通孔金屬泡沫強化蓄冰實驗研究

白青松, 郭增旭, 劉亦琳, 楊肖虎, 金立文

(西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 710049, 西安)

通孔金屬泡沫強化蓄冰實驗研究

白青松, 郭增旭, 劉亦琳, 楊肖虎, 金立文

(西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 710049, 西安)

為了研究通孔金屬泡沫內(nèi)嵌相變材料凝固過程特性及泡沫材料孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對凝固過程的影響,搭建了固液相變傳熱可視化測量系統(tǒng),利用該系統(tǒng)就通孔銅泡沫強化蓄冰過程開展了實驗研究。實時觀測了凝固相界面的瞬態(tài)移動過程,測量了金屬骨架表面和內(nèi)嵌相變介質(zhì)的實時溫度,研究結(jié)果表明:銅泡沫可有效改善蓄冰后期傳熱惡化現(xiàn)象,大幅減少蓄冰時間,加入銅泡沫后,結(jié)冰所需時間與純水工況相比減少為48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)和60.97%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.97);銅泡沫的孔隙率對結(jié)冰過程影響較大,孔隙率為0.90的銅泡沫比孔隙率為0.97的銅泡沫中水完全凝固時間減少20%,而孔密度對結(jié)冰過程影響可忽略不計?？梢暬Y(jié)果表明,未凝固相局部自然對流導(dǎo)致凝固相界面發(fā)生傾斜,呈現(xiàn)下部略快于上部的凝固界面。

相變傳熱;金屬泡沫;凝固;實驗研究

冰蓄冷空調(diào)是近些年來發(fā)展起來的一種新型空調(diào),可利用峰谷電價夜晚蓄冰,白天融冰供冷,實現(xiàn)谷電峰用,從而降低空調(diào)系統(tǒng)運行成本并能平衡電網(wǎng)負荷[1]。在冰蓄冷空調(diào)中,蓄冰過程直接影響著整個空調(diào)系統(tǒng)的供冷效率,然而由于相變材料(如石蠟、水等)導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低,相變蓄冷效率低下,儲能和釋能周期長,限制了相變蓄冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用[2-5]。因此,對蓄冰過程進行研究,尋找提高蓄冰效率的方法顯得尤為重要。

通孔金屬泡沫是近幾十年發(fā)展起來的一種新型輕質(zhì)材料,具有密度小、孔隙率高、比表面積大、骨架導(dǎo)熱率高等特性[6-7],前期研究表明,通孔金屬泡沫在電子元器件熱管理、燃料電池和緊湊型熱交換器等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。豐富的比表面積和內(nèi)部相互貫通的孔隙結(jié)構(gòu)可使得相變材料內(nèi)嵌,形成相變材料-金屬泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu),以強化固液相變傳熱。

蔣玉龍等對填充泡沫材料的冰蓄冷板內(nèi)的融冰過程建立了相變傳熱數(shù)學(xué)模型,并考慮了自然對流的影響,分別通過模擬和實驗的方法研究了通孔聚氨酯泡沫和銅泡沫對融化過程的影響,結(jié)果表明:高導(dǎo)熱率的金屬泡沫能有效改善冰蓄冷板的溫度分布并提高其融冰能力,而低導(dǎo)熱率的聚氨酯泡沫可延長冰蓄冷板的釋冰時間,且釋冰所需時間隨孔密度減小而增加[9]。施娟等通過實驗比較了普通蓄冰球和填充有金屬泡沫的蓄冰球內(nèi)蓄冰的動態(tài)變化過程,實驗表明:相同制冷條件下,填充有金屬泡沫的蓄冰球中相變材料進入相變狀態(tài)速度較快,完成相變過程時間較短,說明金屬泡沫能有效地強化蓄冰過程,提高換熱效率[10]。楊秀和陳振乾建立了蓄冰球中填充鋁泡沫的融化相變過程自然對流模型,模擬了單個冰球二維融化過程的溫度場和相界面移動規(guī)律[11]。Yang等對相變材料-金屬泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu)的凝固過程進行了實驗及數(shù)值模擬研究,并與拓展后的經(jīng)典Neumann解預(yù)測結(jié)果進行對比,實驗可視化結(jié)果顯示:相界面在宏觀尺度下平坦規(guī)則,但孔隙尺度下的數(shù)值模擬顯示凝固相界面呈現(xiàn)不規(guī)則的微觀凹凸[12]。Feng等針對金屬泡沫底部冷卻的定向凝固過程做了實驗和數(shù)值模擬研究,在忽略自然對流對凝固過程的影響下,對金屬泡沫與基板間的接觸熱阻做了分析,結(jié)果表明由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)(～2.26 W·(m·K)-1)很大,金屬泡沫與基板間的接觸熱阻可忽略不計[13]。

目前雖然已有大量針對蓄冰過程的研究,但采用金屬泡沫對蓄冰過程進行強化的研究相對較少,而針對豎直方腔內(nèi)側(cè)壁冷卻條件下利用金屬泡沫強化蓄冰過程的研究還未見報道,尤其關(guān)于液相區(qū)存在的自然對流對蓄冰過程影響的研究仍未開展。為此,本文針對豎直方腔內(nèi)側(cè)壁冷卻下金屬泡沫強化蓄冰過程進行了實驗研究,采用蒸餾水作為相變工質(zhì),搭建了相變界面可視化實驗臺對其蓄冰過程中相界面的遷移進行了觀察,探索自然對流對蓄冰過程影響的特性規(guī)律。

1 實驗裝置

1.1 實驗試件

本文將具有不同孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔密度和孔隙率)的銅泡沫切割成具有相同規(guī)格尺寸(68 mm×68 mm×28 mm)的試樣,詳細參數(shù)見表1,泡沫試樣如圖1所示,分別在銅泡沫試樣金屬桿表面和相變材料內(nèi)布置熱電偶,以監(jiān)測相變過程中的實時溫度。

表1 通孔銅泡沫試樣參數(shù)

1～4:測點位置圖1 試樣A實物圖

1.2 實驗系統(tǒng)

本實驗為研究金屬泡沫孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及自然對流對蓄冰過程的影響,搭建了一套相變換熱實驗系統(tǒng),如圖2所示,主要包括相變換熱裝置、恒溫水箱、數(shù)據(jù)采集器及拍攝設(shè)備,其中相變換熱裝置由聚氨酯泡沫、銅基板、銅片、金屬泡沫及豎向有機玻璃框組成,銅基板內(nèi)含有通道可供冷卻介質(zhì)流通,銅基板嵌在聚氨酯泡沫(導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·(m·K)-1)內(nèi)以減少冷量損失。為了方便更換金屬泡沫試樣并使其緊密接觸,采用與金屬泡沫試樣大小一致且厚度為2 mm的銅片分別與銅基板和金屬泡沫試樣粘在一起,為了降低接觸熱阻,采用導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱系數(shù)為25 W·(m·K)-1)作為粘接劑。其中銅基板與銅片之間安裝了3根K型熱電偶,用于采集銅基板壁面溫度,銅泡沫安裝于上部開口的有機玻璃框內(nèi)(側(cè)壁厚20 mm),并在有機玻璃框外側(cè)包裹保溫棉(保溫棉導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·(m·K)-1)以減少冷量損失。實驗過程中采用高清相機對相界面進行實時拍攝來記錄相界面位置。恒溫水箱采用乙醇溶液作為冷媒,提供-15 ℃的低溫冷卻邊界。

圖2 實驗裝置示意圖

實驗前關(guān)閉閥門V2、V3,開啟V1,向有機玻璃框內(nèi)加水至恰好淹沒銅泡沫,開啟恒溫水浴使溫度降低到-15 ℃。水浴溫度穩(wěn)定后打開溫度采集器開始采集溫度數(shù)據(jù)(時間間隔30 s),此時打開閥門V2、V3,關(guān)閉V1,使低溫冷媒由下而上流過銅基板并拍攝第一張照片,由于結(jié)冰較慢,拍攝間隔不宜太短,此后每隔6 min拍攝一次以記錄相界面位置。

2 結(jié)果討論

2.1 蓄冰過程壁面溫度變化

圖3給出了對試樣C進行實驗時的基板溫度變化情況,由圖可知,在實驗開始前,銅基板維持初始溫度不變。實驗開始時,打開閥門V2、V3,關(guān)閉V1后,-15 ℃的低溫冷媒乙醇溶液流經(jīng)銅基板,銅基板表面溫度急劇下降隨后再緩慢下降趨于平穩(wěn),最終穩(wěn)定溫度高于-15 ℃。這是由于通入低溫冷媒之后,基板初始溫度與低溫冷媒溫差很大,因此基板溫度急劇下降,隨著基板溫度不斷下降,兩者之間溫差不斷減小,因此基板溫度下降速率變慢直至最后趨于穩(wěn)定。最終熱電偶測得的基板溫度高于水浴設(shè)定溫度(-15 ℃),其主要原因為:測試腔內(nèi)水凝固放出大量的熱,這部分熱量均由冷卻介質(zhì)帶走,所以最終冷卻介質(zhì)的溫度高于設(shè)定值(-15 ℃)。

圖3 銅基板溫度隨時間的變化(試樣C)

2.2 局部熱平衡實驗驗證

基于體積平均理論的多孔介質(zhì)模型能夠很好地模擬多孔介質(zhì)內(nèi)嵌相變材料的凝固/融化過程,多孔介質(zhì)骨架表面與相變材料之間的熱平衡情況是使用該種方法的基礎(chǔ)。已有實驗研究表明[14-15],在多孔介質(zhì)內(nèi)嵌石蠟類熔化相變過程中,骨架表面與內(nèi)嵌石蠟存在溫差,基于局部非熱平衡模型的雙能量方程能夠更好地預(yù)測相變過程。

對于本文研究的金屬泡沫強化凝固過程而言,為了探究孔隙尺度局部熱平衡情況,分別在金屬桿表面和相變材料內(nèi)布置熱電偶監(jiān)測其實時溫度,其中布置在骨架上的熱電偶采用導(dǎo)熱膠將感溫頭固定在泡沫骨架上。圖4展示了試樣A的金屬泡沫骨架表面及相變材料溫度變化情況,可將溫度曲線分為3段:開始時(第1階段)溫度急劇下降,主要為顯熱蓄冷階段;隨后(第2階段)溫度緩慢下降,主要為潛熱蓄冷階段;待相變結(jié)束后,再次以顯熱繼續(xù)蓄冷(第3階段)。從位置1、2兩處的溫度曲線可以看出,兩組測點位置金屬骨架表面溫度和孔隙內(nèi)嵌相變材料溫度一致,從實驗角度證實了低孔密度(315 m-1)下局部熱平衡模型的可行性,這為單能量方程應(yīng)用于低孔密度(315 m-1)下金屬泡沫內(nèi)的凝固過程提供了實驗依據(jù)。

2.3 不同孔隙率對蓄冰過程的影響

(a)位置1

(b)位置2圖4 骨架表面和相變材料內(nèi)部實時溫度

圖5 不同孔隙率時相界面的變化情況

圖5展示了相同孔密度(1 181 m-1)、不同孔隙率(0.90、0.97)的通孔銅泡沫在二維蓄冰過程中的實時相界面位置,由圖可知:孔隙率越小,相同時間內(nèi)相界面移動越快,凝固速率越大。這是因為孔隙率小的銅泡沫所包含的銅更多,能容納的水體積更小,而銅的導(dǎo)熱系數(shù)比水大,使整個蓄冷單元的熱擴散率更大;同時,更少的水所需熱量較少,故孔隙率越小,結(jié)冰速率越快,相同時間內(nèi)相界面生長越多。

由圖5可見,凝固過程中相界面出現(xiàn)不同程度的傾斜彎曲,泡沫下部冰層較上部厚,說明在凝固過程中,液相區(qū)域中存在自然對流。液相區(qū)靠近相界面處液體溫度較低向下運動,而外側(cè)溫度相對較高的液體向上運動,從而在上部形成渦流區(qū),且上部溫度較高,故在自然對流的作用下,液相區(qū)上部區(qū)域結(jié)冰緩慢,最終使得相界面發(fā)生傾斜。

圖6給出了相同孔密度(1 181 m-1)、不同孔隙率(0.90、0.97)條件下,蓄冰過程中結(jié)冰率fs(冰占總體積的比例)隨時間的變化過程,其中以純水凝固過程作為對比。由圖可知:相同時間內(nèi),所用銅泡沫孔隙率越小,蓄冰量越大,蓄冰過程所需時間越短;與不含銅泡沫的工況(純水)相比,在蓄冰過程中加入銅泡沫,前期結(jié)冰率相差較小,而蓄冰后期,純水結(jié)冰速率大大降低,加入銅泡沫的工況結(jié)冰速率下降很少。加入銅泡沫后,結(jié)冰所需時間與純水工況相比減少為48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)和60.97%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.97)。這說明銅泡沫可使蓄冰后期傳熱得到強化,大大減少蓄冰時間,提高蓄冰效率。

圖6 不同孔隙率時結(jié)冰率隨時間的變化

2.4 不同孔密度對蓄冰過程的影響

圖7 不同孔密度時相界面的變化情況

孔密度是描述金屬泡沫的另一個重要參數(shù),一般以每英寸孔的個數(shù)(pore per inch,PPI)來表示,本文中均采用國際單位制m-1。相同孔隙率(0.90)、不同孔密度(315、1 181 m-1)下的相界面變化情況如圖7所示。由圖7可知:兩組實驗相界面形狀基本一致,相界面位置大致相同;由圖8可知,相同孔隙率、不同孔密度下的兩種工況結(jié)冰率變化情況基本一致,說明在相同孔隙率條件下,孔密度對結(jié)冰過程影響很小。與純水相比,加入金屬泡沫后完全凝固所需時間與純水工況相比減少為47.54%(孔密度為315 m-1,孔隙率為0.90)和48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)。其主要原因如下:孔密度僅表示泡沫孔徑不同,而孔隙率相同表明銅泡沫中銅與空隙所占體積之比相同,即銅的材料相同,金屬泡沫-相變材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效導(dǎo)熱系數(shù)一致,故在孔隙率相同時,孔密度的變化對蓄冰過程的影響可忽略不計。

圖8 不同孔密度時結(jié)冰率隨時間的變化

3 結(jié) 論

本文針對通孔銅泡沫內(nèi)嵌相變材料的凝固過程開展了實驗研究,討論了孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率和孔密度)對凝固過程的影響,對未凝固相內(nèi)自然對流對相變傳熱的影響做了系統(tǒng)分析,主要結(jié)論如下。

(1)與不加銅泡沫的工況相比,加入銅泡沫形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)能改善蓄冰后期傳熱惡化現(xiàn)象,使整個蓄冰過程都能保持較高的傳熱速率,縮短蓄冰周期,降低能耗。

(2)銅泡沫的孔隙率對結(jié)冰過程影響較大,而孔密度對結(jié)冰過程影響可忽略不計,孔隙率越低,凝固層生長越快,完全凝固時間越短。

(3)可視化結(jié)果表明,未凝固相局部自然對流導(dǎo)致凝固相界面發(fā)生傾斜,呈現(xiàn)下部略快于上部的凝固界面。

[1] 鐘亮, 潘陽. 加金屬絲水平單圓管蓄冰數(shù)值模擬 [J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報, 2011, 28(5): 35-40.

ZHONG Liang, PAN Yang. Ice storage numerical simulation of horizontal single circular tube added with wire [J]. Journal of East China Jiaotong University, 2011, 28(5): 35-40.

[2] 程文龍, 韋文靜. 高孔隙率泡沫金屬相變材料儲能、傳熱特性 [J]. 太陽能學(xué)報, 2007, 28(7): 739-744.

CHENG Wenlong, WEI Wenjing. Theoretical analysis of phase change material storage with high porosity metal foams [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007, 28(7): 739-744.

[3] 李文強, 屈治國, 陶文銓. 金屬泡沫內(nèi)固-液相變數(shù)值模擬研究 [J]. 工程熱物理學(xué)報, 2013, 34(1): 141-144.

LI Wenqiang, QU Zhiguo, TAO Wenquan. Numerical study of solid-liquid phase change in metallic foam [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(1): 141-144.

[4] 賀萬玉, 閆全英. 熔融鹽相變儲熱材料 [J]. 材料導(dǎo)報, 2015(S1): 128-130.

HE Wanyu, YAN Quanying. Molten salt as a phase change material [J]. Materials Review, 2015(S1): 128-130.

[5] 袁艷平, 向波, 曹曉玲, 等. 建筑相變儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展 [J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2016, 51(3): 585-598.

YUAN Yanping, XIANG Bo, CAO Xiaoling, et al. Research status and development on latent energy storage technology of building [J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51(3): 585-598.

[6] 楊肖虎, 白佳希, 盧天健. 通孔金屬泡沫滲透率解析模型 [J]. 力學(xué)學(xué)報, 2014, 46(6): 982-986.

YANG Xiaohu, BAI Jiaxi, LU Tianjian. A simplistic analytical model of permeability for open-cell metallic foams [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2014, 46(6): 982-986.

[7] 楊肖虎, 鄺九杰, 白佳希, 等. 高孔隙率通孔金屬泡沫有效導(dǎo)熱系數(shù)的實驗和理論研究 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2014, 48(4): 79-84.

YANG Xiaohu, KUANG Jiujie, BAI Jiaxi, et al. Experimental and analytic investigations for effective thermal conductivity in high porosity metallic foams [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, 48(4): 79-84.

[8] 孟鋒, 安青松, 郭孝峰, 等. 蓄熱過程強化技術(shù)的應(yīng)用研究進展 [J]. 化工進展, 2016, 35(5): 1273-1282.

MENG Feng, AN Qingsong, GUO Xiaofeng, et al. A review of process intensification technology in thermal energy storage [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(5): 1273-1282.

[9] 蔣玉龍, 張素軍, 李菊香. 泡沫材料冰蓄冷板融化過程的研究 [J]. 制冷學(xué)報, 2015, 36(5): 65-73.

JIANG Yulong, ZHANG Sujun, LI Juxiang. Investigation on melting process of ice cold-plate with porous material [J]. Journal of Refrigeration, 2015, 36(5): 65-73.

[10] 施娟, 陳振乾, 施明恒. 蓄冰球內(nèi)多孔泡沫金屬對流體凍結(jié)傳熱影響的試驗研究 [J]. 工程熱物理學(xué)報, 2010, 31(8): 1395-1397.

SHI Juan, CHEN Zhenqian, SHI Mingheng. Experimental study on the effect of the porous metal foams in ice ball on the freezing heat transfer of fluid [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2010, 31(8): 1395-1397.

[11] 楊秀, 陳振乾. 蓄冰球中填充泡沫鋁的融化相變傳熱過程的數(shù)值模擬 [J]. 化工學(xué)報, 2008, 59(S2): 139-142.

YANG Xiu, CHEN Zhenqian. Numerical simulation on melting phase change heat transfer in ice storage ball filled with aluminum foam [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2008, 59(S2): 139-142.

[12] YANG X H, FENG S S, ZHANG Q C, et al. The role of porous metal foam on the unidirectional solidification of saturating fluid for cold storage [J]. Applied Energy, 2017, 194: 508-521.

[13] FENG S S, ZHANG Y, SHI M, et al. Unidirectional freezing of phase change materials saturated in open-cell metal foams [J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 88: 315-321.

[14] 王杰利, 屈治國, 李文強, 等. 封裝有相變材料的金屬泡沫復(fù)合散熱器實驗研究 [J]. 工程熱物理學(xué)報, 2011, 32(2): 295-298.

WANG Jieli, QU Zhiguo, LI Wenqiang, et al. Experimental study of hybrid heat sink sintered with metal foams filled with phase change materials [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(2): 295-298.

[15] ZHANG P, MENG Z N, ZHU H, et al. Melting heat transfer characteristics of a composite phase change material fabricated by paraffin and metal foam [J]. Applied Energy, 2017, 185: 1971-1983.

ExperimentalStudyonEnhancedIceStorageinOpen-CellMetalFoams

BAI Qingsong, GUO Zengxu, LIU Yilin, YANG Xiaohu, JIN Liwen

(School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To explore the heat and mass transfer characteristics during the phase change in metal foams, a test rig with solid/liquid phase change heat transfer visualization device was designed and established. The effects of pore structure parameters on solidification process were measured. Results show that the involvement of open-cells in metal foam can significantly enhance the solidification process. The deterioration of phase change heat transfer can be compensated by the enhanced heat conduction with metal foam. The full solidification time can be reduced by 48.86% (pore density of 1 181 m-1and porosity of 0.90) and 60.97% (pore density of 1 181 m-1and porosity of 0.97), respectively, in comparison with the case of pure water. Porosity plays a vital role in solidification process but the influence of pore density upon solidification can be neglected. The full solidification time can be further reduced by 20% when the porosity decreases from 0.97 to 0.90. The visualization demonstrated an inclined solidification front, which indicated the contribution of local natural convection in the fluid phase. Local thermal equilibrium between metallic ligaments and the saturating PCM (distilled water) was experimentally observed.

phase change heat transfer; metal foam; solidification; experimental study

2017-07-20。 作者簡介: 白青松(1993—),男,碩士生;楊肖虎(通信作者),男,副教授,碩士生導(dǎo)師。 基金項目: 國家自然科學(xué)基金資助項目(51506160);陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2017JQ5007)。

時間: 2017-10-18

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171018.1437.002.html

10.7652/xjtuxb201801004

TK124

A

0253-987X(2018)01-0020-06

(編輯 荊樹蓉)