石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱單元的放熱性能

張佳利，丁 宇，曲麗潔，何正斌，伊松林

石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱單元的放熱性能

張佳利，丁 宇，曲麗潔，何正斌，伊松林

（北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

本工作對(duì)石蠟（PA）及石蠟/膨脹石墨（97%PA/3%EG和95%PA/5%EG）復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的熱性能進(jìn)行了探究，考察了不同直徑儲(chǔ)熱單元在干燥介質(zhì)溫度為25 ℃，風(fēng)速為0.8 m/s條件下的放熱性能。結(jié)果表明，在石蠟中添加膨脹石墨后，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)較純石蠟分別提高了178.10%和214.30%，可以有效改善石蠟的導(dǎo)熱性能，縮短放熱時(shí)間；儲(chǔ)熱單元直徑對(duì)放熱性能有顯著影響，隨著石蠟相變儲(chǔ)熱單元直徑的增大，放熱時(shí)間線性增加；膨脹石墨的添加可以明顯縮短放熱時(shí)間，隨膨脹石墨含量的增加，相同直徑儲(chǔ)熱單元的放熱時(shí)間逐漸縮短；膨脹石墨對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果隨直徑變化而不同，在一定范圍內(nèi)隨儲(chǔ)熱單元直徑的增大而效果逐漸顯著，達(dá)到極值后隨直徑的增大效果逐漸減弱，本實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)儲(chǔ)熱單元直徑在35～50 mm之間。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，最優(yōu)直徑為35 mm。

石蠟；膨脹石墨；放熱；相變儲(chǔ)熱；儲(chǔ)熱單元

隨著世界經(jīng)濟(jì)和人口的飛速發(fā)展，全球氣候也在逐年變暖，其中化石能源燃燒排放的大量溫室氣體是其主要推動(dòng)力之一。全球氣候變化與人類的生存息息相關(guān)，因此，建立以太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源為主體的能源結(jié)構(gòu)成為解決能源短缺和環(huán)境污染問題的重要途徑之一[1-2]。太陽能是一種清潔、無污染、環(huán)保、持久的清潔能源，其大規(guī)模利用可以顯著降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，被世界公認(rèn)為未來最有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源之一[3]。但是由于太陽能密度低，具有間歇性、不穩(wěn)定性，其利用和推廣受到自然條件的制約，因此太陽能的開發(fā)利用尚存在很多技術(shù)問題亟待解決。

儲(chǔ)能技術(shù)可以在能量富余的時(shí)候，用特殊的儲(chǔ)能裝置將能量?jī)?chǔ)存起來，需要的時(shí)候?qū)⑵溽尫挪⒓右岳茫瑥亩徑饽茉垂┣蟛黄ヅ涞膯栴}[4]，是提高能源利用率的有效手段。相變儲(chǔ)熱材料由于儲(chǔ)能密度大、性能穩(wěn)定、相變溫度適宜且性價(jià)比高，因此發(fā)展最為成熟，且更接近實(shí)際生產(chǎn)利用。石蠟（praffin，PA）是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性、無毒無害、無過冷現(xiàn)象、相變潛熱高、價(jià)格低廉的優(yōu)質(zhì)相變儲(chǔ)熱材料[5]。但其應(yīng)用仍受限于大部分相變儲(chǔ)熱材料所面臨的共同問題，即導(dǎo)熱性能差、與封裝材料不兼容、儲(chǔ)熱單元和儲(chǔ)熱系統(tǒng)界面熱阻高、使用壽命短、儲(chǔ)/放熱速率不可控等一系列問題[6-7]。

近年來，學(xué)者在增強(qiáng)儲(chǔ)熱材料導(dǎo)熱性能方面進(jìn)行了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在石蠟相變材料中添加高導(dǎo)熱系數(shù)材料，如石墨[8-12]、泡沫金屬[13-14]、金屬顆粒[15-16]等，均可有效提高石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)，提高導(dǎo)熱能力，縮短相變時(shí)間，減小相變材料內(nèi)部溫差，使溫度分布更為均勻。但是由于部分金屬和相變儲(chǔ)熱材料之間不相容，密度普遍較高，因此限制了金屬在強(qiáng)化傳熱方面的實(shí)際應(yīng)用。而膨脹石墨（expanded graphite，EG）不僅導(dǎo)熱系數(shù)高，并且結(jié)構(gòu)疏松多孔，對(duì)于石蠟具有優(yōu)良的吸附性。石蠟在50 ℃左右發(fā)生相變時(shí)，膨脹石墨也不會(huì)和石蠟發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此對(duì)復(fù)合材料的儲(chǔ)熱能力沒有影響。綜上，將可膨脹石墨和石蠟復(fù)合制備為復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，不僅可以有效提高石蠟的導(dǎo)熱性能，并且對(duì)復(fù)合材料的儲(chǔ)熱能力基本沒有影響，能夠有效解決石蠟導(dǎo)熱系數(shù)小的問題。

目前，關(guān)于石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的研究很多，且多為單獨(dú)探究?jī)?chǔ)熱材料熱性能，而儲(chǔ)熱材料的性能最終還是以儲(chǔ)熱系統(tǒng)的形式發(fā)揮作用，但目前對(duì)于儲(chǔ)熱單元和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，且現(xiàn)有研究多側(cè)重于儲(chǔ)熱過程的研究，關(guān)于儲(chǔ)熱單元管徑對(duì)放熱性能影響的研究較少。現(xiàn)有太陽能干燥結(jié)果表明，太陽能干燥窯內(nèi)的溫度白天可達(dá)到60～70 ℃[17]。所以，本文采用烘箱模擬太陽能提供熱量，系統(tǒng)探究了流體溫度為25 ℃（晚間干燥窯內(nèi)的實(shí)際溫度），風(fēng)速為0.8 m/s時(shí)石蠟/膨脹石墨儲(chǔ)熱單元的放熱性能，并探究了膨脹石墨添加量以及儲(chǔ)熱單元管徑對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的影響，為該儲(chǔ)熱單元在實(shí)際生產(chǎn)中的利用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

石蠟：54#半精煉石蠟，南陽石蠟精細(xì)化工廠；膨脹石墨：青島石墨廠，體積膨脹150～300；儲(chǔ)熱管：由厚2 mm的不銹鋼材料制得，高度為280 mm，外徑分別為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、50 mm，底部焊接封閉，頂部配有橡膠塞用來減少儲(chǔ)熱材料和空氣之間的熱量傳遞。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中所用到的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1 主要設(shè)備與儀器

圖1 放熱實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

除表1中所列設(shè)備之外，探究?jī)?chǔ)熱單元放熱性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自主設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定所需溫度和風(fēng)速，溫度的調(diào)節(jié)范圍為20～120 ℃，風(fēng)速的調(diào)節(jié)范圍為0～2 m/s，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

（1）儲(chǔ)熱材料的選擇 本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的相變儲(chǔ)熱單元主要用于太陽能木材干燥系統(tǒng)，系統(tǒng)的環(huán)境溫度在50～70 ℃之間即可滿足操作需求。因此本探究選用相變溫度為48～56 ℃的石蠟作為相變儲(chǔ)熱材料。

（2）膨脹石墨的制備 取適量可膨脹石墨于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在65 ℃條件下連續(xù)干燥10 h。干燥結(jié)束后，每次稱取2～3 g可膨脹石墨置于高溫陶瓷坩堝中，放入箱式電阻爐，在高溫條件下熱處理即可制得膨脹石墨。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)條件下，可膨脹石墨在溫度為900 ℃，熱處理時(shí)間為60 s時(shí)膨化效果最好。

（3）石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的制備 稱取定量的切片石蠟放入燒杯中，在電熱恒溫水浴鍋80 ℃條件下加熱至完全熔化后加入定量膨脹石墨，輔以電動(dòng)攪拌，吸附3 h，即可制得石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，膨脹石墨含量分別為 3%、5%。

（4）石蠟及石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料熱性能的測(cè)定 差示掃描量熱（DSC）分析在流動(dòng)的氮?dú)猸h(huán)境中（流速為50 mL/min）完成。將樣品 （5 mg左右）密封在鋁盤中，并以2 ℃/min的加熱速率從10 ℃加熱至80 ℃，即可測(cè)得復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度區(qū)間及相變潛熱值。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定在室溫11.4 ℃下進(jìn)行，每個(gè)試樣測(cè)試3次，取其平均值作為最終的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值。

（5）相變儲(chǔ)熱單元放熱性能測(cè)定 相變儲(chǔ)熱材料熔化后灌裝于儲(chǔ)熱管中，換熱流體掠過儲(chǔ)熱單元外壁，將熱量帶入或帶出儲(chǔ)熱單元?？紤]到石蠟相變儲(chǔ)熱材料相變時(shí)存在體積膨脹的問題，將儲(chǔ)熱材料灌裝高度定為20 mm，以預(yù)留足夠的膨脹空間。實(shí)驗(yàn)中采用空氣為換熱流體，放熱時(shí)風(fēng)速設(shè)定為0.8 m/s,流體溫度設(shè)為25 ℃。當(dāng)儲(chǔ)熱單元芯層熱電偶（固定于儲(chǔ)熱單元1/2高度，圓心處）所測(cè)溫度與流體溫度一致時(shí)，認(rèn)為儲(chǔ)熱單元完成放熱過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 石蠟/膨脹石墨粉復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料DSC分析

不同膨脹石墨粉含量的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料DSC檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，其各項(xiàng)熱物性參數(shù)匯總于表2。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試溫度由10 ℃升溫至80 ℃過程中所有試樣均有兩個(gè)吸熱峰出現(xiàn)。吸熱峰面積大小代表材料發(fā)生相態(tài)變化時(shí)吸收熱量的多少，即為相變潛熱的大小[18]。吸熱峰起始點(diǎn)和終點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的溫度范圍即為材料的相變區(qū)間，峰谷前端切線外延的起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為材料的相變溫度。石蠟是由多種直鏈烷烴混合而成的產(chǎn)物，較低溫度出現(xiàn)的吸熱峰是由于固-固相變形成的，由鏈圍繞長軸旋轉(zhuǎn)而成。而溫度略高時(shí)出現(xiàn)的吸熱峰則是由于固-液相變形成的，此吸熱峰的面積顯著大于 固-固相變的吸熱峰面積，這表明固-液相變時(shí)的熔解熱是儲(chǔ)熱技術(shù)中主要利用的熱能，其值接近相變儲(chǔ)熱材料從固體到液體過程的總潛熱[19]。同時(shí)由DSC曲線可知，石蠟的固-液相變溫度為50.85 ℃，膨脹石墨含量分別為3%和5%的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的固-液相變溫度分別為：49.40 ℃和49.23 ℃。可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度隨膨脹石墨粉含量的增加有輕微降低，均低于純石蠟。這是由于高導(dǎo)熱系數(shù)膨脹石墨粉的添加加快了復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料內(nèi)部的熱量傳遞速度，從而導(dǎo)致材料相變溫度的微弱降低[20]。

圖2 石蠟及復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料DSC測(cè)試曲線

經(jīng)過軟件計(jì)算得出，石蠟的相變潛熱值為177.30 J/g，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料中膨脹石墨含量分別為3%和5%時(shí)，潛熱值分別為165.22 J/g和159.32 J/g，與純石蠟相比，潛熱量分別減少了6.8%和10.14%。復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的潛熱值隨著膨脹石墨粉含量的增加而逐漸減少。這一方面是由于溫度由10 ℃升至80 ℃時(shí)，添加的物膨脹石墨會(huì)吸收熱量，但不發(fā)生相態(tài)變化，因而導(dǎo)致熱量減少；另一方面是由于復(fù)合材料中膨脹石墨粉含量的增加導(dǎo)致有效相變儲(chǔ)熱材料的占比下降，因此潛熱值降低。由混合物理論，石蠟/膨脹石墨相變復(fù)合材料的潛熱值可以通過石蠟的相變潛熱與混合物中石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相乘得到[21]。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變潛熱均略低于理論計(jì)算值，這可能是由于受到石蠟小分子與膨脹石墨之間的作用力影響[22]。盡管復(fù)合材料的潛熱值有所降低，但由于少量膨脹石墨粉的添加即可顯著增大石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)，因此可以用于生產(chǎn)實(shí)踐中來解決石蠟導(dǎo)熱系數(shù)小的問題。

表2 不同膨脹石墨粉含量的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料熱物性參數(shù)

2.2 石蠟/膨脹石墨粉復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)分析

石蠟及復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表3所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2964 W/(m·K)，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料中膨脹石墨含量為3%和5%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.8243 W/(m·K)和0.9316 W/(m·K)，較純石蠟分別提高了178.10%和214.30%。因此，在石蠟中添加少量膨脹石墨，即可明顯提高復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，且在一定范圍內(nèi)，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨膨脹石墨含量的增加而增大。這一方面是由于可膨脹石墨經(jīng)過加熱膨脹處理后體積非常大，且呈蠕蟲狀，使得即使在石蠟中添加少量膨脹石墨，也會(huì)使得石墨在復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料中形成首尾相連的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成導(dǎo)熱通路。另一方面，膨脹石墨的多孔結(jié)構(gòu)增加了相變儲(chǔ)熱材料與膨脹石墨之間的接觸面積，因此使得復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高。但如果在復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料中加入膨脹石墨的含量過高，雖然會(huì)提高導(dǎo)熱系數(shù)，但是一方面會(huì)影響潛熱值，另一方面也會(huì)增加材料的混合難度[23]。

表3 石蠟及復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)[單位：W/(m·K)]

2.3 石蠟儲(chǔ)熱單元放熱性能分析

為了測(cè)量石蠟儲(chǔ)熱單元的放熱性能，將石蠟儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的石蠟先融化并升溫至70 ℃，不同直徑石蠟儲(chǔ)熱單元在溫度為25 ℃，風(fēng)速為0.8 m/s條件下的放熱性能測(cè)試結(jié)果如圖3所示。圖中可以看出，在放熱過程（凝固）中，不同管徑大小的儲(chǔ)熱單元中，石蠟的溫度曲線變化過程類似：在放熱初始階段溫度迅速降低，降溫曲線斜率很大；隨著放熱過程的進(jìn)行，當(dāng)管內(nèi)溫度下降至56 ℃附近，即達(dá)到石蠟的相變溫度時(shí)，不同管徑的儲(chǔ)熱單元均會(huì)有明顯的相變恒溫平臺(tái)出現(xiàn)，此時(shí)石蠟由液體逐漸變?yōu)楣腆w，熱量雖然在減少，但溫度幾乎不發(fā)生變化；當(dāng)儲(chǔ)熱材料潛熱釋放完全后，溫度開始繼續(xù)迅速降低，且隨著放熱過程的進(jìn)行，斜率逐漸變小。這是因?yàn)樵诜艧岢跏茧A段，靠近管壁外側(cè)的儲(chǔ)熱材料首先完成凝固過程，然后儲(chǔ)熱材料所儲(chǔ)存的熱量就只能以導(dǎo)熱的形式傳遞到流體中，因此放熱速度顯著放慢。從圖中可以看出，隨著儲(chǔ)熱單元直徑的增大，放熱速率逐漸減小，溫度-時(shí)間曲線斜率越小，這是由于管徑越大，中心熱量傳遞到流體的路徑變長，儲(chǔ)熱單元中心的材料處于熔化狀態(tài)的時(shí)間越長，自然對(duì)流的存在使得材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)增加，并且自然對(duì)流會(huì)引起循環(huán)流動(dòng)，從而減小內(nèi)部溫差，使得材料內(nèi)部的溫度分布更加均勻，使得熱量穩(wěn)定釋放。

圖3 不同直徑石蠟儲(chǔ)熱單元放熱溫度變化曲線

隨著儲(chǔ)熱單元管徑的增大，換熱流體和相變儲(chǔ)熱單元管壁的接觸面積增大，但儲(chǔ)熱材料體積也隨之增大，換熱流體和儲(chǔ)熱單元中心距離增大，因此有必要探究?jī)?chǔ)熱單元直徑對(duì)放熱時(shí)間的影響規(guī)律。如圖4所示為不同直徑石蠟相變儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間對(duì)比圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)熱單元直徑的增大，石蠟相變儲(chǔ)熱單元溫度降至30 ℃所需時(shí)間呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。儲(chǔ)熱單元直徑為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm和50 mm時(shí)，完全放熱所需時(shí)間分別為117 min、144 min、162 min、180 min和243 min。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，放熱時(shí)間和儲(chǔ)熱單元直徑基本滿足線性方程：=4.109+37.698，2為0.9973（如圖5所示）。因此，可以根據(jù)方程推斷在本實(shí)驗(yàn)條件下不同直徑石蠟儲(chǔ)熱單元的放熱時(shí)長，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)需求有指導(dǎo)意義。

如圖6所示，為放熱進(jìn)行9 min、63 min、90 min和153 min時(shí)，不同直徑石蠟儲(chǔ)熱單元的溫度對(duì)比圖。從圖中可以看出，在相同放熱時(shí)間節(jié)點(diǎn)，直徑越大的儲(chǔ)熱單元溫度越高，即在相同環(huán)境條件下，直徑越大的儲(chǔ)熱單元放熱速率越慢。放熱進(jìn)行90 min時(shí)，直徑20 mm和25 mm的石蠟儲(chǔ)熱單元已經(jīng)基本完成放熱，而直徑為50 mm的儲(chǔ)熱單元才剛剛開始釋放潛熱，溫度高達(dá)56 ℃。這也充分說明，儲(chǔ)熱單元管徑的增大會(huì)降低儲(chǔ)熱單元的放熱效率，增加放熱時(shí)間。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)應(yīng)該根據(jù)所需放熱時(shí)長選擇管徑合適的儲(chǔ)熱單元，以保證連續(xù)穩(wěn)定的熱量釋放。

圖4 不同直徑石蠟相變儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間對(duì)比圖

圖5 放熱時(shí)間隨直徑變化趨勢(shì)圖

圖6 不同直徑石蠟相變儲(chǔ)熱單元不同放熱時(shí)刻溫度對(duì)比圖

2.4 石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱單元放熱性能分析

通過添加高導(dǎo)熱系數(shù)的膨脹石墨粉可以減小石蠟內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，提高石蠟基相變材料的導(dǎo)熱性能，但也會(huì)導(dǎo)致石蠟內(nèi)部自然對(duì)流換熱的削弱。因此，有必要對(duì)石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的放熱性能是否較石蠟有所提高進(jìn)行測(cè)試。

圖7給出了直徑為50 mm，膨脹石墨含量為3%的儲(chǔ)熱單元在放熱溫度為25 ℃，風(fēng)速為0.8 m/s條件下，儲(chǔ)熱單元中心層（#1，位于儲(chǔ)熱單元1/2高度，圓心處），次外層（#2，位于儲(chǔ)熱單元1/2高度，距離圓心12.5 mm處）和最外層（#3，位于儲(chǔ)熱單元1/2高度，緊貼儲(chǔ)熱單元外壁處）的溫度變化曲線。從圖7中可以看出，該儲(chǔ)熱單元的放熱曲線和石蠟儲(chǔ)熱單元類似：當(dāng)流體掠過儲(chǔ)熱單元管壁，灌裝于儲(chǔ)熱單元內(nèi)的儲(chǔ)熱材料的相變界面由管壁向中心移動(dòng)。相變儲(chǔ)熱材料凝固過程的初始階段，由于管壁與環(huán)境之間溫差的存在，使得靠近管壁的儲(chǔ)熱材料溫度迅速降低并凝固，此時(shí)的溫度變化接近線性。隨著放熱過程的推進(jìn)，會(huì)在儲(chǔ)熱單元外壁形成一層薄薄的固態(tài)相變材料膜，隨后相變界面逐漸沿徑向向儲(chǔ)熱單元中心推進(jìn)。當(dāng)固態(tài)相變材料達(dá)到一定厚度后，儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的換熱方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)熱為主，發(fā)生在微孔中的熱輻射和自然對(duì)流可忽略不計(jì)。圖中可以看出，儲(chǔ)熱單元中心溫度出現(xiàn)明顯的恒溫平臺(tái)，次外層恒溫平臺(tái)不顯著，最外層溫度平緩下降，沒有出現(xiàn)恒溫平臺(tái)，因此儲(chǔ)熱單元中心熱量傳遞方式以導(dǎo)熱為主，次外層為導(dǎo)熱和對(duì)流共同作用，最外層則主要以自然對(duì)流為主。

圖7 3%膨脹石墨儲(chǔ)熱單元放熱曲線（d=50 mm）

如圖8所示，為直徑為30 mm，不同膨脹石墨含量?jī)?chǔ)熱單元的放熱溫度曲線。圖中可以看出，在相同放熱條件下，添加膨脹石墨粉后，儲(chǔ)熱單元的相變恒溫平臺(tái)時(shí)間明顯縮短，即潛熱的釋放速率加快。石蠟相變儲(chǔ)熱單元（=30 mm）完成放熱所需時(shí)間為162 min；石蠟/膨脹石墨（97/3）復(fù)合相變儲(chǔ)熱單元（=30 mm）完成放熱所需時(shí)間為129 min，放熱時(shí)間較石蠟相變儲(chǔ)熱單元減少了20.4%；石蠟/膨脹石墨（95/5）復(fù)合儲(chǔ)熱單元（=30 mm）完成放熱所需時(shí)間為105 min，放熱時(shí)間較石蠟相變儲(chǔ)熱單元減少了35.2%。這是由于膨脹石墨的添加可以顯著提高石蠟的導(dǎo)熱能力，加快放熱進(jìn)程，進(jìn)而減少放熱時(shí)間，提高放熱效率。不同直徑儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間隨添加膨脹石墨量的變化相似，均隨添加膨脹石墨粉含量的增加而減少，如圖9所示，但是研究發(fā)現(xiàn)，3%和5%膨脹石墨添加量的儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間和儲(chǔ)熱單元直徑線性相關(guān)性較差，即添加膨脹石墨后，儲(chǔ)熱單元的放熱時(shí)間不隨儲(chǔ)熱單元直徑線性變化。這可能是由于膨脹石墨粉的添加量較少，導(dǎo)致石蠟不能完全浸入膨脹石墨微孔中，部分石蠟仍然獨(dú)立存在于膨脹石墨周圍，從而熱阻增加，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著凝固界面的推移而不規(guī)則變化，導(dǎo)致放熱時(shí)間不隨儲(chǔ)熱單元直徑的變化而規(guī)律性改變。

圖8 不同膨脹石墨含量?jī)?chǔ)熱單元放熱曲線（d=30 mm）

由表4數(shù)據(jù)可知，膨脹石墨對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果因直徑而異，其中對(duì)直徑為50 mm的儲(chǔ)熱單元改善效果最差，膨脹石墨添加量為3%時(shí)，放熱時(shí)間較純石蠟儲(chǔ)熱單元縮短7.4%，膨脹石墨添加量為5%時(shí)，放熱時(shí)間較純石蠟儲(chǔ)熱單元縮短16.0%；對(duì)直徑為35 mm的儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果最佳，膨脹石墨添加量為3%時(shí)，放熱時(shí)間較純石蠟儲(chǔ)熱單元縮短23.3%，膨脹石墨添加量為5%時(shí)，放熱時(shí)間較純石蠟儲(chǔ)熱單元縮短36.7%；儲(chǔ)熱單元直徑小于35 mm時(shí)，膨脹石墨對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果隨直徑的減小而降低。因此，膨脹石墨對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果與儲(chǔ)熱單元直徑有關(guān)，在一定范圍內(nèi)隨儲(chǔ)熱單元直徑的增大而效果逐漸顯著，達(dá)到極值后隨直徑的增大效果逐漸減弱，本實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)儲(chǔ)熱單元直徑為35 mm。

表4 膨脹石墨含量對(duì)不同直徑儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間的影響

3 結(jié) 論

為使石蠟相變儲(chǔ)熱材料可以更高效地運(yùn)用于木材太陽能干燥中，本文系統(tǒng)探究了石蠟/膨脹石墨相變儲(chǔ)熱單元的放熱性能，得到如下結(jié)論。

（1）在石蠟相變儲(chǔ)熱材料中添加3%、5%膨脹石墨后，復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度較石蠟相比有輕微降低；潛熱值較純石蠟分別減少了6.8%和10.14%；導(dǎo)熱系數(shù)較純石蠟分別提高了178.10%和214.30%。

（2）石蠟儲(chǔ)熱單元直徑對(duì)其放熱性能有顯著影響。在石蠟儲(chǔ)熱單元中，隨著儲(chǔ)熱單元直徑的增大，儲(chǔ)熱單元溫度降至30 ℃所需時(shí)間線性增加，儲(chǔ)熱單元直徑為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、50 mm時(shí)，完全放熱所需時(shí)間分別為117 min、144 min、162 min、180 min和243 min，放熱時(shí)間和儲(chǔ)熱單元直徑基本滿足線性方程：=4.109+37.698，2為0.9973。

（3）膨脹石墨對(duì)儲(chǔ)熱單元放熱性能的改善效果隨直徑變化而不同，在一定范圍內(nèi)隨儲(chǔ)熱單元直徑的增大而效果逐漸顯著，達(dá)到極值后隨直徑的增大效果逐漸減弱，本實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)儲(chǔ)熱單元直徑在35～50 mm之間。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，最優(yōu)直徑為35 mm，添加3%和5%膨脹石墨分別可以縮短放熱時(shí)間23.3%和36.7%。但是3%和5%膨脹石墨添加量的儲(chǔ)熱單元放熱時(shí)間和儲(chǔ)熱單元直徑線性相關(guān)性較差，即添加膨脹石墨后，儲(chǔ)熱單元的放熱時(shí)間不隨儲(chǔ)熱單元直徑線性變化。

（4）本研究可為帶有石蠟相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的木材或食品干燥過程提供理論指導(dǎo)，對(duì)制定太陽能干燥工藝和干燥過程的實(shí)施均有積極的作用。

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Discharge performance of a thermal energy storage unit with paraffin- expanded graphite composite phase change materials

ZHANG Jiali, DING Yu, QU Lijie, HE Zhengbin, YI Songlin

(College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Thermal properties of paraffin wax (PA) and paraffin/expanded graphite (97% PA/3%EG and 95% PA/5%EG) composite materials were investigated. Heat release performance of thermal energy storage (TES) units with different diameters containing the phase change materials were studied at a drying media temperature of 25 °C and a media velocity of 0.8 m·s-1. The results showed that the thermal conductivity of the composites was increased by 178.10% and 214.30% respectively compared with that of PA, which could shorten the TES unit discharge time. The diameter of the TES unit had a significant effect on the heat release performance. An increase in the diameter of the PA based TES unit leads to a linear increase in the heat release time, whereas an increased EG content reduces the heat release time of the unit for a given TES unit diameter. The effect of EG on the heat release performance of the TES unit increases first and then decreases with increasing diameter, leading to an optimal TES unit diameter of 35 mm under the conditions of this study.

paraffin wax; expanded graphite; heat release; phase change energy storage; heat storage unit

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0089

TK 02

A

2095-4239（2019）01-108-08

2018-06-11；

2018-06-28。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0600701），北京林業(yè)大學(xué)熱點(diǎn)追蹤項(xiàng)目（2017BLRD04）。

張佳利（1993—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘柲苣静母稍飪?chǔ)熱材料及系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，E-mail：zjl0520@yeah.net；

伊松林，教授，研究方向?yàn)槟静募庸崽幚恚珽-mail：ysonglin@126.com；何正斌，講師，研究方向?yàn)槟静募庸崽幚?，E-mail：hzbcailiao@bjfu.edu.cn。