不同傾角下通孔金屬泡沫強化蓄熱實驗研究

郭增旭,白青松,楊肖虎,劉艷華,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)

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展,能源和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重,在尋找替代能源的同時,提高現(xiàn)有能源利用率變得越來越重要。我國主要工業(yè)產(chǎn)品平均單位能耗高于國際水平30%左右,除了相對落后的生產(chǎn)技術(shù)、不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素外,較低的工業(yè)廢熱回收率是導(dǎo)致能耗高的主要原因。中國能源利用率僅約為33%,低于發(fā)達國家10%左右,約50%的工業(yè)余熱被直接丟棄[1-3]。余熱回收率有很大提升空間,節(jié)能潛力巨大。

儲熱技術(shù)利用儲熱材料的特性,將熱量存儲起來,可有效地利用余熱及廢熱,解決了用戶在供熱時間與空間不匹配的問題。與顯熱存儲相比,潛熱存儲具有熱容量大、溫度變化范圍小、體積小等優(yōu)點。利用相變材料通過固液相變儲能回收工業(yè)余熱是當(dāng)下非常重要的余熱利用方式[4-5]。但是,工業(yè)用相變材料(如石蠟類和熔融鹽類)導(dǎo)熱系數(shù)很低,一般在0.2 W·m-1·K-1左右[6-7],這極大地限制了儲熱/釋熱效率。

金屬泡沫作為一種新型強化換熱材料,多由高導(dǎo)熱材料如鋁、銅制成,其特有的網(wǎng)狀金屬骨架結(jié)構(gòu)使其具有孔隙率高(0.85～0.99)、相對密度小(質(zhì)量不到相同體積實體金屬材料的1/10)、比表面積大(1 000～3 000 m2/m3)等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[8-11]。金屬泡沫的多孔特點可以實現(xiàn)相變材料內(nèi)嵌,以利用其豐富的擴展表面強化固液相變傳熱。

國內(nèi)外針對通孔金屬泡沫內(nèi)嵌相變材料強化固液相變傳熱開展了一系列基礎(chǔ)研究,取得了重要進展,主要體現(xiàn)在金屬泡沫/相變復(fù)合材料有效導(dǎo)熱系數(shù)提升及固液相變傳熱特性研究兩方面。在導(dǎo)熱方面,楊肖虎等為了研究高孔隙率通孔金屬泡沫中的熱傳導(dǎo)特性及預(yù)測有效導(dǎo)熱系數(shù),發(fā)展了一種新的全解析有效導(dǎo)熱系數(shù)模型,并驗證了高孔隙率下該模型預(yù)測值與實驗測量值和文獻數(shù)據(jù)吻合良好[12]。Zhang等搭建了相變傳熱實驗臺來研究石蠟內(nèi)嵌泡沫銅的復(fù)合相變材料的相變傳熱特性,發(fā)現(xiàn)在傳熱過程中石蠟與金屬骨架之間存在局部熱不平衡現(xiàn)象,導(dǎo)致兩者之間存在較大溫差,實驗結(jié)果與基于雙能量方程的數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好[13]。Xiao等采用真空浸入法制備了石蠟/鎳泡沫和石蠟/銅泡沫復(fù)合相變材料(PCMS),用瞬態(tài)平面熱源技術(shù)(TPS)和穩(wěn)態(tài)法測量了復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù),分析了其傳熱行為,發(fā)現(xiàn)與純石蠟相比,PCMS的導(dǎo)熱性能提高[14]。Chen等在孔隙尺度上對泡沫金屬中相變材料(PCM)的熔融行為進行了實驗研究,利用紅外顯微鏡和光學(xué)顯微鏡分別研究了PCM在孔隙尺度下的溫度場和熔化演化過程,發(fā)現(xiàn)在PCM熔化過程中,金屬結(jié)構(gòu)對傳熱的影響是顯著的[15]。

在固液相變傳熱特性方面,李達志等以石蠟作為相變蓄熱材料搭建了蓄熱器熱性能實驗臺,對填充和未填充泡沫銅的蓄熱容器進行了相變蓄熱實驗,結(jié)果表明泡沫銅的添加不僅使蓄熱器內(nèi)溫度分布均勻,而且大大縮短了蓄熱所需時間[16]。姚元鵬等針對方腔蓄熱單元,通過數(shù)值分析研究恒熱流邊界條件下泡沫銅強化石蠟相變蓄熱特性,發(fā)現(xiàn)石蠟相變速率受孔密度影響較小,但隨著孔密度增加(孔徑減小),自然對流受到明顯抑制,蓄熱區(qū)傳熱溫差增大[17]。Tian等解決了金屬泡沫-相變材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的相變區(qū)和液相區(qū)的導(dǎo)熱及自然對流的耦合傳熱問題,發(fā)現(xiàn)盡管金屬泡沫抑制了自然對流,但當(dāng)相變材料內(nèi)嵌金屬泡沫時,其整體傳熱性能得到改善,這意味著熱傳導(dǎo)的增強補償或超過了自然對流損失[18]。Yang等通過實驗與數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn),單溫度模型適用于金屬泡沫內(nèi)嵌相變材料的凝固過程[19]。

文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn),以往針對通孔金屬泡沫內(nèi)嵌相變材料強化固液相變的研究都是在給定角度下進行的,截至目前未發(fā)現(xiàn)有相變換熱裝置傾角對通孔金屬泡沫強化相變蓄熱的研究工作。為此,本文針對不同傾角下金屬泡沫強化相變傳熱的過程進行實驗研究,采用石蠟作為相變工質(zhì),搭建了相界面可視化實驗臺,對其蓄熱過程中相界面的遷移進行觀察及記錄,探索了不同傾角及自然對流對石蠟相變蓄熱過程影響的特性規(guī)律。

1 實驗裝置

1.1 實驗試件

本文采用線切割將銅泡沫加工成尺寸為68 mm×68 mm×28 mm的實驗試件。經(jīng)測量,銅泡沫的孔徑為2.54 mm、孔隙率為0.96。為了便于更換銅泡沫試件并使其與加熱基板緊密接觸,采用導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱系數(shù)為25 W·m-1·K-1)作為粘接劑,將厚度為2 mm且大小與銅泡沫試件一致的銅片與銅泡沫粘在一起。本實驗采用真空熔融灌蠟的方式,讓液體石蠟(熔點為47～60 ℃,導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W·m-1·K-1)在真空度為94 Pa的環(huán)境下填充,以確保完全填滿泡沫金屬內(nèi)部空隙。待石蠟冷卻凝固后切除多余部分,內(nèi)嵌石蠟的銅泡沫如圖1所示。

1.2 實驗系統(tǒng)

為了研究不同傾角及自然對流對石蠟熔化過程的影響,本文搭建了一套可視化相變換熱實驗系統(tǒng),主要由轉(zhuǎn)角裝置、恒溫水箱、相變換熱裝置、高清相機和數(shù)據(jù)采集器等組成,如圖2所示。恒溫水箱采用蒸餾水作為加熱工質(zhì),考慮到石蠟熔點以及實驗時長,本實驗采用恒溫水箱為石蠟熔化提供70 ℃的恒定壁溫。如圖3所示,轉(zhuǎn)角裝置由底板和支架組成,白色邊界表示恒溫加熱壁面,其他壁面均可視為絕熱壁面。相變換熱裝置安裝時由萬能角度尺(精度為0.02°)確定角度,并由螺栓固定在轉(zhuǎn)角裝置的支架上,以確保實驗過程中相變換熱裝置的穩(wěn)定性。本實驗分別研究了傾角θ為0°、30°、60°、90°時相變材料的蓄熱過程。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 轉(zhuǎn)角裝置示意圖

相變換熱裝置安裝在轉(zhuǎn)角裝置上,主要包括微通道換熱板、有機玻璃框。微通道換熱板表面布有3根T型熱電偶,用于采集換熱板壁面溫度;有機玻璃框粘接在微通道換熱板上,其間安裝實驗試件。為了減少熱量損失,本實驗采取以下措施:微通道換熱板內(nèi)嵌在導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·m-1·K-1的聚氨酯泡沫中;實驗試件與微通道換熱板間隙填充導(dǎo)熱系數(shù)為25 W·m-1·K-1的導(dǎo)熱膠以減小界面接觸熱阻;將厚度為20 mm的有機玻璃框安裝在實驗試件外,并在其外側(cè)包裹一層導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·m-1·K-1的保溫棉。

實驗過程中測量保溫棉外表面溫度和室內(nèi)空氣溫度,通過傅里葉熱傳導(dǎo)方程估算通過保溫棉的局部熱量損失。經(jīng)測量計算估計,通過有機玻璃框、聚氨酯泡沫及保溫棉3層隔熱層的熱量損失為不足相變蓄熱量的0.5%。通過高清照相機記錄石蠟熔化過程相界面的實時位置,以展示瞬態(tài)相變過程。

1.3 實驗過程

首先打開閥門V1,關(guān)閉閥門V2、V3,開啟恒溫水浴箱加熱功能,設(shè)定溫度為70 ℃;待恒溫水浴溫度達到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后,打開閥門V2、V3,關(guān)閉閥門V1,使高溫?zé)崦搅鹘?jīng)換熱板內(nèi)微通道,以此為實驗試件提供70 ℃加熱壁溫。與此同時,開啟數(shù)據(jù)采集器進行溫度采集,設(shè)定采集時間間隔為30 s,并拍攝第一張實驗照片;此后每隔3 min拍攝一次照片,直至石蠟完全熔化。實驗過程中每隔3 min記錄一次環(huán)境溫度以及保溫棉外表面溫度。

2 結(jié)果討論

2.1 蓄熱過程壁面溫度變化

圖4給出了熔化過程中換熱板表面溫度Tw的變化情況。由圖可知:實驗開始時70 ℃的熱媒流經(jīng)換熱板內(nèi)微通道,換熱板表面與高溫?zé)崦綔夭罡哌_52 ℃,所以其表面溫度由初始的環(huán)境溫度急劇升高,迅速接近熱媒溫度70 ℃;隨著換熱板表面溫度不斷升高,兩者之間溫差不斷減小,在270 s時溫度穩(wěn)定于70 ℃附近。實驗過程中換熱板表面溫度保持在70 ℃,滿足恒壁溫的實驗要求。

圖4 微通道換熱板表面溫度隨時間的變化

2.2 不同轉(zhuǎn)角對純石蠟蓄熱過程的影響

圖5展示了石蠟在蓄熱過程中實時相界面位置,黑色部分表示已經(jīng)熔化的石蠟,白色部分表示未熔化的石蠟。由圖可知,在傾角為30°、60°、90°時,純石蠟在蓄熱過程中相界面都出現(xiàn)了不同程度的傾斜彎曲,上部石蠟明顯比下部石蠟熔化快,間接說明了液相區(qū)域中自然對流對相界面推移的促進作用。液相區(qū)靠近加熱壁面處液體溫度較高且向上運動,而靠近相界面處溫度相對較低的液體則向下運動,形成局部渦流;靠近上部的流體溫度較高,在自然對流的作用下,液相區(qū)上部區(qū)域熔化較快,最終使得相界面發(fā)生傾斜,呈現(xiàn)如圖5所示的狀態(tài)。

t=720 st=2 880 s圖5 不同傾角下純石蠟熔化的相界面

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),在傾角為0°時,相界面基本水平,但是呈現(xiàn)出鋸齒狀,這也說明自然對流形成的多個局部渦流對相界面推移的促進作用。在自然對流的作用下,渦流上部溫度較高,石蠟熔化速度較快,渦流兩側(cè)液體溫度較低,石蠟熔化較慢,所以呈現(xiàn)出鋸齒狀的相界面。從水平角度上看,各個渦流強度基本一致,所以相界面整體平行推進。從圖5中還可以看出,隨著時間的增加,相界面鋸齒的數(shù)量在減少,與之相對應(yīng)的是鋸齒在變大,這說明液體石蠟區(qū)小渦流逐漸合并成大渦流。

圖6給出了不同傾角下純石蠟在蓄熱過程中的熔化率fm(液態(tài)石蠟體積占總體積的比例)隨時間的變化過程。由圖可知,隨著θ逐漸減小,相變材料完全熔化的時間越來越短,0°傾角時石蠟熔化時間比30°、60°、90°傾角時分別減少14.77%、25%和34.16%。相同時間內(nèi)傾角越小,熔化率越大,蓄熱過程所需時間越短,這說明更小的傾角可以使純石蠟蓄熱過程傳熱得到強化,大大減少蓄熱時間,提高蓄熱效率。

圖6 不同傾角下純石蠟的熔化率隨時間的變化

(a)θ=0°

由于自然對流強度不同導(dǎo)致的溫度差使流體產(chǎn)生密度差,由此形成的浮升力成為自然對流的驅(qū)動力。如圖7所示,當(dāng)腔體傾角為90°時,水平溫差成為自然對流的驅(qū)動力,此時加熱壁面附近的液體石蠟受熱向上運動,而固體石蠟區(qū)附近的液體石蠟溫度較低向下運動,由此形成渦流。這導(dǎo)致液相石蠟區(qū)上部溫度較高,下部溫度相對較低,進而形成了傾斜的相界面。當(dāng)腔體傾角為0°時,垂直溫差成為自然對流的驅(qū)動力,與90°時不同,此時液體區(qū)石蠟向上運動的路徑更短,高溫液體石蠟到達固體石蠟邊界后向下運動,從而形成多個局部渦流,導(dǎo)致相界面呈現(xiàn)出鋸齒狀。這也說明了0°傾角時液體區(qū)自然對流強度更大,對石蠟熔化的促進作用更明顯,而腔體傾角為30°和60°時的情況則介于0°和90°之間,因此純石蠟在0°傾角時熔化速度最快。

(b)θ=90°圖7 純石蠟熔化時自然對流示意圖

2.3 轉(zhuǎn)角對金屬泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)石蠟蓄熱過程的影響

圖8給出了金屬泡沫中石蠟在蓄熱過程中的實時相界面。由圖可知,與純石蠟熔化呈現(xiàn)的相界面類似,在傾角為30°、60°、90°時蓄熱過程中相界面都出現(xiàn)不同程度的傾斜彎曲,上部石蠟明顯比下部石蠟熔化快,這也說明了自然對流在石蠟內(nèi)嵌金屬泡沫蓄熱過程中的促進作用。在傾角為0°時,固液相界面基本水平,而且相界面貼近金屬骨架發(fā)展,靠近金屬骨架的石蠟比孔隙中的石蠟熔化快,也呈現(xiàn)出鋸齒狀的相界面。

圖8 不同傾角下金屬泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)石蠟熔化的相界面

圖9展示了不同傾角下金屬泡沫內(nèi)的石蠟在蓄熱過程中的熔化率隨時間的變化過程。由圖可知,不同角度下石蠟完全熔化時間并沒有明顯區(qū)別,最大偏差為4.35%。當(dāng)純石蠟熔化時,由于不同傾角下液體區(qū)自然對流的強度不同,所以傾角對純石蠟的熔化具有明顯的影響。然而,采用金屬泡沫內(nèi)嵌石蠟復(fù)合結(jié)構(gòu)進行實驗時,發(fā)現(xiàn)傾角對石蠟的熔化率并沒有明顯影響。這主要是因為:一方面,在該復(fù)合結(jié)構(gòu)相變蓄熱過程中,熱量傳遞以金屬骨架的導(dǎo)熱為主,自然對流所占比重很低;另一方面,加入金屬泡沫以后,金屬骨架會對自然對流的發(fā)生產(chǎn)生阻礙作用,所以當(dāng)自然對流的作用不再明顯時,傾角對金屬泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)的石蠟熔化率也就沒有影響了。此外,本實驗中所采用的金屬泡沫為高孔隙率(0.96)、大孔徑(2.54 mm),實驗發(fā)現(xiàn)傾角對于金屬泡沫內(nèi)嵌復(fù)合材料的熔化規(guī)律沒有影響。若采用更低孔隙率、更小孔徑的金屬泡沫進行實驗,那么傾角對于復(fù)合相變材料的熔化將更加沒有影響。這說明,傾角對于金屬泡沫內(nèi)嵌相變材料的熔化過程的影響可以忽略不計。

圖9 不同傾角下金屬泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)石蠟的熔化率隨時間的變化

3 結(jié) 論

本實驗以石蠟類相變材料作為研究對象,研究了純石蠟以及通孔銅泡沫中固體石蠟的熔化行為。結(jié)果表明:在傾斜(θ≠0°)狀態(tài)下固液相界面由于液體區(qū)域內(nèi)自然對流的影響而呈現(xiàn)傾斜狀態(tài),而在水平(θ=0°)時固液相界面基本水平,石蠟水平熔化時呈現(xiàn)鋸齒狀相界面;不同傾角對純石蠟熔化過程具有很大影響,隨著傾角逐漸減小,相變材料完全熔化的時間越來越短,0°傾角(水平)時石蠟熔化時間比30°、60°、90°傾角時分別減少14.77%、25%和34.16%。然而,實驗發(fā)現(xiàn)傾角對石蠟內(nèi)嵌金屬泡沫蓄熱過程的影響可以忽略不計。

相變材料的凝固過程同樣非常值得研究,將在今后的研究中深入討論整個蓄放熱過程的規(guī)律性問題。