火墻環(huán)境下有機相變材料封裝盒體的導(dǎo)熱增強

高小建，李雙欣，連紀峰

(1. 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱)

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火墻環(huán)境下有機相變材料封裝盒體的導(dǎo)熱增強

高小建1,2，李雙欣2，連紀峰2

(1. 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，150090哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱)

摘要:為提高火墻環(huán)境下有機相變材料宏觀封裝盒體的吸熱效率，通過實驗室恒溫箱模擬火墻環(huán)境條件，研究了添加不同數(shù)量導(dǎo)熱翅片和填充泡沫銅對有機相變材料宏觀封裝盒體吸放熱過程的影響.結(jié)果表明：隨著導(dǎo)熱翅片數(shù)量增加，不同厚度封裝盒體中相變材料的完全相變時間明顯縮短，而導(dǎo)熱翅片數(shù)量過多時會顯著降低厚度較小封裝盒體的有效放熱時間;填充泡沫銅使宏觀封裝盒體中相變材料的溫度分布更加均勻，同時可進一步降低厚度較大封裝盒體中相變材料的完全相變時間;通過添加15個導(dǎo)熱翅片和填充泡沫銅可使45 mm厚封裝盒體中相變材料的完全相變時間縮短64.8%，此方法可有效解決火墻環(huán)境中大容量宏觀封裝有機相變材料盒體的吸熱緩慢問題.

關(guān)鍵詞:有機相變材料；宏觀封裝；導(dǎo)熱翅片；泡沫銅；吸放熱規(guī)律

相變材料是指具有在某特定溫度范圍內(nèi)發(fā)生物相變化并吸收或釋放大量潛熱的一類物質(zhì)[1].將相變材料應(yīng)用于建筑物，可以達到維持室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定、提高居住舒適性或降低建筑使用能耗的效果[2].火墻是中國東北嚴寒地區(qū)村鎮(zhèn)建筑中普遍采用的一種間歇式取暖方式[3]，由于傳統(tǒng)火墻的砌筑材料儲熱量不高，從而造成采暖時段房間溫度快速上升，采暖間歇時段室內(nèi)溫度又快速下降，嚴重影響房屋的居住舒適性[4].因此，將相變材料進行定型封裝后應(yīng)用于火墻，使其在采暖時段將多余的熱量吸收儲存起來，在采暖間歇時段又將熱量釋放出來，可較好地解決嚴寒地區(qū)村鎮(zhèn)建筑物居住舒適性差的問題.目前，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者把相變材料定型封裝成微顆?；蛭⒛z囊[5]，再與石膏、水泥基材料結(jié)合制成具有儲熱功能的建筑材料.文獻[6-7]采用直接浸泡法將熔融狀態(tài)下的相變材料液體浸漬到多孔的石膏板等建筑材料，從而提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的儲熱能力.文獻[8]先將液態(tài)相變材料浸漬到輕骨料中，再用來制備具有調(diào)溫功能的水泥基復(fù)合材料.由于火墻的加熱面積較小而且間歇式采暖的加熱時間較短，而這類封裝方式所得制品中單位體積的相變材料含量較少，相變儲熱量較低，因而并不適用；如果采用大容量的宏觀封裝相變材料塊體或盒體則能更好地發(fā)揮相變材料的儲熱調(diào)溫功能[9]，提高房屋的居住舒適度.

相變材料主要可分為有機和無機兩大類，其中有機類相變材料具有腐蝕性小、無過冷和相分離現(xiàn)象、長期性能穩(wěn)定等優(yōu)點[10]，是較為理想的建筑用相變儲熱材料.同時，有機類相變材料的缺點是導(dǎo)熱系數(shù)較小，通常只有0.15～0.35 W/(m·K)[11].國內(nèi)外不同學(xué)者采用添加金屬粉體[12]、膨脹石墨粉[13]等高導(dǎo)熱粉體材料提高有機相變材料的導(dǎo)熱性能，而這種改性后的相變材料在宏觀封裝體中經(jīng)過若干次冷熱循環(huán)后可能會出現(xiàn)沉淀或物相分離的現(xiàn)象.因此，本文采用在吸熱面設(shè)置不同數(shù)量導(dǎo)熱翅片和內(nèi)部填充泡沫銅的方式制備不同厚度的宏觀封裝相變材料盒體，并通過實驗室模擬火墻環(huán)境測試其吸放熱特性，為實際應(yīng)用中宏觀封裝相變材料盒體的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1原材料與研究方案

根據(jù)火墻取暖的特點，采用相變溫度為54～55 ℃的肉豆蔻酸為相變材料，其相變潛熱為201 kJ/kg.封裝盒體材料為金屬銅，其導(dǎo)熱系數(shù)為401 W/(m·K)，盒體外殼厚度均為1 mm.盒體內(nèi)填充導(dǎo)熱增強材料為泡沫銅，其孔隙率高達97%以上.設(shè)計制備了內(nèi)部尺寸分別為300 mm×300 mm×25 mm和300 mm×300 mm×45 mm的兩種不同厚度的封裝盒體，并在盒體吸熱面上分別均勻布置0、5、10、15個導(dǎo)熱翅片，見圖1.由于每個翅片大小為300 mm×30 mm×1 mm，安裝5、10、15個翅片相當于將原來盒體的吸熱面積增加了50%、100%和150%.

圖1　表面設(shè)置不同數(shù)量翅片的相變材料封裝盒體示意

為了模擬測試在火墻環(huán)境中各封裝盒體的吸放熱特性，在裝滿相變材料的盒體內(nèi)部中心部位沿厚度方向均勻布置3個熱電偶，監(jiān)測封裝體中相變材料的內(nèi)表層、中間層和外表層的溫度變化規(guī)律，見圖2.以恒溫烘箱提供熱源模擬火墻煙氣環(huán)境，將制備好的相變材料封裝盒體鑲嵌在石膏板上，并將石膏板緊扣在恒溫烘箱門框上并保持原來的烘箱門始終處于打開狀態(tài)，從而使設(shè)置不同數(shù)量導(dǎo)熱翅片的盒體吸熱表面與恒溫烘箱中的熱空氣接觸，外表面則暴露在室內(nèi)空氣中(17±0.5 ℃).在加熱階段，將恒溫烘箱的溫度設(shè)定為80 ℃，并通過TRM-WD120溫度記錄儀監(jiān)測相變材料盒體中的3個測點溫度隨加熱時間的上升過程.當盒體中內(nèi)、中、外3點的溫度均達到54～55 ℃時，說明封裝盒體中的相變材料全部發(fā)生相變?nèi)刍梢簯B(tài)，這時立即關(guān)閉恒溫烘箱電源，并記錄盒體中不同位置溫度隨時間下降的過程，直至所有測點的溫度降低到30 ℃時便停止試驗.

圖2　相變材料封裝盒體實驗測試裝置

2結(jié)果與分析

為了方便對比分析，定義3個吸放熱參數(shù)：材料完全相變時間t1、中心平臺期t2和有效放熱時間t3.材料完全相變時間是指加熱階段封裝體中所有材料(內(nèi)層、中間、外層)都達到相變溫度范圍，即由固態(tài)吸收熱量轉(zhuǎn)變成液態(tài)所需要的時間，反映了相變材料宏觀封裝體吸收熱量的速率；中心平臺期是指實驗停止加熱后，封裝體中間層材料仍維持在55～54 ℃相變溫度范圍的時間，此參數(shù)反映了封裝體內(nèi)相變潛熱的釋放速率；有效放熱時間是指封裝體內(nèi)各層溫度從停止加熱降低到30 ℃時所持續(xù)的放熱時間，這在一定程度上反映了整個封裝體向周圍空間持續(xù)供熱的能力.

2.1翅片數(shù)量對25 mm厚度盒體吸放熱規(guī)律的影響

對于25 mm厚度的相變材料封裝盒體，分別安裝0、5、10、15個翅片時盒體中相變材料的內(nèi)表層、中間層和外表層溫度隨時間變化規(guī)律見圖3.對于每個封裝盒體，內(nèi)層、中間、外層3個測點處的溫度開始均隨加熱時間增加而快速升高；當達到50 ℃以上時內(nèi)層測點的溫度繼續(xù)緩慢增長，而中間層和外層測點溫度上升非常緩慢，這主要是由于盒體中的相變材料開始發(fā)生相變吸收大量的熱量.當超過一定加熱時間后，相變材料中間層和外層測點的溫度出現(xiàn)突然上升現(xiàn)象并高于材料的相變溫度54 ℃以上，說明這時整個封裝體內(nèi)材料已經(jīng)完成了相變吸熱過程.在此點之后，由于停止烘箱加熱，3個測點的溫度快速下降到相變溫度54～55 ℃范圍，并且在這一溫度范圍中間層測點出現(xiàn)一個較長的平臺期，這是由于相變材料發(fā)生相變放熱的原因.由于有機類相變材料的導(dǎo)熱性較低，在加熱階段，內(nèi)層測試點溫度明顯高于中間層和外層測點；而在后期放熱階段，中間層的溫度則高于兩個表面層的溫度.

由圖3分析得到的各盒體的吸放熱參數(shù)見表1.安裝5、10、15個翅片(相當于吸熱面積分別增加了50%、100%、150%)，可使封裝盒體中相變材料的完全相變時間由原來的284 min縮減到198、178和138 min，分別縮短了30.3%、37.3%和51.4%.添加5個和10個翅片對于盒體的中心平臺期和有效放熱時間并不明顯，而15個翅片使盒體的中心平臺期和有效放熱時間分別降低了18.2%和22.1%，這對于發(fā)揮相變材料的儲熱調(diào)溫功能非常不利.這主要是由于過多的導(dǎo)熱翅片既增加了盒體吸熱面積，同時也增加了降溫階段的放熱面積，而這種效應(yīng)對于相變材料含量和儲熱能力較少的封裝體(厚度小)來說更加明顯.

圖3　不同數(shù)量翅片條件下25 mm厚度盒體的溫度-時間曲線

盒體種類t1/mint2/mint3/min無翅片2841322725翅片19812824810翅片17813024215翅片138108212

2.2翅片數(shù)量對45 mm厚度盒體吸放熱規(guī)律的影響

安裝不同數(shù)量翅片對45 mm厚封裝盒體的吸放熱過程的影響規(guī)律見圖4.各盒體中3個測點的溫度隨時間而出現(xiàn)的吸熱與放熱規(guī)律與25 mm厚度封裝盒體類似；但由于盒體中相變材料厚度的增加和相變材料導(dǎo)熱性低等原因，45 mm厚度封裝盒的吸熱過程明顯大于25 mm厚度封裝盒體；同時，前者的放熱時間也比后者更長.在加熱階段，接近加熱源的內(nèi)層測點溫度明顯高于中間層和外層測點；在放熱階段，中間層測點的溫度降低明顯低于內(nèi)表層和外表層這兩個測點，這種測點之間的溫度差異對于45 mm厚度封裝盒體來說更加顯著.在同樣加熱與放熱條件下，整個盒體的平均升溫吸熱速率和降溫放熱速率隨著翅片數(shù)量的增加呈現(xiàn)明顯的加快趨勢.

由圖4溫度曲線中分析得到的各盒體吸放熱參數(shù)見表2.安裝5、10、15個翅片(相當于吸熱面積分別增加了50%、100%、150%)，可使封裝盒體中相變材料的完全相變時間由原來的512 min縮減到394、284 和274 min，分別縮短了23.0%、44.5%和46.5%.添加5、10、15個翅片使盒體的中心平臺期時間略有降低，降低幅度在6.9%～9.5%范圍；同時，使盒體的有效放熱時間降低8.6%～12.9%.可見，由于隨盒體厚度增大，所封裝的相變材料量及其儲熱能量增加，安裝導(dǎo)熱翅片對其放熱過程的影響變小，有利于充分發(fā)揮其儲熱調(diào)溫功能.

圖4　不同數(shù)量翅片條件下45 mm厚度盒體的溫度-時間曲線

盒體種類t1/mint2/mint3/min無翅片5122324665翅片39421242610翅片28421641015翅片274210406

2.3填充泡沫銅對封裝盒體吸放熱規(guī)律的影響

針對兩種厚度盒體在吸熱表面布置10和15個導(dǎo)熱翅片條件下，在盒體中同時填充泡沫銅而得到的各封裝盒體的吸放熱規(guī)律見圖5.各盒體中3個測點隨時間先后經(jīng)歷了加熱升溫期、中心平臺期和放熱降溫期3個階段，基本變化規(guī)律與未填充泡沫銅的盒體類似.同時，填充泡沫銅使相變材料封裝盒體中3個測點的溫度差在整個試驗過程中都明顯變小，特別是對于安裝10個和15個導(dǎo)熱翅片的45 mm厚度封裝體來說，填充泡沫銅后盒體中3個測點的溫度曲線幾乎重疊.這主要是由于填充泡沫銅后明顯提高了相變材料的整體導(dǎo)熱性能，使封裝盒體中的溫度分布更加均勻.

各盒體的吸放熱參數(shù)見表3，通過與表1、2中數(shù)據(jù)對比分析，對于安裝10和15個翅片的25 mm厚度封裝體，填充泡沫銅分別使相變材料的完全相變時間縮短14 min和延長18 min，這是由于泡沫銅在提高相變材料導(dǎo)熱性縮短吸熱時間的同時，也會加快在吸熱過程中的外表面熱量散失，因而總體來說對于厚度較小盒體的作用不明顯.對于安裝10和15個翅片的45 mm厚度封裝體，填充泡沫銅分別使相變材料的完全相變時間縮短了50 min和94 min，縮短幅度高達17.6%和34.3%，同時也使封裝盒體的中間平臺期和有效放熱時間分別降低了28.7.2%～34.3%和18.0%～19.2%.與無翅片盒體相對比，安裝15個導(dǎo)熱翅片+填充泡沫銅使45 mm厚封裝體相變材料的完全相變時間由512 min降低到180 min，降幅高達64.8%，可有效解決火墻環(huán)境中大容量宏觀封裝相變材料吸熱慢的問題.

圖5　內(nèi)填泡沫銅時相變材料封裝盒體的溫度-時間曲線

盒體種類t1/mint2/mint3/min25mm10翅片16414223015翅片15611221045mm10翅片23415433615翅片180138328

3結(jié)論

1)在模擬火墻環(huán)境條件下，隨著吸熱表面導(dǎo)熱翅片數(shù)量增加，宏觀封裝盒體中相變材料的完全相變時間明顯縮短；當封裝盒體厚度較小時，導(dǎo)熱翅片數(shù)量過多會顯著縮短相變盒體的有效放熱時間，不利于發(fā)揮相變材料的儲熱調(diào)溫功能.

2)在安裝導(dǎo)熱翅片情況下，內(nèi)部填充泡沫銅使封裝盒體中不同位置處溫度分布更加均勻，同時可明顯降低厚度較大封裝盒體中相變材料的完全相變時間.

3)與無翅片盒體相對比，安裝15個導(dǎo)熱翅片+填充泡沫銅使45 mm厚封裝體相變材料的完全相變時間由512 min降低到180 min，降幅高達64.8%，可有效解決火墻環(huán)境中大容量宏觀封裝相變材料吸熱緩慢的問題.

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(編輯趙麗瑩)

Heat transfer improvement of macro encapsulation box of organic phase change material under hot wall environment

GAO Xiaojian1,2，LI Shuangxin2, LIAN Jifeng2

(1.Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control (Harbin Institute of Technology), Ministry of Education,150090 Harbin, China； 2.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China)

Abstract:A simulated hot wall condition was provided by a thermostat oven in lab and the exothermic and endothermic process of organic phase change material macro encapsulation box was measured when different quantity of conductive fins was installed or the box was filled with copper foam. The results show that the increasing quantity of fins leads to the reduction of complete phase transformation time, while the installation of excessive fins can decrease the effective heat release time for the package box with small thickness. The usage of copper foam results in the more uniform temperature distribution, and further reduces the complete phase transformation time in thick encapsulation box. The complete phase transformation time in a 45 mm thick encapsulation box is decreased by 64.8% when both the installation of 15 conductive fins and the copper foam filling are applied. The application of these two methods provides a good solution for the slow endothermic process of macro encapsulation box containing huge volume of organic phase change material under hot wall environment.

Keywords:organic phase change material； macro encapsulation box； conductive fin; copper foam； exothermic and endothermic pattern

中圖分類號:TU502

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0138-05

通信作者:高小建，gaoxj@hit.edu.cn.

作者簡介:高小建(1976—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項目:國家科技支撐計劃課題(2013BAJ12B03).

收稿日期:2015-05-18.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.022