泡沫金屬銅布置方式對(duì)石蠟相變放熱性能的影響

陳 華 侯玉潔 柳秀麗 劉 劍

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

石蠟是目前常用的有機(jī)相變材料[1]，具有相變潛熱高、熱穩(wěn)定性好、無(wú)毒無(wú)腐蝕等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)、建筑業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的需求和前景[2-3]，純石蠟作為相變材料時(shí)，較低的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱速度嚴(yán)重限制了石蠟的推廣和發(fā)展，因此開(kāi)發(fā)與制備高性能石蠟相變材料是重要的研究課題。目前，對(duì)于在相變材料中添加其他材料的研究較為廣泛，由兩種或兩種以上材料組合而成的復(fù)合相變材料[4-6]，可以有效提高材料性能，加快蓄放熱過(guò)程。

泡沫金屬銅材料由于具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較大的孔隙率受到研究者的關(guān)注[7-10]，唐小梅等[11]把泡沫金屬銅和脂肪酸二元低共融混合物進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，提高了復(fù)合相變材料換熱性能，并且對(duì)單一相變材料的熱量滯積的現(xiàn)象有很大改善。胡海濤等[12]研究填充泡沫金屬的圓管內(nèi)制冷劑與潤(rùn)滑油混合物流動(dòng)沸騰換熱特性，實(shí)驗(yàn)表明無(wú)論是純制冷劑還是含油工況下，泡沫金屬銅均能有效提高圓管內(nèi)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。楊佳霖等[13]將石蠟真空注入到泡沫金屬銅中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵詫?dǎo)熱為主，內(nèi)部溫度均勻，沒(méi)有溫度分層，充分發(fā)揮了泡沫金屬銅的多孔優(yōu)勢(shì)。田東東等[14]采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)方式，根據(jù)泡沫金屬銅的厚度不同，探究金屬銅對(duì)石蠟熔化過(guò)程的影響，結(jié)果表明，導(dǎo)熱強(qiáng)度隨泡沫金屬銅厚度的增大而增大。

綜上可知，目前對(duì)于部分填充泡沫金屬銅的研究相對(duì)較少，本文針對(duì)部分填充泡沫金屬銅在蓄熱箱的徑向傳熱特性問(wèn)題，將泡沫金屬銅按照其在徑向的熱接觸面積不同設(shè)置成3種不同的布置方式，研究不同方案中相變材料的放熱特性和性能參數(shù)，尋找最優(yōu)的泡沫金屬銅部分填充方案。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了準(zhǔn)確得到石蠟的熱物性，本文采用Q1000型差示掃描量熱法(DSC)測(cè)試純石蠟的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)以及相變潛熱值等。石蠟及泡沫金屬銅物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of thermal properties of materials

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了用于放熱實(shí)驗(yàn)研究的蓄熱箱，結(jié)構(gòu)[15]如圖1所示。蓄熱箱直徑為460 mm、高為500 mm，內(nèi)部主要由螺旋銅盤管組成，分別為制冷劑盤管和水盤管，放熱實(shí)驗(yàn)只涉及水盤管，外部殼體由鋁合金制成，并用聚乙烯發(fā)泡保溫材料包裹，達(dá)到了減少熱量損失，保證實(shí)驗(yàn)效果準(zhǔn)確性的目的。

圖1 蓄熱箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of heat storage tank

蓄熱箱內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)和泡沫金屬銅的布置方式如圖2所示，外圈測(cè)點(diǎn)的布置方式分別為泡沫金屬銅垂直蓄熱箱橫截面半徑方向布置、沿橫截面半徑方向布置、沿橫截面水平方向布置。盤管內(nèi)圈泡沫金屬銅布置由于安裝困難和定位問(wèn)題未考慮不同方案。圖2中內(nèi)部圓環(huán)是冷卻盤管，黑色圓點(diǎn)是熱電偶位置，排布在箱內(nèi)的矩形代表不同布置方式的泡沫金屬銅。整個(gè)蓄熱箱橫截面為圓形，以水平方向?yàn)榻?，上下半圓分別劃分為純石蠟對(duì)照組和復(fù)合相變材料實(shí)驗(yàn)組，每種布置方案均關(guān)于豎直軸線對(duì)稱。

圖2 蓄熱箱內(nèi)部布置方案Fig.2 Internal layout plan of heat storage tank

由圖3可知，3種方案對(duì)稱位置測(cè)點(diǎn)的溫度差值為0～3.8 ℃，誤差小于5%，因此選取1/4的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。選取3類典型測(cè)點(diǎn)分別為冷卻盤管內(nèi)圈測(cè)點(diǎn)(1、2、1′、2′)；冷卻盤管外圈測(cè)點(diǎn)(3、4、3′、4′)，其中1～4為添加泡沫金屬銅的復(fù)合相變材料側(cè)測(cè)點(diǎn)，1′～4′為純石蠟側(cè)測(cè)點(diǎn)。

圖3 三種方案對(duì)稱測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of real-time temperature of symmetrical measuring points in three schemes

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)測(cè)試前將蓄熱箱內(nèi)相變材料完全融化蓄熱。液態(tài)石蠟初始溫度約為73 ℃，打開(kāi)水箱和蓄熱箱的進(jìn)出水閥門，水箱中的冷水通入蓄熱箱冷卻盤管中，與箱內(nèi)相變材料進(jìn)行熱交換，石蠟放出熱量開(kāi)始凝固，冷卻盤管中的水吸收熱量變?yōu)闊崴?，從箱?nèi)導(dǎo)出，480 min后，當(dāng)蓄熱箱進(jìn)水口和出水口溫度基本不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。為保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，3種方案均選取初始溫度35 ℃、體積流量1.5 m3/h的自來(lái)水作為冷流體進(jìn)行放熱過(guò)程研究，用熱電偶記錄蓄熱箱內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度以及冷流體進(jìn)出口溫度，用渦輪流量計(jì)記錄冷流體流量。

1.3 實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，計(jì)算反映放熱性能的相關(guān)參數(shù)，分別為冷流體換熱量(有效放熱量)、相變材料換熱量(總放熱量)、放熱效率、放熱速率。

放熱速率：

(1)

冷流體換熱量：

(2)

相變材料換熱量：

EPCM=MPCM(cPCM△T+λ)

(3)

放熱效率：

(4)

式中：P為放熱速率，W；MHTF為冷流體質(zhì)量流量，kg/h；T1、T2分別為冷流體進(jìn)、出口溫度，℃；cHTF為冷流體比熱，kJ/(kg·K)；td為放熱過(guò)程時(shí)間，min；MPCM為相變材料質(zhì)量，kg；cPCM為相變材料比熱，kJ/(kg·K)；△T為相變材料放熱前后溫差，℃；λ為相變潛熱，kJ/kg。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 內(nèi)圈測(cè)點(diǎn)放熱特性

復(fù)合相變材料與純石蠟在冷卻盤管內(nèi)圈的放熱溫度變化如圖4(a)和圖4(b)所示，可知在徑向上泡沫金屬銅/石蠟復(fù)合相變材料組(測(cè)點(diǎn)1、2)相比于純石蠟對(duì)照組(測(cè)點(diǎn)1′、2′)放熱速率增大，距離冷卻盤管較近的一組測(cè)點(diǎn)2和2′的溫度變化曲線有顯著差異，雖然前20 min內(nèi)測(cè)點(diǎn)2和2′溫度變化率持平，但后期2點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)變緩，在約40 min測(cè)點(diǎn)2放熱溫度開(kāi)始低于測(cè)點(diǎn)2 ′，主要原因是熱量在相變材料內(nèi)發(fā)生滯積，沒(méi)有和冷流體進(jìn)行有效的熱量交換，而加入泡沫金屬銅的測(cè)點(diǎn)2相對(duì)于純石蠟對(duì)照組溫降速率顯著增大，說(shuō)明泡沫金屬銅可以加快放熱進(jìn)程，讓局部堆積的熱量加速向其他位置擴(kuò)散。圖4(c)所示為在同一半徑方向的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2在復(fù)合材料區(qū)的溫差波動(dòng)遠(yuǎn)小于純石蠟區(qū)，復(fù)合材料區(qū)的溫度均勻性比純石蠟區(qū)大約80%，相變后期和第三階段的溫差負(fù)向線性增大過(guò)程是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)熱量在相變材料內(nèi)滯積，局部溫度高導(dǎo)致的溫度差異。

圖4 復(fù)合相變材料與純石蠟在冷卻盤管內(nèi)圈的放熱溫度變化對(duì)比Fig.4 Comparison of the exothermic temperature of the composite PCM and pure paraffin in the cooling coil

2.2 外圈測(cè)點(diǎn)放熱特性

3種布置方案下復(fù)合相變材料和純石蠟在冷卻盤管外側(cè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖5所示。分為3個(gè)階段：相變材料的溫度在初始階段由于相變材料和冷流體熱量交換迅速下降，此時(shí)顯熱為主要換熱方式，當(dāng)溫度約為52 ℃時(shí)，溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始變緩，此時(shí)復(fù)合材料相變過(guò)程開(kāi)始，熱量以潛熱形式存儲(chǔ)，相變階段表現(xiàn)出近乎平坦的曲線，當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，相變材料完全為固態(tài)，溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)再次加快，直至480 min放熱過(guò)程基本結(jié)束。復(fù)合相變材料測(cè)點(diǎn)和純石蠟組相比，加快了3個(gè)階段的放熱進(jìn)程，尤其在第一階段復(fù)合相變材料測(cè)點(diǎn)到達(dá)凝固溫度的降溫時(shí)間均縮短，方案一中純石蠟相變開(kāi)始時(shí)間為70 min，而復(fù)合相變材料測(cè)點(diǎn)開(kāi)始相變時(shí)間約為65 min，降溫時(shí)間有效縮短了5 min。同理方案二中凝固開(kāi)始時(shí)間縮短了4 min，方案三凝固開(kāi)始時(shí)間縮短了5 min，溫降速率均有不同程度得提高。

圖5(d)中測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)3的溫差均為正值，證實(shí)了凝固現(xiàn)象是在靠近盤管處開(kāi)始發(fā)生的，并向外部區(qū)域推進(jìn)，復(fù)合材料區(qū)測(cè)點(diǎn)3到測(cè)點(diǎn)4的溫差均小于純石蠟對(duì)照組對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)的溫差，在初始階段，導(dǎo)熱是主要的傳熱方式，石蠟的低導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致不同距離測(cè)點(diǎn)溫度差越來(lái)越大，出現(xiàn)第一個(gè)波峰，當(dāng)溫度接近凝固點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)之間溫差保持穩(wěn)定，溫度均勻性增大；在相變時(shí)間段內(nèi)，溫差趨向穩(wěn)定，這意味著在整個(gè)水平面上，溫度幾乎恒定；約200 min，相變完成顯熱傳熱導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)間溫差再次增大，出現(xiàn)第二個(gè)波峰，之后隨著相變材料和流體交換熱量的逐漸減少，溫度波動(dòng)趨于平緩，直到放熱完成。由于泡沫金屬銅的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于純石蠟，測(cè)點(diǎn)間熱量傳遞較快，所以復(fù)合相變材料區(qū)測(cè)點(diǎn)溫度均勻性較高，其中方案一溫度波動(dòng)范圍相對(duì)方案二和方案三較小，約為方案二的33%、方案三的50%、純石蠟區(qū)的10%。

圖5 復(fù)合相變材料與純石蠟在冷卻盤管外圈的放熱溫度變化對(duì)比Fig.5 Comparison of the exothermic temperature changes of the composite PCM and pure paraffin in the outer ring of the cooling coil

2.3 三種方案性能參數(shù)對(duì)比

圖6(a)所示為不同方案中石蠟-泡沫金屬銅復(fù)合材料放熱速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，放熱速率的變化可分為三個(gè)階段，第一階段放熱速率呈下降趨勢(shì)，此時(shí)傳熱溫差較大，釋放的能量為顯熱；第二階段為相變界面形成時(shí)，開(kāi)始穩(wěn)定放熱，放熱速率保持穩(wěn)定，但略有降低，主要原因是徑向的固液界面位置改變使熱阻逐漸增大；第三階段為顯熱主導(dǎo)階段，冷流體與相變材料溫度差異越來(lái)越小，放熱速率下降，最終趨于平緩。其中方案一隨時(shí)間的放熱速率稍快于其他兩種方案，表明其與冷流體換熱效果最佳。

由圖6(b)可知，在480 min內(nèi)方案一的有效放熱量為3種方案中最高，比方案二高2.2%、比方案三高1.1%。3種方案放熱率均在65%以上，說(shuō)明3種方案的布置效果較理想，方案一放熱效果最佳，分別比方案二、方案三高5.05%、2.01%。

圖6 3種方案優(yōu)劣對(duì)比Fig.6 Comparison of advantages and disadvantages of the three schemes

由文獻(xiàn)[16]可知，在近似模型條件下，全填充泡沫金屬銅的復(fù)合相變材料放熱效率約為80.33%，比方案一的放熱效率高5.63%，方案一的布置方式在有效降低泡沫金屬銅成本的前提下，減少了放熱效率大幅度降低的風(fēng)險(xiǎn)；在一定程度上緩解了全填充泡沫金屬銅導(dǎo)致的石蠟的體積和釋能密度下降的問(wèn)題，所以方案一為最理想泡沫金屬銅布置方案。

3 結(jié)論

本文將泡沫金屬銅與石蠟形成的復(fù)合相變材料放入圓柱體相變儲(chǔ)能裝置中進(jìn)行放熱性能實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置了3種不同布置方案，研究并分析3種方案下放熱溫度響應(yīng)、放熱速率、放熱效率等的變化規(guī)律。得到如下結(jié)論：

1)泡沫金屬銅的加入可以加快放熱進(jìn)程，縮短石蠟?zāi)虝r(shí)間，方案一、方案三時(shí)間縮短5 min，方案二時(shí)間縮短4 min，有效增大了溫降速率。

2)復(fù)合相變材料能增大石蠟內(nèi)部的溫度均勻性，有效改善在溫差峰值階段的溫度波動(dòng)；內(nèi)圈測(cè)點(diǎn)中復(fù)合材料區(qū)的溫度均勻性比純石蠟區(qū)約高80%，有效改善了熱量滯積現(xiàn)象，外圈測(cè)點(diǎn)中方案一的溫度波動(dòng)為方案二、方案三的33%和50%，為純石蠟區(qū)溫度波動(dòng)的10%。

3)3種布置方式中，方案一的放熱速率最快，有效放熱量比方案二多2.2%，比方案三多1.1%，放熱效率比方案二和方案三大5.05%和2.01%，是最優(yōu)的泡沫金屬銅布置方案。

4)與相似模型的全填充泡沫金屬銅實(shí)驗(yàn)相比，方案一的放熱效率僅降低了5.63%，在削減材料成本的基礎(chǔ)上，維持了約75%的良好換熱效率水平，為部分填充泡沫金屬銅的研究和應(yīng)用提供了參考。