持續(xù)降低．

圖2 初始熔點(diǎn)與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖3 熱導(dǎo)率與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖3還可見，隨著鋁硅合金中Si含量的增加，其熱導(dǎo)率也呈下降趨勢(shì)．這是因?yàn)樵谶^共晶Al－Si合金儲(chǔ)熱材料中存在大量的α相和Si相相界面，隨著含Si量增多，合金中富Si粒子及初晶Si相數(shù)量增多、尺寸也較大，使聲子和自由電子發(fā)生一定的散射，從而降低了材料的導(dǎo)熱性能．

1．2．4 線膨脹系數(shù)

圖4為線膨脹系數(shù)與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系．從圖4可見，隨循環(huán)次數(shù)的增加，Al－Si合金線膨脹系數(shù)略有降低．在熱循環(huán)次數(shù)相同的情況下，過共晶Al－Si合金隨Si含量成分增加，線膨脹系數(shù)逐漸減小并呈減弱趨勢(shì)．在400，800和1200次熱循環(huán)下，Al－13Si合金的線膨脹系數(shù)分別降低了0．9%，0．6%和1．6%；Al－17%Si合金分別降低了1．1%，1．1%和1．5%；Al－21%Si合金分別降低了0．9%，1．1%和1．5%．這主要是因?yàn)檫^共晶Al－Si合金線性膨脹系數(shù)的大小，取決于合金中線膨脹系數(shù)小的Si含量的多少．經(jīng)熱循環(huán)后的試樣雖然發(fā)生了初晶硅減少、共晶Si變粗變大，但是這些只是形貌上的變化，對(duì)Si含量的多少并沒有什么影響．

圖4 線膨脹系數(shù)與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2 儲(chǔ)熱體數(shù)值模擬

為獲得鋁硅合金的儲(chǔ)熱特性，在對(duì)其熱物性進(jìn)行試驗(yàn)研究并得出變化規(guī)律后，還需要對(duì)鋁硅合金在儲(chǔ)熱體中應(yīng)用的傳熱規(guī)律進(jìn)行研究．下面對(duì)基于Al－13 Si合金的太陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中儲(chǔ)熱體的儲(chǔ)、放熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，找出其溫度變化規(guī)律，為鋁硅合金在儲(chǔ)熱體中的應(yīng)用提供依據(jù)．

2．1 儲(chǔ)熱體結(jié)構(gòu)

擬用于太陽能高溫?zé)崂玫匿X硅合金相變儲(chǔ)熱體，其外形呈圓柱型（圖5），底部為鍍有選擇性吸收涂層的吸熱面，頂部為熱流體通道及放熱面，中間為Al－13Si相變儲(chǔ)熱材料，外部設(shè)保溫層．

首先建立儲(chǔ)熱體網(wǎng)格，采用FLUENT6．3中的熔化/凝固模型對(duì)鋁硅合金相變儲(chǔ)熱體進(jìn)行模擬，利用儲(chǔ)熱體的溫度云圖來分析儲(chǔ)、放熱過程中，殼體底部和鋁硅合金溫度的變化情況．所模擬的儲(chǔ)熱體儲(chǔ)熱段的尺寸為直徑1000 mm×500 mm、殼體厚度5 mm．定義Lpc為相變界面位置，Tco，Tci，Tdo及Tdi分別為儲(chǔ)熱體底部吸熱面外側(cè)、內(nèi)側(cè)及儲(chǔ)熱體頂部放熱面外側(cè)、內(nèi)側(cè)的溫度．

圖5 儲(chǔ)熱體示意圖

2．2 儲(chǔ)熱過程數(shù)值模擬

在吸熱面的加熱熱流密度為100 k W/m2，其余各面絕熱及初始溫度為700 K的情況下，對(duì)上述儲(chǔ)熱體的儲(chǔ)熱過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖6．

從圖6中的曲線可以看出，鋁硅合金固－液相變界面從底部的吸熱面內(nèi)側(cè)開始出現(xiàn)，然后逐漸向上移動(dòng)，其移動(dòng)速度較為平穩(wěn)．由于儲(chǔ)熱過程中的熱量要通過吸熱層以導(dǎo)熱形式及已熔化的液體層以自然對(duì)流的形式來進(jìn)行傳遞，因此整個(gè)儲(chǔ)熱體的溫差隨著相變界面的上移越來越小，而相應(yīng)吸熱層上溫降所占的比例則越來越大．

圖6 儲(chǔ)熱過程數(shù)值模擬

由于底部是儲(chǔ)熱體的吸熱面，其外側(cè)溫度Tco是整個(gè)儲(chǔ)熱體的最高溫度所在．Tco在儲(chǔ)熱開始后即從初始溫度急劇上升，很快達(dá)到約920 K左右的穩(wěn)定溫度．相變過程結(jié)束后，Tco又會(huì)迅速升高，到儲(chǔ)熱過程結(jié)束時(shí)約達(dá)980 K．

吸熱面的內(nèi)側(cè)溫度Tci也是鋁硅合金在整個(gè)儲(chǔ)熱過程中的最高溫度．從圖6可知，Tci隨著Tco迅速增加，但一直低于Tco，其溫差即為吸熱面沿厚度方向的溫降．相變過程中Tci穩(wěn)定在860K左右；相變結(jié)束后，Tci也會(huì)迅速升高．由于腐蝕原因，鋁硅合金允許最高溫度受到限制，因此Tci可作為儲(chǔ)熱過程是否應(yīng)該結(jié)束的依據(jù)．

頂部放熱面內(nèi)側(cè)是最后發(fā)生相變的地方，其溫度Tdi也是鋁硅合金的最低溫度．整個(gè)儲(chǔ)熱過程Tdi一直在逐漸升高，當(dāng)Tdi超過相變溫度850K時(shí)，表示相變過程結(jié)束．因此可利用Tdi作為判斷相變過程是否完成的依據(jù)．

2．3 放熱過程數(shù)值模擬

在放熱面的放熱熱流密度為100 k W/m2，其余各面絕熱及初始溫度為900 K的情況下，對(duì)上述儲(chǔ)熱體的放熱過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖7．

圖7 放熱過程數(shù)值模擬

從圖7中Lpc的曲線可以看出，鋁硅合金液－固相變界面從頂部的放熱面內(nèi)側(cè)開始出現(xiàn)，然后逐漸向下移動(dòng)．由于受過冷的影響，其移動(dòng)速度開始較慢，后來逐漸加快并達(dá)到穩(wěn)定．由于放熱過程中的熱量要通過放熱層及已凝固的固體層以導(dǎo)熱形式來進(jìn)行傳遞，因此整個(gè)儲(chǔ)熱體的溫差隨著相變界面的下移越來越大，而相應(yīng)放熱層上溫降所占的比例則越來越小．

由于頂部是儲(chǔ)熱體的放熱面，其外側(cè)溫度Tdo是整個(gè)儲(chǔ)熱體的最低溫度所在．Tdo在放熱開始后即從初始溫度逐漸降低，相變過程結(jié)束時(shí)Tdo降至約610 K．由于儲(chǔ)熱體向外供熱的溫度受到Tdo的限制，因此Tdo可作為儲(chǔ)熱過程是否應(yīng)該結(jié)束的依據(jù)．

放熱面的內(nèi)側(cè)溫度Tdi同時(shí)也是鋁硅合金在整個(gè)放熱過程中的最低溫度．從圖7可見，Tdi隨著Tdo逐漸降低，但一直高于Tco，其溫差即為放熱面沿厚度方向的溫降．

底部吸熱面內(nèi)側(cè)是最后發(fā)生相變的地方，其溫度Tci也是鋁硅合金的最高溫度．整個(gè)相變過程Tci一直穩(wěn)定在相變溫度850 K，直到相變過程結(jié)束，Tci才迅速降低．因此，可利用Tci作為判斷相變過程是否完成的依據(jù)．

3 結(jié) 論

通過對(duì)硅含量分別為13%，17%及21%的鋁硅合金在400，800及1200次熱循環(huán)次數(shù)下熱物性的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，Al－Si合金的熔化潛熱、熔化溫度、熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)等熱物性雖然均有不同程度的變化，但所變化的幅度均較小，說明鋁硅合金的熱物性較為穩(wěn)定，衰減較慢．通過對(duì)基于鋁硅合金（13%Si）的太陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)中儲(chǔ)熱體的儲(chǔ)、放熱過程的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)熱體在儲(chǔ)、放熱過程中溫度變化緩慢，儲(chǔ)熱體吸熱面最高溫度達(dá)到980 K即可完成儲(chǔ)熱過程，放熱過程中在相變階段可提供610 K以上的供熱溫度，符合鋁硅合金工作溫度范圍及太陽能高溫?zé)崂孟到y(tǒng)對(duì)集熱及供熱參數(shù)的要求．

[1]楊敏林，楊曉西，丁靜，等．半周加熱半周絕熱的熔鹽吸熱管傳熱特性研究 [J]．太陽能學(xué)報(bào)，2009，30（8）：1007－1012．

[2]郭茶秀，魏新利，劉宏，等．高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳熱強(qiáng)化和參數(shù)化研究[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2008，29（6）：684－689．

[3]吳玉庭，朱建坤，張麗娜，等．高溫熔鹽的制備及實(shí)驗(yàn)研究[J]．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（1）：62－66．

[4]ULF H，BRUCE K，HENRY．Two－tank molten salt storage for parabolic trough solar power plants[J]．Energy，2004，29：883－893．

[5]劉靖，王馨，曾大本，等．高溫相變材料Al－Si合金選擇及其與金屬容器相容性實(shí)驗(yàn)研究[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2006，27（1）：36－40．

[6]黃志光，郭宏，吳廣忠，等．鋁基合金的用于太陽能高溫貯能的研究[J]．新能源，1992，14（12）：5－8．

Research of thermal storage characteristics of Al－Si alloy as PCM

CHEN Guan－sheng，WANG Bo－qun，ZHANG Ren－yuan，LI Feng，ZHANG Li，MAI Zhi－h(huán)ao
（Faculty of Material ＆ Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou Higher Education Mega－center 510006，China）

Al－Si alloys with different silicon content（wt%）including 13%，17%and 21%were studied at different thermal cycles of 400，800 and 1200 and the variation of thermal physical properties was analyzed．Then a numerical simulation of thermal storage unit was undertaken including heat charging and discharging process，which uses Al－13%Si alloy as PCM．The results of test and simulation showed that：with the increasing of number of thermal cycles，the thermal properties including latent heat of melting，startmelting temperature，thermal conductivity and linear expansion coefficient are stable although they change in different extent；the temperature change of thermal storage unit changes slowly during the process of heat charging and discharging；the concentrating temperature in heat absorbing surface is no more than 980K while the medium temperature feeding out is over 600K．

Al－Si alloy；solar energy；high temperature；phase change；thermal storage

TK124

A

1673－9981（2010）04－0255－05

2010－10－13

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2007AA05Z460）

陳觀生（1970—），男，江西靖安人，副教授，碩士．