泡沫金屬/翅片填充管蓄熱性能的實驗研究

喻家?guī)?牛朝陽,韋攀,羅濤,楊肖虎,3,劉艷華

(1.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院,710049,西安;2.劍橋大學工程學院,CB2 1PZ,英國劍橋;3.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室,710049,西安)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,全球能源消費迅速增長,已經(jīng)出現(xiàn)了如能源枯竭、環(huán)境污染和全球變暖等多種問題,急需開發(fā)可再生能源[1]。太陽能作為一種可持續(xù)的清潔能源,具有無污染、零排放的特點。在太陽能熱利用方面,太陽能熱水器技術日趨成熟,應用領域已從生活熱水擴大到采暖、制冷空調(diào)、海水淡化、工業(yè)加熱、熱發(fā)電等,具有廣闊的前景[2]。然而,由于太陽能存在間歇性和隨機性,往往需要集成蓄熱裝置協(xié)同使用[2-3]。

工程上廣泛使用的相變材料導熱系數(shù)低(石蠟約為0.2 W·m-1·K-1[4-6])、相變儲能效率低,為了提高石蠟的導熱系數(shù)以加強其在蓄熱領域的可行性,研究者主要從蓄熱設備的改進出發(fā),比如采用翅片、蜂窩、多孔介質(zhì)等[3,7-10],或是在石蠟中添加金屬粉末、金屬網(wǎng)、石墨等[3-6]。

康海軍等通過實驗對9種平直翅片管的傳熱與阻力特性進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)翅片間距對傳熱的影響依賴于臨界雷諾數(shù),對于層流,翅片間距增加,換熱下降,阻力減小[11]。Yang等對環(huán)形翅片/石蠟復合相變材料的熔化過程進行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)通過在相變材料中插入環(huán)形翅片,完全熔化時間可以最大限度地減少65%[12]。

往石蠟中添加高導熱材料可以顯著提高其導熱系數(shù),如石蠟與膨脹石墨、碳纖維等復合時,復合物的導熱系數(shù)可以達到4～70 W·m-1·K-1[3-6]。張正國等制備出粉末狀的石蠟/膨脹石墨復合相變儲熱材料,并對其儲放熱性能進行了實驗研究,結(jié)果表明當石蠟質(zhì)量分數(shù)為80%時,復合相變儲熱材料的儲放熱時間分別比純石蠟縮短了69.7%和80.2%[5]。Jiang等使用石蠟和碳纖維制備了復合相變材料,根據(jù)石蠟/碳纖維復合相變材料的密度,發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)導熱系數(shù)比純石蠟高18～57倍,面外導熱系數(shù)也提高了3.7～5.5倍[6]。此外,導熱系數(shù)的提高與復合相變材料中碳纖維的體積分數(shù)幾乎呈線性關系。

使用多孔泡沫材料也可以有效提高相變材料的導熱系數(shù),使其達到原有的數(shù)十倍[3,10,13-16]。Yang等通過實驗研究了純石蠟、底部添翅片和不添翅片的泡沫銅/石蠟等3種相變材料的溫度變化和固液相界面移動,結(jié)果表明在相同條件下,復合相變材料的完全熔化時間比純石蠟短了1/3[17]。馬預譜等通過實驗對比研究了鋁翅片和泡沫金屬銅對石蠟蓄熱性能的影響,結(jié)果表明,加裝鋁翅片和填充泡沫金屬銅能使散熱器與石蠟的平均溫差分別降低76%和18%,同時導致整體蓄熱密度分別減少40.3%和4.2%,加裝鋁翅片增強石蠟儲熱性能強于填充泡沫金屬銅,但從儲熱密度方面考慮泡沫金屬銅明顯優(yōu)于鋁翅片[18]。Chen等通過實驗研究探討了金屬泡沫結(jié)構參數(shù)對交錯管束傳熱和流動特性的影響,結(jié)果表明,隨著金屬泡沫孔隙率的增加,換熱管束努塞爾數(shù)因滲透能力的增強而增加,熱對流主導傳熱,在低雷諾數(shù)下,高孔密度金屬泡沫的努塞爾數(shù)較低,保溫效果較差[19]。

泡沫金屬可以強化固液相變主要是利用了其豐富的比表面積和較高的骨架熱導率,但是對相變材料整體儲熱性能的增強有限;翅片可顯著增強導熱能力,將換熱界面的熱量傳遞到相變材料內(nèi)部。由此,將二者有機地結(jié)合起來有望充分利用泡沫豐富的比表面積和翅片高效的熱傳導性能,更好地強化換熱。目前的研究主要集中在翅片管和泡沫金屬管的相變蓄熱,關于泡沫金屬管和泡沫金屬/翅片管相變蓄熱性能的對比研究較少。為此,本文建立了圓柱形復合相變材料蓄熱裝置的測試系統(tǒng),研究了在不同流速工況下相變材料的溫度響應和溫度場均勻性,通過實驗對兩者的傳熱性能進行了系統(tǒng)比較。

1 實驗裝置

1.1 實驗試件

本文使用環(huán)形泡沫銅,其孔密度為3.94 cm-1,孔隙率為0.97,外徑為83 mm,內(nèi)徑為22.5 mm。泡沫銅試件如圖1所示,采用真空注蠟法將熔融的石蠟注入到泡沫銅中,待石蠟凝固后取出形成的石蠟/泡沫金屬復合相變材料。本實驗對比了兩種復合相變材料填充換熱管的固液儲熱性能,一種為石蠟/泡沫金屬復合材料填充管,另一種是在泡沫金屬間隙中每隔50 mm填充2 mm厚的圓環(huán)銅片。

(a)填充前

(b)填充后圖1 泡沫金屬填充石蠟前后照片

1.2 實驗系統(tǒng)

本實驗為了研究泡沫金屬填充管、泡沫金屬/翅片填充管對蓄熱過程的強化作用,搭建了一套相變換熱實驗系統(tǒng),如圖2所示,主要由換熱流體循環(huán)系統(tǒng)、蓄熱換熱管測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。換熱流體循環(huán)系統(tǒng)主要由恒溫水箱、流量計、硅膠管和閥門組成;測試系統(tǒng)主要由有機玻璃外管和紫銅內(nèi)管組成的環(huán)形蓄熱換熱管以及環(huán)形間隙中填充的復合相變材料組成;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、流量計和數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A組成,其中熱電偶的采集精度為0.1 ℃,恒溫水箱的溫控精度為0.1 ℃,流量計的測量誤差為±1%。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

選用恒溫水箱產(chǎn)生的70 ℃純水作為換熱流體,從銅管頂部注入。選用石蠟為相變儲熱材料,其熱物性參數(shù)如表1所示。實驗設計了一個同心圓柱式蓄熱管,高度為300 mm,管外徑為100 mm,內(nèi)徑為90 mm。本文設計了兩種不同結(jié)構的換熱管用于實驗:一個是環(huán)形間隙填充泡沫金屬的換熱管;另一個是環(huán)形間隙填充泡沫金屬和翅片的換熱管,在300 mm的高度方向等間距分布有5片環(huán)形翅片,將其焊接在銅管上,間隔為50 mm,如圖3所示。在兩種換熱管制備過程中為了降低泡沫金屬與銅管的接觸熱阻,采用導熱膠(導熱系數(shù)為25 W·m-1·K-1)作為粘接劑,均勻涂抹于泡沫金屬與銅管之間的接觸面上。由于石蠟類材料相變吸熱后體積的膨脹率在10%左右,因此從換熱管底面至270 mm高度處填充滿泡沫銅,上部留有30 mm的空腔用于石蠟膨脹。數(shù)據(jù)采集段的測點布置如圖3所示,用20根T型熱電偶監(jiān)測系統(tǒng)的實時溫度,其中2根分別布置在銅管的入口處和出口處,其余均布置在蓄熱管內(nèi)。表2給出了每根熱電偶的徑向距離R與垂直高度H。

表1 石蠟的熱物性參數(shù)

圖3 泡沫金屬/翅片填充管熱電偶分布圖

H/mm位置點R=11 mmR=25 mmR=40 mm25a6b6c675a5b5c5125a4b4c4175a3b3c3225a2b2c2275a1b1c1

實驗前應將石蠟冷卻至室溫附近,并且為了保證實驗結(jié)果的準確性,還應檢查凝固石蠟的上表面是否水平,如若有明顯的凸起或凹陷,則應將其處理至近似水平。實驗過程中將整個測試段包裹在保溫棉(導熱系數(shù)為0.02 W·m-1·K-1)中,以減少熱量損失。恒溫水箱采用純水作為換熱流體,提供70 ℃的高溫換熱邊界。平均入口流速保持恒定且小于0.1 m/s,對應的換熱管雷諾數(shù)低于2 000,因此該流動為層流。

實驗裝置啟動前,關閉閥門2和3,開啟閥門1。開啟恒溫水箱使溫度上升至70 ℃,待水箱溫度穩(wěn)定后打開數(shù)據(jù)采集器開始采集實時溫度數(shù)據(jù)(時間間隔10 s),此時打開閥門2和3,關閉閥門1,使換熱流體從銅管頂部送入。

2 結(jié)果討論

2.1 相同流速下泡沫管和泡沫/翅片管的軸向溫度響應

在這兩種換熱管中,相變材料的熔化趨勢基本一致。相變蓄熱主要分為3個階段:第1階段為固態(tài)純導熱階段,由換熱流體傳遞的熱量通過熱傳導被固體石蠟吸收,由于石蠟的顯熱較小,所以其溫升較快;第2階段為相變階段,此階段石蠟開始由固態(tài)熔化為液態(tài),由于其潛熱較大,所以石蠟溫度上升較為平緩;第3階段為液態(tài)導熱階段,液態(tài)石蠟再次進入顯熱蓄熱狀態(tài),所以該階段石蠟溫度上升也較快。完成上述3個階段后,換熱管內(nèi)的測點溫度逐漸穩(wěn)定趨于定值,表明此測點附近完成蓄熱。如圖4所示,因為a點緊貼換熱管,所以熱傳導占主導地位,c點離管外壁面最近,容易受到外界環(huán)境的影響。因此,為了準確研究不同換熱器結(jié)構對熱傳導和熱對流的影響,選取bi點(第i層的中間位置)作為代表,對其溫度變化情況進行分析。

(a)泡沫管

(b)泡沫/翅片管圖4 入口流速為0.07 m/s時石蠟熔化過程bi點實時溫度

圖5 入口流速為0.07 m/s時泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點的熔化時間比較

如圖5所示,對于泡沫管,位于上層相變材料的b2點熔化時間比最下層b6點快1 300 s(0.36 h),差別很小。從圖4a可以觀察到,在第1階段內(nèi)的導熱階段和第2階段內(nèi)的對流階段前期,bi點之間的溫差很小,溫度變化曲線幾乎重疊。這主要有兩個方面的原因:首先水的比熱容較大,換熱管進出口水溫相差很小,整根管子的管壁近似于恒溫壁面,所以每層熱傳導能力幾乎一致;其次,此階段環(huán)形間隙的石蠟熔化量很少,對流作用微弱。綜合這兩方面原因,該階段的溫度曲線幾乎重疊,然而在后期,隨著石蠟熔化量增加,對流作用越來越強,bi點之間的溫差逐漸擴大,故溫度曲線逐漸分散開,但是總體來說泡沫金屬填充管內(nèi)部的溫度均勻性非常好。如圖5所示,對于泡沫/翅片管,位于上層相變材料的b2點熔化時間比最下層b6點快2 740 s(0.76 h),相比泡沫管熔化間隔增加了1 440 s。從圖4b可以觀察到,在第1階段內(nèi)的導熱階段,bi點的溫度隨i的增大而降低,且垂直方向越靠下,溫度越低。泡沫/翅片管相比泡沫管溫度曲線間距拉大,是由于翅片的加入增大了管內(nèi)的局部導熱能力,使得進出口水的溫差進一步擴大,此時不能再看作是恒溫壁面,換熱管的導熱能力在垂直高度由上至下是逐漸減弱的。此外,因為位于銅管上方的換熱流體流動的努塞爾數(shù)較大,銅管下方的換熱流體流動的努塞爾數(shù)較小,所以換熱流體在銅管上方能更好地換熱。因此,位于上方的測點溫度要高于下方的測點溫度。此外,隨著時間的推移,各層之間的溫差逐漸擴大。除了上述因素,局部自然對流也使得溫度均勻性下降。

2.2 相同流速下泡沫管和泡沫/翅片管的軸向各層相變時間

從拍攝結(jié)果可以看出,泡沫管完全熔化時間約為120 min,泡沫/翅片管完全熔化時間約為100 min,縮短了將近16.7%。從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn),在第2階段內(nèi),泡沫管和泡沫/翅片管在相變時間上存在較大差異,雖然兩者從上至下每層的相變時間都在逐漸擴大,但可以發(fā)現(xiàn)泡沫管b2點的相變時間約為3 240 s,泡沫/翅片管b2點的相變時間約為2 390 s,前者比后者慢了850 s,然而對于b6點,泡沫管的相變時間約為4 560 s,泡沫/翅片管的相變時間約為4 040 s,前者比后者慢了520 s。分析如下:在垂直方向上,自然對流是由下至上進行熱傳遞的,b2點位于翅片上方,b6點位于翅片下方,因此對于b2點,翅片的加入有助于增強對流傳熱,縮短相變時間;對于b6點,翅片的加入對增強對流傳熱微弱,反而在空間上一定程度地限制了自然對流,所以延長了局部石蠟的相變時間,同時也導致底部石蠟不易熔化,內(nèi)部溫度分布不均勻性增大。

圖6 入口流速為0.07 m/s時泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點的溫度變化比較

圖7 入口流速為0.07 m/s時泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點的相變時間比較

通過比較兩種情況,可以觀察到環(huán)形翅片的參與可以有效地增強相變傳熱,縮短整體完全熔化時間,但是翅片的加入會破壞泡沫管溫度場的均勻性,各層之間溫差擴大,而且從實驗結(jié)果來看,翅片不可隨意布置,在泡沫管底部布置翅片不僅不會增加底部石蠟的熔化量,反而會削弱熱傳遞,這對工程實際有一定借鑒意義。

2.3 換熱流體流速對相變材料熔化過程的影響

(a)泡沫管

(b)泡沫/翅片管圖8 不同流速下?lián)Q熱管b4測點溫度變化圖

圖8為不同流速下?lián)Q熱管b4測點溫度變化圖,可以看出,流速對相變材料的溫度改善有影響,隨著流速的增加,石蠟的熔化過程會加快。對于泡沫管,當流速為0.06 m/s時,b4點的完全熔化時間約為6 020 s,最終的穩(wěn)定溫度為61.89 ℃;當流速為0.1 m/s時,b4點的完全熔化時間約為4 730 s,最終的穩(wěn)定溫度為64.95 ℃。可以發(fā)現(xiàn),通過提高流速,泡沫管完全熔化時間縮短21.4%,最終的穩(wěn)定溫度提高4.94%。對于泡沫/翅片管,當流速為0.06 m/s時,b4點的完全熔化時間約為4 630 s,最終的穩(wěn)定溫度為63.93 ℃;當流速為0.1 m/s時,b4點的完全熔化時間約為3 550 s,最終的穩(wěn)定溫度為65.83 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn),通過提高流速,泡沫/翅片管完全熔化時間縮短23.3%,最終的穩(wěn)定溫度提高2.97%?？傮w來說,無論是對泡沫管還是泡沫/翅片管,換熱流體流速從0.06 m/s升至0.1 m/s可以明顯提高蓄熱裝置的蓄熱速度和最終的穩(wěn)定溫度。這是由于石蠟側(cè)填充泡沫金屬和翅片之后,導熱能力明顯增強,從而其所占整個系統(tǒng)熱阻的比重相應減小,換熱流體側(cè)的熱阻所占比重就相對上升,這時提高流速可以明顯減小換熱流體側(cè)熱阻,增強裝置的蓄熱能力。然而,提高流速會增大系統(tǒng)的泵功消耗,同時也會對系統(tǒng)管路提出更高的要求,這對整個系統(tǒng)的運行能耗和初投資是不利的,所以需要權衡考慮。

3 結(jié) 論

本文針對相變材料內(nèi)嵌通孔泡沫金屬和翅片的熔化過程進行了實驗研究,記錄了在不同流速下石蠟熔化過程中各個測點的實時溫度,討論了不同換熱結(jié)構(泡沫管和泡沫/翅片管)對熔化過程的影響,以及換熱流體流速對相變傳熱的影響。通過分析,得出以下結(jié)論。

(1)泡沫銅/石蠟復合相變材料的溫度分布比泡沫銅+翅片/石蠟復合相變材料的溫度分布更均勻,但泡沫/翅片管具有更好的傳熱性能,蓄熱速度更快。

(2)在泡沫金屬管中不可隨意布置翅片,在泡沫管底部布置翅片不會促進位于翅片之下石蠟的熔化,反而會削弱自然對流,延長底部石蠟的相變時間。

(3)對于泡沫管和泡沫/翅片管,流速對相變材料的溫度改善有顯著影響。隨著流速的增加,石蠟的熔化過程會加快,最終的穩(wěn)定溫度會提高。