復(fù)合相變蓄熱采暖裝置熱性能實(shí)驗(yàn)研究

祝藝丹，王春青，譚慧琳，杜 瑞，索雨麥

1吉林建筑科技學(xué)院 長(zhǎng)春 130114 2吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130118

0 引言

“建筑節(jié)能”、“清潔供暖”已經(jīng)成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分.推動(dòng)能源體系革命性變革,是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要取向[1].近年來,由于北方采暖地區(qū)燃煤采暖造成的環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重,清潔能源采暖的發(fā)展受到廣泛關(guān)注.為配合“峰谷電價(jià)”等清潔能源政策,蓄熱式電采暖系統(tǒng)快速發(fā)展.蓄熱技術(shù)在建筑采暖系統(tǒng)中的應(yīng)用,既可提高能源的利用效率、保護(hù)環(huán)境,又可以調(diào)整電力負(fù)荷變化,降低電供暖成本,促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2-3].

結(jié)合供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行變化規(guī)律,應(yīng)用石蠟微膠囊[內(nèi)材:石蠟,壁材:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)][4-6]相變蓄熱特性,是降低供熱系統(tǒng)能耗和熱用戶成本的有效途徑.但由于相變石蠟微膠囊導(dǎo)熱能力較弱,相變響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),材料內(nèi)部受熱不均等原因,在實(shí)際應(yīng)用中,很難滿足間歇供熱下室內(nèi)采暖要求.通過設(shè)計(jì)1種泡沫金屬銅與石蠟微膠囊復(fù)合[7]的蓄熱主體材料,可有效提高材料熱響應(yīng)特性,實(shí)現(xiàn)蓄熱快速響應(yīng).石蠟微膠囊物質(zhì)形態(tài)為粉末,其平均粒徑為 12.03 μm;泡沫金屬銅是銅基體中均勻分布連通孔洞的新型材料,其孔徑范圍是1 mm～3 mm,將石蠟微膠囊粉末填充到泡沫銅的孔隙中,以強(qiáng)化其導(dǎo)熱蓄熱響應(yīng)時(shí)間.

本文根據(jù)相變材料理論,擬搭建復(fù)合相變蓄熱采暖裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái),將實(shí)驗(yàn)臺(tái)蓄熱層設(shè)為泡沫金屬石蠟微膠囊復(fù)合相變材料與純石蠟微膠囊相變材料，在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試采集溫度數(shù)據(jù),通過對(duì)比分析,確定復(fù)合相變蓄熱采暖裝置的熱性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

為探究泡沫金屬?gòu)?fù)合相變蓄熱材料的熱性能,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(方案A:石蠟微膠囊 + 95 %孔隙率的泡沫銅的復(fù)合相變材料)的基礎(chǔ)上，提出2個(gè)參照方案即方案B:石蠟微膠囊 + 90 %孔隙率泡沫銅的復(fù)合相變材料和方案C:石蠟微膠囊蓄熱相變材料.實(shí)驗(yàn)中,控制蓄熱材料用量與實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境一致.

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

擬從實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成、結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)、測(cè)溫點(diǎn)分布和實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建等4個(gè)方面介紹復(fù)合相變蓄熱采暖裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái).

1.2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成

整個(gè)測(cè)試復(fù)合相變蓄熱材料熱性能系統(tǒng)包括復(fù)合相變蓄熱采暖結(jié)構(gòu)、溫度數(shù)據(jù)采集儀器、測(cè)溫元件和計(jì)算機(jī)等.復(fù)合相變蓄熱采暖裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示.

圖1 復(fù)合相變蓄熱采暖裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)的照片F(xiàn)ig.1 Photo of test bench for composite phase change heat storage heating system

1.2.2 結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

為滿足在相同熱源條件下進(jìn)行3組方案的熱性能實(shí)驗(yàn),將3種方案涉及的相變材料放入尺寸大小為1 500 mm×1 000 mm×100 mm木質(zhì)模具內(nèi),3種方案均做絕熱處理,尺寸規(guī)格保持一致.模具底面及四周均設(shè)絕熱層.相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)自下而上分依次為30 mm厚絕熱層、鋁箔紙反射層、20 mm厚相變蓄熱層、鐵網(wǎng)、硅膠碳纖維發(fā)熱電纜和20 mm水泥砂漿找平層.結(jié)構(gòu)層如圖2所示.

1.2.3 測(cè)溫點(diǎn)分布

本實(shí)驗(yàn)測(cè)量端為感溫元件T型熱電偶及集數(shù)據(jù)采集、測(cè)量運(yùn)算、存儲(chǔ)記錄于一體的數(shù)據(jù)采集記錄儀.通過溫度測(cè)試,分別采集3種方案中發(fā)熱源表面、相變蓄熱層及結(jié)構(gòu)層表面的溫度.

(1) 發(fā)熱源表面測(cè)點(diǎn).將3根T型熱電偶分別用鋁箔膠帶固定在3種方案發(fā)熱源的相同位置處.觀察溫度變化,以保證發(fā)熱源溫度相同即溫度環(huán)境相同.感溫元件固定位置如圖3所示.

(2) 相變蓄熱層內(nèi)測(cè)點(diǎn).縱向測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示,分別在3種方案構(gòu)件發(fā)熱電纜表面固定感溫元件T型熱電偶,在其下方的相變蓄熱層內(nèi)埋入感溫元件,并保證T型熱電偶在3種方案中相變蓄熱層內(nèi)埋入深度相同.

(3) 結(jié)構(gòu)層表面測(cè)點(diǎn).如圖5所示,將T型熱電偶探頭位置固定在結(jié)構(gòu)層表面上,多處多次測(cè)量求平均值,以保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

圖2 結(jié)構(gòu)層Fig.2 Structural layer

圖3 電纜表面的感溫元件分布Fig.3 Distribution of temperature sensing elements on cable surface

圖4 相變蓄熱層內(nèi)的感溫元件分布Fig.4 Distribution of temperature sensing elements in phase change heat storage layer

圖5 結(jié)構(gòu)層表面的感溫元件分布Fig.5 Distribution of temperature sensing elements on the surface of structural layer

1.2.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

復(fù)合相變蓄熱采暖結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì),其鋪設(shè)過程如圖6所示.

在圖6(a)～圖6(b)所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)中從左至右依次將95 %孔隙率的泡沫金屬銅與石蠟?zāi)z囊復(fù)合材料、90 %孔隙率的泡沫金屬銅與石蠟?zāi)z囊復(fù)合材料及純石蠟微膠囊填入對(duì)應(yīng)的模塊內(nèi).

如圖6(c)所示,單回型鋪設(shè)發(fā)熱電纜并用卡扣將其固定在鐵網(wǎng)上,發(fā)熱電纜間距控制在100 mm左右.

如圖6(d)所示,水泥砂漿找平之前,在各方案蓄熱層等高相同位置處埋設(shè)并固定測(cè)溫元件T型熱電偶.待找平層養(yǎng)護(hù)好后,各方案表面相同位置處用鋁箔膠帶將T型熱電偶固定好.

感溫元件另一端連接安捷倫溫度數(shù)據(jù)采集儀的模塊上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及處理.

(a) 絕熱處理的實(shí)驗(yàn)臺(tái) (a) Test platform of thermal insulation treatment

(b) 鋪設(shè)的蓄熱主體材料 (b) Laid main body material for heat storage

(c) 鋪設(shè)的固定發(fā)熱源 (c) Fixed heating source for laying

(d) 鋪設(shè)的找平層 (d) Laid leveling layer

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)過程利用發(fā)熱電纜放熱,石蠟受熱升溫,達(dá)到相變點(diǎn),存儲(chǔ)潛熱;發(fā)熱電纜停止供熱后相變蓄熱結(jié)構(gòu)放熱,溫度降到相變點(diǎn)后,釋放潛熱的原理進(jìn)行.當(dāng)日21∶00時(shí)開始供電供熱,次日7∶00時(shí)停止供熱,以此為測(cè)量周期,該時(shí)段避開用電高峰,電價(jià)較低.實(shí)驗(yàn)過程中觀察并收集各測(cè)點(diǎn)溫度,為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,可多次測(cè)量,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 蓄熱過程

按照實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將3種方案(即方案A:石蠟微膠囊 + 95 %孔隙率泡沫銅的復(fù)合相變材料、方案B:石蠟微膠囊 + 90 %孔隙率泡沫銅的復(fù)合相變材料和方案C:石蠟微膠囊相變材料)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制出蓄熱過程蓄熱層溫度隨時(shí)間變化的曲線,如圖7(a)～圖7(b)所示.

從圖7(a)～圖7(b)可觀察到,3種實(shí)驗(yàn)方案均經(jīng)歷了顯熱供熱(升溫)、潛熱蓄熱(溫度維持在42 ℃左右)和顯熱繼續(xù)供熱(繼續(xù)升溫)等3個(gè)過程.蓄熱初始階段:與方案C相比,方案A、方案B相變蓄熱結(jié)構(gòu)層內(nèi)部溫度上升速率較快,且相變響應(yīng)時(shí)間較方案C提前4 400 s左右.

由此可知,復(fù)合相變蓄熱層中的泡沫金屬在加熱過程中,以導(dǎo)熱性能好的優(yōu)勢(shì)將熱量較快地傳遞給蓄熱主體材料,使石蠟微膠囊提前達(dá)到相變溫度開始蓄熱過程;蓄熱階段:蓄熱材料利用潛熱蓄熱,溫度不變,因此圖中曲線大致為一條直線;蓄熱結(jié)束階段:溫度繼續(xù)升高,該階段溫升曲線斜率逐漸變小,直至趨于平緩.

通過觀察方案A與方案B的兩條溫升曲線,并經(jīng)分析可得,石蠟微膠囊受熱熔化狀況受泡沫金屬孔隙率大小的影響.實(shí)驗(yàn)表明,孔隙率大的泡沫金屬利于熱量傳向蓄熱主體材料.

(a) 蓄熱過程中各方案蓄熱層內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化 (a) Variation of the temperature in heat-accumulating layer of each plan with time in heat-accumulating process

(b) 蓄熱過程中各方案結(jié)構(gòu)層表面溫度隨時(shí)間的變化 (b) Variation of the structure layer surface temperature of each plan with time in heat-accumulating process

2.2 放熱過程

次日7∶00時(shí)停止供熱,測(cè)得3種方案相變蓄熱層及結(jié)構(gòu)層表面溫度數(shù)據(jù)并整理繪制成曲線,如圖8(a)～圖8(b)所示.

(a) 放熱過程中各方案蓄熱層內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化 (a) Variation of the temperature in heat-accumulating layer of each plan with time in exothermic process

(b) 放熱過程中各方案結(jié)構(gòu)層表面溫度隨時(shí)間的變化 (b) Variation of the structure layer surface temperature of each plan with time in exothermic process

由圖8(a)～圖8 (b)可觀察到,3種方案都經(jīng)歷了內(nèi)芯液態(tài)石蠟顯熱放熱、相變潛熱放熱及呈固態(tài)后繼續(xù)放熱階段,其中在停止供熱之初可明顯地觀察到方案A與方案B中溫度隨時(shí)間降低的速度較方案C快，相變響應(yīng)時(shí)間較方案C提前.由此可分析得出,泡沫金屬的加入強(qiáng)化了熱量向外的傳導(dǎo)即將熱較好地傳遞出去,滿足供熱需求,而方案C相變蓄熱層只含有石蠟微膠囊,導(dǎo)熱能力弱,熱量集中在蓄熱層,向外傳遞效果差,導(dǎo)致蓄熱層與結(jié)構(gòu)層表面溫差較小.隨著熱量不斷向外傳遞,溫度降至石蠟相變溫度點(diǎn)時(shí),溫度隨時(shí)間的相變曲線近乎成一條直線,開始用蓄熱階段所儲(chǔ)熱量供熱.潛熱放熱結(jié)束后繼續(xù)以顯熱放熱,直至溫度降至與實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度接近為止.

再由方案A和方案B蓄熱層及構(gòu)件表面溫度隨時(shí)間變化曲線的對(duì)比分析可知,在滿足足夠放熱時(shí)間的前提下,95 %孔隙率的泡沫銅石蠟微膠囊復(fù)合相變材料(方案A)可使整個(gè)相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)散熱性能更優(yōu).

3 結(jié)論

本文分別對(duì)蓄熱層填充石蠟微膠囊和泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的蓄熱結(jié)構(gòu)供熱蓄熱、放熱過程中內(nèi)部傳熱狀況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出如下結(jié)論:

(1) 新型復(fù)合式相變材料中泡沫銅的加入,強(qiáng)化了傳熱效果,解決了純石蠟微膠囊導(dǎo)熱系數(shù)低的問題.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型泡沫銅/石蠟微膠囊復(fù)合相變材料的設(shè)計(jì)可使相變響應(yīng)時(shí)間提前,同一時(shí)間下,向蓄熱層導(dǎo)熱效果更明顯.

(2) 泡沫銅強(qiáng)化了蓄熱層傳熱效果,增強(qiáng)了蓄熱材料蓄熱能力,且泡沫銅孔隙率越大,強(qiáng)化傳熱效果越好.

(3) 泡沫金屬的加入同時(shí)也使得整個(gè)相變蓄熱電采暖結(jié)構(gòu)散熱性能更優(yōu).