泡沫金屬?gòu)?qiáng)化石蠟相變蓄熱過(guò)程可視化實(shí)驗(yàn)

楊佳霖，杜小澤，楊立軍，楊勇平

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

引 言

蓄熱技術(shù)是太陽(yáng)能熱利用時(shí)解決能量數(shù)量性與時(shí)域性差異的最佳手段。目前主要的蓄熱方式包括：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)能蓄熱[1]。較之顯熱蓄熱、化學(xué)能蓄熱，潛熱蓄熱具備蓄放熱過(guò)程能量密度高、溫度穩(wěn)定、相變材料價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但相變材料的低熱導(dǎo)率一直是限制潛熱蓄熱廣泛應(yīng)用和發(fā)展的最大障礙[2]。提高相變材料的熱導(dǎo)率，強(qiáng)化相變材料的換熱性能也成為潛熱蓄熱研究領(lǐng)域的熱門問(wèn)題。分析潛熱蓄熱系統(tǒng)強(qiáng)化換熱技術(shù)，提高潛熱蓄熱系統(tǒng)換熱性能的方法大體包括：①增加擴(kuò)展表面[3-4]；②多種相變材料共用[5]；③填充高導(dǎo)材料[6-7]；④相變材料微囊化技術(shù)[8]。

將相變材料填充入大孔隙率泡沫金屬中，金屬的高熱導(dǎo)率使復(fù)合材料較純相變材料的熱導(dǎo)率得到了提升；同時(shí)泡沫金屬是一種高孔隙率的多孔介質(zhì)，大面體比也發(fā)揮了強(qiáng)化換熱性能的作用[9]。Calmidi等[10-12]提取出高孔隙率泡沫金屬的組成單元，在 結(jié)構(gòu)角度給出了泡沫金屬的有效熱導(dǎo)率、滲透率、內(nèi)部阻力系數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，吻合度較好。Zhao等[13-16]采用非等溫?zé)崞胶夥匠虒?duì)泡沫金屬中相變材料的熔化和凝固過(guò)程進(jìn)行模擬研究，計(jì)算出自然對(duì)流影響下相界面的位置并分析了孔隙率、孔密度、材料物性等參數(shù)對(duì)相變過(guò)程的影響。Li等[17-20]將相變材料填充入泡沫金屬中，對(duì)混合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：盡管泡沫金屬對(duì)液相的自然對(duì)流存在阻礙作用，但復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能明顯好于純相變材料，蓄放熱時(shí)間顯著 縮短。

縱觀近期泡沫金屬?gòu)?qiáng)化相變材料蓄熱的實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容主要集中于對(duì)方腔內(nèi)蓄熱過(guò)程的研究，邊界條件一般為定熱流邊界條件，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菫槟M過(guò)程提供驗(yàn)證。本文對(duì)管殼式潛熱蓄熱結(jié)構(gòu)的泡沫金屬?gòu)?qiáng)化相變材料蓄熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以流動(dòng)熱水作為載熱流體，為相變材料蓄熱提供熱源。蓄熱過(guò)程中，對(duì)固-液相界面進(jìn)行可視化追蹤，得到清晰的相界面發(fā)展圖像。同時(shí)在相變材料內(nèi)布置熱電偶，能夠準(zhǔn)確獲得材料內(nèi)部的溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為探討泡沫金屬?gòu)?qiáng)化相變換熱過(guò)程的作用機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也可為后續(xù)采用泡沫金屬?gòu)?qiáng)化換熱的管殼式蓄熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分有效的 驗(yàn)證。

1 材料制備及熱物性測(cè)量

1.1 泡沫金屬填充石蠟復(fù)合材料的制備

采用真空注入法[21-22]制備泡沫金屬填充石蠟復(fù)合材料，填充系統(tǒng)包括真空泵(上海飛魯泵業(yè)旋片式真空泵)、真空表(上海儀川壓力真空表)、真空閥（KF型手動(dòng)擋板閥），所用材料為泡沫金屬銅，孔隙率為0.92，孔密度為20 PPI；純石蠟（熔點(diǎn)48～50℃，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），石蠟固體狀態(tài)密度為914 kg·m-3。將足量的固體石蠟置于不銹鋼真空罐底部，切割成型的實(shí)驗(yàn)件連同支架置于固體石蠟上部。封裝真空罐，連接抽真空管路，開(kāi)啟真空泵，控制真空表示數(shù)在-0.08 MPa以下，擰緊管路真空閥門，關(guān)閉真空泵，維持真空。真空罐置于90℃水浴中加熱。隨著石蠟熔化，泡沫金屬和支架逐漸下沉，熔化的石蠟液體進(jìn)入泡沫金屬中。待石蠟完全熔化，泡沫金屬完全沉沒(méi)于液體石蠟，停止加熱。將真空罐置于自然溫度水浴中冷卻，直至石蠟完全凝固，開(kāi)啟真空閥門。微熱分離石蠟與壁面，取出實(shí)驗(yàn)件樣品，并去除多余石蠟。填充石蠟前后的照片對(duì)比如圖1所示。

圖1 泡沫金屬銅填充石蠟前后的圖像 Fig.1 Metal foam copper (a) and composite of metal foam copper and paraffin (b)

以注入比α來(lái)表征真空填充程度，即填充相變材料體積占孔隙體積的大小，其計(jì)算式如下

式中，VPCM為填充入泡沫金屬中相變材料的體積，Vpore為泡沫金屬孔隙體積，Vtotal為泡沫金屬總體積，mt-mcu為填充后與填充前實(shí)驗(yàn)件的質(zhì)量差，ρPCM為相變材料密度，ε為泡沫金屬孔隙率。通過(guò)測(cè)量質(zhì)量差及泡沫金屬總體積，可得到注入比為96.7%。由于降溫過(guò)程中石蠟存在收縮，故注入比不能達(dá)到100%，從注入比的數(shù)值可以看出，材料復(fù)合較好，石蠟和泡沫金屬具有較好的相容性。

1.2 石蠟的相變特性

為探討石蠟的相變特性，對(duì)石蠟進(jìn)行DSC分析，其DSC曲線如圖2所示?？梢钥吹剑炏嘧兪莻€(gè)持續(xù)的升溫過(guò)程，并在熔化過(guò)程中在溫度為34.0℃和56.0℃出現(xiàn)兩個(gè)相變吸熱峰，存在明顯的固-固相變過(guò)程和固-液相變過(guò)程，其吸收潛熱分別為44.8 kJ·kg-1和136.4 kJ·kg-1。固-液相變的起始點(diǎn)為48.2℃，終止點(diǎn)為60.5℃，相變潛熱為固-固相變與固-液相變潛熱之和，為181.2 kJ·kg-1。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

圖2 石蠟的DSC相變特性曲線 Fig.2 Phase change characteristic of paraffin measured by DSC

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

圖4 實(shí)驗(yàn)件及熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)布置位置 Fig.4 Test section and location of thermal couple test point

圖3為實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖，整個(gè)系統(tǒng)可分為3個(gè)模塊：熱源模塊，實(shí)驗(yàn)件模塊及數(shù)據(jù)采集模塊。熱源模塊由恒溫水箱、壓力泵、流動(dòng)管路及調(diào)節(jié)閥組成，其功能是為實(shí)驗(yàn)件提供恒定流量、恒定進(jìn)口溫度的載熱流體，實(shí)驗(yàn)中載熱流體為水。實(shí)驗(yàn)件模 塊由PE箱體，高透有機(jī)玻璃蓋板及蓄熱材料組成，如圖4 (a)所示，PE箱體板和有機(jī)玻璃蓋板厚度均為20 mm，并在外側(cè)包裹橡塑保溫棉，以實(shí)現(xiàn)近似絕熱的效果，蓄熱材料形狀為帶有半圓形槽的 長(zhǎng)方體，其尺寸為240 mm×120 mm×60 mm，在 240 mm×120 mm截面中心位置開(kāi)20 mm直徑的半圓形槽，半圓槽與加熱管管徑過(guò)盈配合，箱體與觀察窗采用螺栓壓緊并以固體硅酮膠黏合密封，此模型為管殼式蓄熱單元的一半，用以觀察蓄熱單元內(nèi)相變過(guò)程相界面沿徑向方向的演化進(jìn)程。數(shù)據(jù)采集模塊由熱電偶（Omega T型熱電偶），PT100溫度變送器、高清數(shù)碼相機(jī)（Nikon D7000）、渦輪流量計(jì)及安捷倫數(shù)據(jù)采集器（34970A）組成，PT100用以采集實(shí)驗(yàn)件進(jìn)出口載熱流體的溫度，最小分辨率為0.1℃，熱電偶布置在如圖4 (b)所示截面，標(biāo)定后其測(cè)量的精度為0.1℃，布置位置如圖4 (c)所示。

實(shí)驗(yàn)中，先開(kāi)啟恒溫水浴箱，設(shè)定所需溫度，待達(dá)到后，開(kāi)通流量調(diào)節(jié)旁路及蓄熱單元旁路，恒溫水浴箱中熱水經(jīng)壓力泵增壓，克服管道阻力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)。待載熱流體溫度及流量穩(wěn)定后，扳動(dòng)實(shí)驗(yàn)件兩端T型換向閥，改變水流通道，由蓄熱單元旁路迅速切換至蓄熱單元管路，保證了蓄熱單元準(zhǔn)確、穩(wěn)定的初始條件。分別對(duì)純石蠟和復(fù)合材料進(jìn)行蓄熱全過(guò)程測(cè)量并進(jìn)行對(duì)比，其基本條件是：①保證純石蠟的質(zhì)量與復(fù)合材料中石蠟的質(zhì)量相等；②保證恒溫水浴提供給實(shí)驗(yàn)件相同的載熱流體進(jìn)口水溫和流動(dòng)速度，恒溫水浴溫度設(shè)定為70℃，流速為0.1 m3·h-1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 相變界面的演化進(jìn)程

圖5 純石蠟相變界面演化過(guò)程 Fig.5 Evolution of solid-liquid interface for pure paraffin

圖5所示為純石蠟相變過(guò)程固-液界面隨時(shí)間 的演化過(guò)程，由于實(shí)驗(yàn)件沿圓管中軸線對(duì)稱，截取左側(cè)部分對(duì)相界面變化進(jìn)行分析。30 min時(shí)，石蠟在貼近管壁位置已經(jīng)熔化，由于液相狀態(tài)的石蠟較少，自然對(duì)流尚未表現(xiàn)明顯作用，固-液相界面形狀為與加熱管壁同軸的圓柱面。直到90 min時(shí)，自然對(duì)流作用逐漸體現(xiàn)，在液相區(qū)近壁側(cè)上升，溫度升高，在固-液界面?zhèn)葲_刷界面并將熱量傳遞給界面，可以看到實(shí)驗(yàn)件的中上部分相界面呈錐形。錐形出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)件中上部而非頂端，主要原因是制備實(shí)驗(yàn)件過(guò)程中，石蠟以液相注入實(shí)驗(yàn)箱體并豎直放置冷卻，石蠟?zāi)毯髸?huì)在頂部形成洼陷和內(nèi)部空穴，因此在頂部與管壁接觸的石蠟熔化后會(huì)倒灌入洼陷和空穴中。隨著液相石蠟的逐漸增多，加之石蠟熔化體積膨脹，洼陷和空穴逐漸被液相石蠟填滿，圖中210 min后，液相石蠟已充滿實(shí)驗(yàn)件箱體上部。而后液相石蠟區(qū)域由上至下逐漸增多，但底部形成的圓柱型流道幾乎沒(méi)有擴(kuò)大，該現(xiàn)象表明自然對(duì)流在相變過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)，主要的換熱界面為錐面區(qū)域的固-液界面，下部圓柱型的固-液界面處換熱微弱。綜合整個(gè)熔化進(jìn)程可以看到，石蠟區(qū)域可按顏色分成3個(gè)區(qū)域：暗白色的固相區(qū)，亮白色的模糊區(qū)和透明略黃的液相區(qū)，隨著相變進(jìn)行，液相區(qū)增多，模糊區(qū)域?qū)挾仍龃?，固相區(qū)減小，但液相區(qū)的增長(zhǎng)速度逐漸變慢，熔化速度降低，810～930 min的界面對(duì)比可以看到液相區(qū)體積基本沒(méi)有變化。實(shí)驗(yàn)件底部除與管壁接觸處形成液相石蠟薄層，大部分區(qū)域并未發(fā)生變化，充分印證了管殼式蓄熱器相變材料出現(xiàn)局部過(guò)熱且相變材料不能充分熔化蓄熱的 狀況。

圖6 復(fù)合材料相變界面演化過(guò)程 Fig.6 Evolution of solid-liquid interface for metal foam and paraffin composite

在相同的蓄熱材料量，相同的加熱溫度，相同載熱流體流速條件下，同樣截取左側(cè)部分進(jìn)行對(duì)比觀察，較之純石蠟相變過(guò)程，將石蠟填充入高孔隙率泡沫金屬銅中制備的復(fù)合材料的熔化時(shí)間明顯縮短，熔化速度顯著加快，圖6顯示，165 min時(shí)， 整個(gè)復(fù)合材料區(qū)域，石蠟已完全呈現(xiàn)液相狀態(tài)。藍(lán)色線為固相區(qū)與模糊區(qū)分界線，紅色線為液相區(qū)與模糊區(qū)分界線，可以看到隨著熔化的進(jìn)行，固相區(qū)逐漸減少并很快消失，模糊區(qū)面積增長(zhǎng)較快。自然對(duì)流作用在復(fù)合材料的相變過(guò)程中依然存在，使界面呈現(xiàn)錐形，但錐角明顯小于純石蠟界面，下部的熔化近程略慢于上部，但未形成圓柱形液相石蠟流道，說(shuō)明自然對(duì)流流動(dòng)受到泡沫金屬孔隙抑制作用。模糊區(qū)域沿?zé)崃總鬟f方向變寬證明，復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率顯著高于純石蠟的熱導(dǎo)率。

3.2 相變過(guò)程溫度分布

圖7～圖9為各測(cè)點(diǎn)在熔化過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化的曲線?？梢钥吹?，純石蠟相變過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)溫度曲線在48～56℃之間升溫緩慢，表明在整個(gè)熔化升溫過(guò)程中，該溫度區(qū)內(nèi)吸熱明顯，與DSC測(cè)量結(jié)果吻合。豎直方向上，各測(cè)點(diǎn)溫差較大，頂部測(cè)點(diǎn)由于強(qiáng)烈的自然對(duì)流作用，升溫速度較快，迅速完成相變過(guò)程，而底部測(cè)點(diǎn)在整個(gè)過(guò)程中均未達(dá)到相變溫度，內(nèi)部溫度分布極其不均勻。復(fù)合材料內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度分布則較為均勻，豎直方向上，各測(cè)點(diǎn)升溫曲線相對(duì)同步，均能較快達(dá)到熔化溫度，側(cè)面驗(yàn)證了泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)抑制了自然對(duì)流流動(dòng)，導(dǎo)熱過(guò)程占據(jù)主導(dǎo)作用。復(fù)合材料內(nèi)測(cè)點(diǎn)升溫快速，也表明泡沫金屬的高導(dǎo)熱性能使復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率得到明顯提高。近距離觀察界面位置可以看到，孔隙內(nèi)沿孔隙骨架形成一層液相石蠟層，相變材料在孔隙尺度上形成液相區(qū)、模糊區(qū)及固相區(qū)，與孔隙結(jié)構(gòu)接觸位置的石蠟先熔化，逐漸向孔隙內(nèi)石蠟擴(kuò)散。表明由于金屬骨架與相變材料的熱導(dǎo)率存在數(shù)量級(jí)上的差別，金屬骨架的溫度將高于相變材料，導(dǎo)熱作用可迅速將管壁或液相高溫區(qū)域的熱量通過(guò)金屬骨架傳遞至模糊區(qū)乃至固相區(qū)相變材料內(nèi)部，一方面使得相變過(guò)程并未表現(xiàn)出明顯的吸熱 區(qū)間，同時(shí)泡沫金屬的高熱導(dǎo)率也強(qiáng)化了復(fù)合材料內(nèi)部換熱過(guò)程。

圖7 內(nèi)層測(cè)點(diǎn)熔化過(guò)程溫度變化對(duì)比 Fig.7 Temperature distribution of test points 1#, 4#, 7#, 10#, 13#

圖8 中間層測(cè)點(diǎn)熔化過(guò)程溫度變化對(duì)比 Fig.8 Temperature distribution of test points 2#, 5#, 8#, 11#, 14#

圖9 外層測(cè)點(diǎn)熔化過(guò)程溫度變化對(duì)比 Fig.9 Temperature distribution of test points 3#, 6#, 9#, 12#, 15#

3.3 相變過(guò)程中蓄熱熱通量的變化

圖10 所示為蓄熱熱通量曲線，定義蓄熱熱通量為

式中，cf為載熱流體換熱溫度下平均比熱容，mf為載熱流體質(zhì)量流速，ΔT為載熱流體進(jìn)出口溫差，At為換熱面積。熱通量的不確定度由式(3)計(jì)算

圖10 蓄熱熱通量隨時(shí)間變化曲線 Fig.10 Variation of heat flux of thermal energy storage with time

計(jì)算可得蓄熱熱通量的不確定度為2.36%，在允許范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中保持石蠟的質(zhì)量相同，則復(fù)合材料的體積由于金屬骨架和填充率的影響，復(fù)合材料條件的換熱面積大于純石蠟條件。由圖10可以看到，在熔化初始階段載熱流體與實(shí)驗(yàn)材料溫差較大，換熱強(qiáng)烈，蓄熱熱通量大，隨著實(shí)驗(yàn)材料溫度升高并發(fā)生相變，盡管在界面與換熱壁面間導(dǎo)熱熱阻增大，但自然對(duì)流的促進(jìn)作用強(qiáng)化了換熱過(guò)程，致使換熱趨于穩(wěn)定，蓄熱熱通量也趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)材料為復(fù)合材料時(shí)，載熱流體的熱通量明顯高于純石蠟條件下，表明復(fù)合材料的換熱較強(qiáng)，泡沫金屬顯著強(qiáng)化了相變材料的換熱過(guò)程。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)泡沫金屬?gòu)?qiáng)化石蠟相變過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）以真空注入法制備的石蠟填充泡沫金屬銅的復(fù)合材料，相變材料填充充分，填充后的復(fù)合材料注入比可達(dá)96.7%。

（2）搭建的可視化相界面演化進(jìn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，清晰記錄了純石蠟和復(fù)合材料熔化過(guò)程的相界面位置及形狀，液相區(qū)、模糊區(qū)和固相區(qū)具有明顯的分層特征。

（3）自然對(duì)流作用加快材料上部熔化，形成類圓錐形界面，純石蠟條件液相界面錐角遠(yuǎn)大于復(fù)合材料條件表征泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)對(duì)液相區(qū)自然對(duì)流有抑制作用。

（4）自然對(duì)流作用在純石蠟底部形成圓柱形流道，熱量隨高溫液相石蠟上移，內(nèi)部溫度不均勻，出現(xiàn)頂部過(guò)熱和底部不熔化現(xiàn)象，有明顯的相變恒溫區(qū)間；復(fù)合材料熔化過(guò)程中，多孔結(jié)構(gòu)抑制自 然對(duì)流，導(dǎo)熱占據(jù)主導(dǎo)，內(nèi)部溫度分布均勻，上、下部熔化進(jìn)程趨于同步，且未出現(xiàn)明顯的相變恒溫 過(guò)程。

（5）泡沫金屬可顯著提高復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率，復(fù)合材料的蓄熱熱通量可達(dá)純石蠟條件的8倍，顯著縮短了蓄熱時(shí)間。

符 號(hào) 說(shuō) 明

At——加熱管表面積，m2

cf——載熱流體比熱容，J·kg-1·K-1

mcu——泡沫金屬質(zhì)量，kg

mt——填充相變材料后質(zhì)量，kg

q——蓄熱熱通量，W·m-2

ΔT——載熱流體溫度進(jìn)出實(shí)驗(yàn)件溫差，K

VPCM,Vpore,Vtotal——分別為填充后相變材料體積、空隙體積和材料總體積，m3

α——注入比

ε——孔隙率

ρPCM——相變材料密度，kg·m-3

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