生活水箱內(nèi)封裝相變材料超聲波強化傳熱研究

庹曉糠，嚴中俊，王姜，李水生，俞準，張國強

(1.湖南大學土木工程學院，湖南長沙，410082；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南長沙，410014)

太陽能生活熱水系統(tǒng)可以利用太陽能為用戶提供生活熱水，目前已在我國得到廣泛應用。由于太陽輻射具有間歇性和不穩(wěn)定性，導致太陽能熱水系統(tǒng)熱水供應和用戶需求之間往往存在不匹配問題。在蓄熱和放熱過程中，相變材料具有溫度恒定且相變潛熱量大的特點，將其封裝后應用于太陽能生活水箱中可通過錯時用能有效解決上述不匹配的問題，同時可增大水箱蓄熱密度并降低水溫波動。然而，相變材料(如石蠟和有機酸等)導熱系數(shù)較低，導致其封裝后在水箱中應用時存在蓄放熱速率較慢的缺點，往往難以滿足實際需求，阻礙了其在工程實際中的應用和推廣。針對該問題，國內(nèi)外學者通常在封裝結構內(nèi)部添加翅片[1-3]以增加換熱面積，或直接在相變材料中摻入石墨[4-5]和金屬顆粒[6-7]等高導熱劑以提高導熱系數(shù)，從而實現(xiàn)強化傳熱。然而，添加翅片或高導熱劑會增大封裝相變材料的有效體積，從而降低其蓄熱密度，且部分高導熱劑如石墨等往往會在相變材料蓄放能過程中發(fā)生沉降，其長期傳熱強化效果難以保證。

不同于上述強化傳熱方法的機理，將超聲波技術應用于液態(tài)介質(zhì)時，可通過空化效應和聲流效應等作用產(chǎn)生強化流體傳熱的效果。KIANI等[8]研究了超聲波對銅球與乙二醇溶液單相對流傳熱的影響，并分析了聲強和超聲波換能器與銅球的距離對傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波所引起的空化效應和聲流效應可強化單相對流傳熱，且傳熱效果隨聲強增加和超聲波換能器與銅球之間的距離減小而增強。BARTOLI 等[9]研究了超聲波對浸沒在蒸餾水中的鉑絲在過冷沸騰條件下傳熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波可以在流體中引起湍流從而提高對流系數(shù)，使用超聲波技術后的傳熱強化倍率可達到1.57。就封裝相變材料在生活水箱中的應用而言，由于封裝結構內(nèi)四周相變材料在被加熱時會同時熔化并在浮升力作用下產(chǎn)生自然對流運動，且對流傳熱在大部分熔化時間段內(nèi)占據(jù)主導作用[10]，將超聲波技術應用于生活水箱中封裝相變材料時也可通過空化效應和聲流效應增強其熔化過程中的對流，從而實現(xiàn)強化換熱。需強調(diào)的是，由于超聲波可由超聲波換能器在封裝結構外部產(chǎn)生，將超聲波應用于封裝相變材料強化換熱時可克服傳統(tǒng)方法導致封裝結構內(nèi)蓄熱密度降低或高導熱劑容易沉降等缺點，是一種極具應用潛力的強化相變傳熱方法。

然而，迄今為止，尚未見相關文獻就超聲波對生活水箱內(nèi)封裝相變材料強化傳熱性能進行研究?？紤]到相變材料的熔化特性與現(xiàn)有相關研究中其他液體介質(zhì)有所不同，且超聲波對生活水箱四周加熱條件下封裝相變材料的強化傳熱效果及不同因素(如超聲波頻率和熱水溫度)的影響尚不明確，有必要對上述問題進行深入研究，以實現(xiàn)超聲波強化傳熱技術在相變蓄熱生活水箱中的應用和推廣?；诖?，本文作者提出在生活水箱中采用超聲波技術作為封裝相變材料強化傳熱的方法，并以當前應用最廣泛的圓柱型封裝相變材料為例[11]，通過可視化實驗研究并對比分析超聲波對相變材料固-液相界面的演變以及溫度變化情況的影響。此外，考慮到超聲波頻率和熱水溫度對超聲波產(chǎn)生的空化效應有很大影響，在上述研究基礎上進一步探究超聲波頻率和熱水溫度對相變材料熔化性能的影響。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

圖1所示為本文所搭建的實驗系統(tǒng)示意圖。從圖1可見該系統(tǒng)主要由恒溫水箱(2 個)、圓柱型封裝相變材料、超聲波裝置、溫度測量裝置、相機以及數(shù)據(jù)采集終端組成，其中，恒溫水箱由方形容器和電加熱系統(tǒng)組成。方形容器邊長為300 mm，為便于觀察，其正面和背面的材質(zhì)為玻璃，其余面為不銹鋼；電加熱系統(tǒng)包括容器底部功率為2 kW的環(huán)形電加熱器、容器側(cè)面的不銹鋼鎧裝T型熱電偶以及溫度控制器，采用PID控制來保持水箱中水溫恒定，控制精度為±0.5 ℃。將在進行圓柱型封裝后，相變材料垂直放置于恒溫水箱中。為便于觀察，封裝結構側(cè)壁采用透明聚碳酸酯管(內(nèi)徑為76 mm，高為144 mm，厚度為2 mm)，底部和頂部為不銹鋼圓頭封裝。超聲波裝置由超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成，超聲波換能器緊貼在封裝結構底面并固定在水箱底部。為了測量相變材料在熔化過程中的溫度變化，在封裝結構中軸線上以30 mm間距均勻布置T1，T2和T3共3個T型熱電偶測點。實驗開始前采用冰水混合物統(tǒng)一對熱電偶傳感器進行標定，標定精度誤差為±0.5 ℃。所有傳感器均與數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34972A)連接以采集溫度數(shù)據(jù)?？紤]到月桂酸具有無毒、化學穩(wěn)定性較強以及相變溫度適中等優(yōu)點，本文選用相變溫度為43～45 ℃的月桂酸作為實驗用相變材料。

1.2 實驗工況及步驟

考慮到生活水箱熱水溫度設置在實際工程中往往有所不同，本文在參考相關技術標準和文獻調(diào)研的基礎上[12-13]，選擇55，58 和60 ℃這3 種常用的熱水溫度作為典型參數(shù)進行實驗，分析不同水溫對超聲波性能的影響；同時，為了探究不同超聲波頻率對水箱中相變材料熔化過程的影響，在無超聲波和現(xiàn)有相關文獻研究中最常用的3種頻率超聲波(20，28和40 kHz)條件下[14]，對圓柱型封裝相變材料的熔化過程進行測試。具體實驗步驟如下。

1)實驗開始前將圓柱型封裝相變材料置于1號恒溫水箱內(nèi)。水箱中熱水溫度設定在25 ℃，靜置24 h以保證相變材料的初始溫度均勻一致且穩(wěn)定在25 ℃。

2)調(diào)節(jié)溫控箱的設定溫度，將2號恒溫水箱中的水加熱到指定溫度(55，58 或60 ℃)，接著將1號恒溫水箱中25 ℃的水換成2號恒溫水箱中的水，再通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的開閉和頻率來設定超聲波的不同頻率(無超聲波，20 kHz，28 kHz 或40 kHz)，然后開始實驗測試。

3)通過Agilent 34972A多功能數(shù)字數(shù)據(jù)采集儀采集熱電偶測量的溫度，時間間隔為1 min，并記錄在電腦終端；同時，用相機記錄封裝結構內(nèi)相變材料在熔化過程中固-液相界面的變化，直至封裝結構內(nèi)的相變材料完全熔化為止。

2 結果和討論

2.1 超聲波對相變材料熔化過程的影響

為了研究超聲波技術對圓柱型封裝結構內(nèi)相變材料熔化性能的影響，以60 ℃熱水溫度和28 kHz 超聲波頻率工況為例，對未使用和使用超聲波時的相變材料熔化過程中固-液相界面、液相體積分數(shù)以及溫度變化進行對比分析。

2.1.1 相變材料固-液相界面和液相體積分數(shù)變化分析

圖2所示為加熱時間達到10，40，70和95 min時相變材料固-液相界面圖和對應的由MATLAB邊緣檢測算法[15]計算出的液相體積分數(shù)。從圖2(a)和圖2(e)可見：當加熱到10 min時，靠近容器加熱壁面的固體相變材料由于離熱源較近，其溫度快速上升并熔化形成明顯的液體層；此外，圖2(a)中容器四周的液體層厚度基本相等，其原因是該液體層相變材料同時受到加熱壁面和相變材料固體界面對其的黏滯力，從而處于靜止狀態(tài)(傳熱機制主要為熱傳導)。與圖2(a)相比，圖2(e)中底部液體層的厚度相對于頂部和側(cè)面液體層的厚度明顯較大，其原因是超聲波換能器安裝在封裝結構的底部，從而底部液體層中的相變材料受到超聲波的作用較強。需強調(diào)的是，在實驗過程中觀測到底部液相相變材料在超聲波空化效應作用下產(chǎn)生大量微小氣泡，這些氣泡不斷膨脹、壓縮直至爆裂形成射流，從而增強了底部液相相變材料的自然對流和傳熱。就相變材料液相體積分數(shù)而言，其從無超聲波時的15.0%提高到有超聲波時的16.9%，超聲波的相應強化效率為12.7%。

圖2 有超聲波和無超聲波作用時相變材料固-液相界面隨時間的變化Fig.2 Solid-liquid interface of phase change materials at different time with ultrasonic wave and without ultrasonic wave

隨著加熱時間延長，固體相變材料進一步熔化，液體相變材料的厚度增大，此時，液體相變材料由于密度差引起的浮升力克服了其受到的壁黏力，其傳熱方式從熱傳導開始向自然對流轉(zhuǎn)變。在自然對流作用下，高溫液相相變材料沿加熱壁面向上運動，而低溫液相相變材料沿固體相變材料壁面向下運動，液體相變材料的溫度在豎直方向上出現(xiàn)溫度分層，從而導致與側(cè)面和底部液體層相比，頂部液體層的厚度較大，如圖2(b)和(f)所示。值得注意的是，與圖2(b)中的液體層厚度相比，圖2(f)中除了底部液態(tài)相變材料層厚度明顯較大外，側(cè)面和頂部的厚度也稍大，這主要是因為超聲波的空化效應和聲流效應在促進底部自然對流的同時，也推動了底部的液相相變材料向上運動，促進了側(cè)面和頂部固態(tài)相變材料的熔化。在這種作用下，加熱到40 min 時相變材料的液相體積分數(shù)從未使用超聲波時的39.0%提高到47.5%，超聲波的相應強化效率為21.8%。

從圖2(c)和圖2(g)可見：當加熱到70 min 時，在固體相變材料的頂部出現(xiàn)了彎曲的固-液相界面，說明此階段液相相變材料的傳熱方式以自然對流為主；此外，固體相變材料底部出現(xiàn)了不規(guī)則的固-液相界面(圖2(g))，這是因為超聲波作用效果隨距離增大而減弱，導致離底部越近(遠)的相變材料溫度越高(低)，底部液相區(qū)出現(xiàn)明顯的溫度分層，在浮升力作用下，液相相變材料在底部液相區(qū)形成多個自然對流單元。在這些對流單元沖刷下，與對流單元接觸的固體相變材料快速熔化，從而導致固體相變材料不均勻熔化。就相變材料液相體積分數(shù)而言，此時未使用超聲波和使用超聲波這2 種情況下相變材料液相體積分數(shù)分別為58.2%和79.9%，超聲波的相應強化效率為37.3%。

由圖2(d)和(h)可見：當加熱到95 min 時，在超聲波作用下相變材料已完全熔化，與無超聲波作用下的液相體積分數(shù)71.0%相比，其液相體積分數(shù)提升了40.8%。

由上述分析可知，超聲波可顯著加快相變材料的熔化，且隨著加熱時間推移，超聲波強化效果更加明顯。導致該現(xiàn)象的主要原因是，在加熱過程中，液相相變材料的自然對流運動隨著液體層厚度的增大不斷增強，而超聲波主要是通過增強自然對流來強化傳熱，因此，其效果會隨著熔化的進行得到增強。

2.1.2 相變材料溫度變化分析

圖3所示為在無超聲波和有超聲波作用2種情況下T1，T2和T3這3個熱電偶測點的溫度隨加熱時間的變化情況。由圖3可見：由于各測點的初始溫度低于相變材料的相變溫度，加熱初始階段為固態(tài)顯熱加熱階段，各測點的溫度均快速升高；當溫度達到相變材料的相變溫度時，相變材料開始熔化，其溫度進入相變平臺期；當相變材料完全熔化后，相變材料的加熱過程變成液態(tài)顯熱加熱階段，溫度又快速上升。值得注意的是，與無超聲波作用情況相比，有超聲波作用時3個測點的溫度上升速度更快，且其相變平臺期明顯較短，T1，T2和T3這3個測點的相變平臺期分別縮短71，26和9 min，熔化速率分別提升51.4%，28.2% 和12.5%，其主要原因是超聲波強化了液相區(qū)相變材料的自然對流，加速了固體相變材料與液體相變材料在固液界面上的傳熱，從而縮短了測點周圍相變材料完成相變的時間。

圖3 有無超聲波作用時不同測點溫度變化Fig.3 Temperature change at different measuring points with and without ultrasonic wave

從圖3還可看出：這3個測點中，超聲波對底部測點T1的溫度影響最大，其周圍相變材料完成上述3 個階段的時間從180 min 降低到62 min，經(jīng)計算，熔化速率提升了65.6%，而頂部測點T3溫度受到的影響最小，其完成時間從124 min 降低到88 min，熔化速率僅提升29.0%?？紤]到超聲波換能器安裝在結構的底部且測點之間距離為30 mm，顯然，超聲波作用效果隨距離增大而減弱較快。

2.2 不同頻率超聲波下相變材料液相體積分數(shù)變化

為了研究超聲波頻率變化對相變材料熔化性能的影響，在上述研究基礎上，進一步對無超聲波與20，28 和40 kHz 這3 種頻率超聲波作用下的相變材料熔化過程液相體積分數(shù)隨時間的變化進行比較，結果如圖4所示。

圖4 不同超聲波頻率下液相體積分數(shù)隨時間的變化Fig.4 Change of liquid volume fraction with time at different ultrasonic frequencies

由圖4可見：就超聲波作用下的熔化過程而言，在加熱初始階段，相變材料液相體積分數(shù)較低，超聲波強化效果較弱，其液相體積分數(shù)-時間曲線與無超聲波作用下的曲線基本重合；隨著液相體積分數(shù)增大，超聲波強化作用不斷增強，該曲線與無超聲波作用下的曲線開始分離，且其斜率明顯大于無超聲波作用下的曲線斜率。具體而言，當頻率從20 kHz 增加到28 kHz 時，其曲線斜率增大，相變材料完全熔化時間(即液相體積分數(shù)達到1.0)從115 min 降低到95 min，熔化時間降低17.4%；當頻率從28 kHz增加到40 kHz時，其曲線斜率減小，相變材料完全熔化時間從95 min 增加到120 min，熔化時間增加26.3%。

顯然，隨著超聲波頻率從20 kHz 增大到40 kHz，超聲波的強化效果先增大再減少；當頻率從20 kHz 增大到28 kHz 時，隨著頻率增大，液相相變材料發(fā)生空化的頻率加大，更多的氣泡將在液相相變材料中產(chǎn)生，從而導致超聲波的強化效果增強；當超聲波頻率從28 kHz增加到40 kHz時，盡管空化作用的頻率增大，但由于超聲波聲壓沿傳播方向的衰減加快[16]，離超聲波換能器安裝位置較遠的液相相變材料由于聲壓降低到低于液相相變材料的空化閾值(空化閾值是克服液體的靜壓力和黏滯力發(fā)生空化的聲壓臨界值，當超聲波聲壓超過該閾值時，相應的液體就會發(fā)生空化效應[17])，液相相變材料發(fā)生空化作用的區(qū)域減少，從而導致超聲波的強化效果下降。

由上述分析可知，受空化作用發(fā)生頻率和聲壓衰減作用的影響，單純增加超聲波頻率并不會使相變材料的熔化效率持續(xù)增加。需注意的是，相變材料的空化閾值與相變材料的黏滯力有關，因此，在工程實際中，應根據(jù)相變材料的具體性質(zhì)選擇合適的超聲波頻率，以提高超聲波強化傳熱效果。

2.3 熱水溫度對超聲波強化性能的影響

為了研究加熱溫度對超聲波強化相變材料傳熱性能的影響，本文對熱水溫度分別為55，58 和60 ℃，頻率分別為20，28和40 kHz時的相變材料完全熔化時間進行比較，結果如圖5所示。

圖5 完全熔化時間與熱水溫度的關系Fig.5 Relationship between complete melting time and water temperature

由圖5可見：未使用超聲波與使用20，28 和40 kHz超聲波時相變材料熔化時間-溫度曲線基本平行，說明隨著熱水溫度升高，與未使用超聲波相比，在使用某一頻率的超聲波時相變材料完全熔化時間的減少量基本相等。此外，考慮到相變材料完全熔化時間隨加熱溫度增大而減少，超聲波對熔化速率的強化效率(即完全熔化時間減少量與無超聲波作用下完全熔化時間之比)隨加熱溫度升高而增大；當熱水溫度為55 ℃時，與不加超聲波相比，28 kHz 超聲波頻率下熔化速率的強化效率為42%；隨著熱水溫度提高到58 ℃和60 ℃，該強化效率分別提升至44%和48%。其原因主要是熱水溫度升高會使得液相相變材料溫度升高和空化閾值降低，從而增強超聲波的空化作用[18]。

顯然，通過提高熱水溫度可提高超聲波傳熱強化效果。然而，值得注意的是，熱水溫度提高同時也會導致水箱與環(huán)境的熱損失增大，因此，在實際應用過程中，應根據(jù)熱源和環(huán)境溫度合理選擇加熱溫度，在避免熱損失過大基礎上獲得較高的超聲波強化效果。

3 結論

1)超聲波可增強自然對流，顯著加快相變材料的熔化，且隨著加熱時間推移，液相相變材料的自然對流隨著液體層厚度增大而加強，因此，其強化作用更加明顯。當加熱溫度為60 ℃時，與無超聲波作用相比，在28 kHz 超聲波作用下，相變材料液相體積分數(shù)的強化效率可由10 min 時的12.7%提升至95 min 時的40.8%；此外，隨著距離增大，超聲波的作用效果減弱較快，其強化效率從30 mm時的65.5%降低到90 mm時的29.0%。

2)受空化作用發(fā)生頻率和聲壓衰減作用的影響，單純增加超聲波頻率并不會使相變材料的熔化性能持續(xù)增強。當超聲波頻率從20 kHz 增大為28 Hz和40 kHz時，相變材料完全熔化時間先減少再增大。考慮到相變材料發(fā)生空化作用的閾值與其受到的黏滯力有關，在工程實際中，應根據(jù)相變材料的具體性質(zhì)選擇合適的超聲波頻率，以獲得較好的超聲波強化傳熱效果。

3)熱水溫度升高會使得液相相變材料溫度升高和空化閾值降低，超聲波聲壓將更容易達到空化閾值，發(fā)生空化效應的區(qū)域也會相應增加，從而增強超聲波的強化傳熱作用。當熱水溫度為55，58 和60 ℃時，與無超聲波作用相比，在頻率為28 kHz 的超聲波作用下相變材料完全熔化時熔化速率的強化效率分別為42%，44%和48%?？紤]到熱水溫度提高同時也會導致水箱與環(huán)境的熱損失增大，在實際應用過程中，應根據(jù)熱源和環(huán)境溫度情況合理選擇熱水溫度，在避免熱損失過大基礎上獲得較高的超聲波強化效果。

4)在本文工作基礎上，未來將建立封裝結構內(nèi)超聲波場、速度場、溫度場等多物理場耦合數(shù)值模型，以進一步研究不同參數(shù)(如超聲波功率、相變材料熱物性及封裝結構幾何尺寸)和超聲波換能器的安裝位置、角度等對超聲波強化性能的影響，從而為超聲波強化傳熱方法在相變蓄熱生活水箱的應用和推廣提供依據(jù)。