泡沫金屬填充率對(duì)相變材料強(qiáng)化換熱的機(jī)理研究

朱孟帥 張 華 閆勤學(xué) 王子龍 宋瀚文 孫向昕

(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200093；2 南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 南京 210000)

相變蓄熱技術(shù)具有蓄熱密度高、相變潛熱高、相變狀態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)、電子微通道換熱、建筑節(jié)能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于傳統(tǒng)的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，嚴(yán)重影響了太陽(yáng)能的利用效率。因此如何提高相變材料的蓄熱能力、減小其蓄熱時(shí)間成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1]。目前提高相變材料蓄熱性能的方法主要有增加肋片[2-3]、填加泡沫金屬[4-5]、納米顆粒[6-7]以及優(yōu)化相變儲(chǔ)能裝置[8]等。

泡沫金屬具有密度小、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，是提高相變蓄熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的重要途徑之一。Xiao X.等[9]研究了孔隙率為95%的泡沫金屬銅對(duì)復(fù)合相變材料有效熱導(dǎo)率的影響，證明了泡沫金屬的應(yīng)用能夠提高復(fù)合相變材料的有效熱導(dǎo)率，有效熱導(dǎo)率從純石蠟的0.3 W/(m·K)提高至4.9 W/(m·K)，較低的孔隙率可極大地改善導(dǎo)熱性。Tian Y.等[10]研究了孔隙率為95%和85%、孔徑為30 PPI的泡沫金屬銅對(duì)復(fù)合相變材料傳熱系數(shù)的影響，相比于純PCM，泡沫金屬銅在固相區(qū)和兩相區(qū)分別使復(fù)合相變材料的傳熱系數(shù)提高5～20倍和3～10倍。A.Bhattacharya等[11]研究了填充泡沫金屬鋁對(duì)相變材料(水)的有效熱導(dǎo)率的影響，相比于純PCM，孔隙率為90.5%、孔徑為5 PPI的泡沫金屬鋁使復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率提高12.34倍。韋攀等[12]以熱管為研究對(duì)象，基于分析熱管外側(cè)(相變材料側(cè))添加泡沫金屬的強(qiáng)化蓄熱機(jī)理，添加孔隙率為96.8%、孔密度為20 PPI的泡沫金屬熱管，其石蠟融化時(shí)間與光管相比，縮短了2.9倍。Hu Xusheng等[13]分析了低孔隙率泡沫金屬對(duì)相變材料熱物性的影響，孔隙率為67%的復(fù)合相變材料有效熱導(dǎo)率是石蠟的108倍，添加泡沫金屬能有效提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能。張靖馳等[14]研究了相同功率下純正二十烷與添加泡沫碳的復(fù)合相變材料的蓄熱性能，與純正二十烷相比，孔隙率為84%的泡沫碳制成的復(fù)合相變材料釋熱時(shí)間縮短了約30%。

泡沫金屬主要影響的是相變材料蓄熱過(guò)程中的熱傳導(dǎo)強(qiáng)度與熱對(duì)流強(qiáng)度。Zhao Y.等[15]究了孔隙率為0.9、孔徑為10 PPI的泡沫金屬銅對(duì)固液相變化的影響機(jī)理，相變材料融化速率隨著瑞利數(shù)的增大而上升，當(dāng)瑞利數(shù)小于1.04×105時(shí)，相變材料熱傳遞的主要機(jī)理為導(dǎo)熱；而當(dāng)瑞利數(shù)大于1.04×106時(shí)，相變材料熱傳遞的主要機(jī)理為自然對(duì)流。Yao Yuanpeng等[16]析了孔隙率在0.929～0.974、孔徑為5～40 PPI的泡沫金屬銅與石蠟之間的間隙傳熱機(jī)理，得到了Re數(shù)對(duì)復(fù)合相變材料傳熱特性的影響機(jī)理，當(dāng)Re<0.1，液態(tài)石蠟與泡沫金屬銅之間是以熱傳導(dǎo)為主；當(dāng)0.1Re<1時(shí)，液態(tài)石蠟與泡沫金屬銅之間的傳熱方式為對(duì)流換熱。Zhang Zhuqian等[17]分析了不同孔隙率的泡沫銅對(duì)相變材料蓄熱能力與蓄熱速率的影響機(jī)理，與均勻孔隙率91.3%的泡沫金屬相比，孔隙率在85.9%～95.8%之間線性變化的泡沫金屬，其復(fù)合相變材料的融化時(shí)間縮短了63.4%、蓄熱速率提高了150%以上。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泡沫金屬?gòu)?qiáng)化石蠟相變蓄熱機(jī)理的研究主要集中在孔隙率和孔密度對(duì)相變材料蓄熱融化過(guò)程的影響機(jī)理，而缺乏泡沫金屬填充率對(duì)石蠟相變蓄熱過(guò)程強(qiáng)化傳熱的機(jī)理研究。因此，本文搭建了一套可視化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，制備了泡沫金屬銅復(fù)合石蠟相變蓄熱材料，研究了泡沫金屬銅填充率對(duì)石蠟融化過(guò)程中的固液相界面、溫度分布及蓄熱特性的影響，可為泡沫銅強(qiáng)化相變材料蓄熱特性的研究提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文采用的泡沫金屬銅孔隙率為97.4%，孔徑為5 PPI，純石蠟作為相變材料(phase change material，PCM)，其相變點(diǎn)為75～90 ℃，熱導(dǎo)率為0.305 W/(m·K)，采用真空沉浸法制取石蠟與泡沫金屬的復(fù)合相變材料，如圖1所示。

圖1 泡沫金屬銅復(fù)合相變石蠟Fig.1 Copper metal foam composite paraffin wax

石蠟的熱物性由基于瞬變平面熱源技術(shù)(TPS)的熱常數(shù)分析儀(hotdisk_TPS2500S)和差示掃描量熱儀(DSC_200F3)測(cè)量獲得，純石蠟差示掃描量熱儀(DSC)曲線如圖2所示。純石蠟的熱物性參數(shù)為：密度837 kg/m3；導(dǎo)熱率0.305 W/(m·K)；固態(tài)比熱1 750 J/(kg·K)；液態(tài)比熱2 540 J/(kg·K)；相變起始點(diǎn)348 K；相變終止點(diǎn)365 K；相變潛熱218 400 J/kg。

圖2 石蠟的DSC熱流測(cè)量Fig.2 DSC heat flow measurements for paraffin wax

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究不同填充率的泡沫金屬銅對(duì)石蠟融化特性的影響，本文搭建了一套相變界面可視化的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由加熱裝置、蓄熱裝置、數(shù)據(jù)采集裝置3部分組成。蓄熱裝置的主體為R25 mm×90 mm的鋁制半圓柱空腔，壁厚為2 mm，其中石蠟填充高度為60 mm。保溫材料為納米氣凝膠墊(厚度為3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/(m·K)和聚四氟乙烯(厚度為50 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/(m·K)，不同填充率的泡沫金屬銅在蓄熱裝置中的填充位置如圖4所示。

圖3 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Visualized experimental system

圖4 蓄熱裝置中不同填充率的復(fù)合相變材料Fig.4 Composite phase change material with different filling rate in heat storage device

加熱裝置為直流電源，確保硅橡膠加熱板72 W的輸出功率(熱流密度為5.2 kW·m2)。數(shù)據(jù)采集裝置主要由熱電阻、安捷倫采集儀、計(jì)算機(jī)、高清攝像機(jī)等構(gòu)成。鉑電阻采用纏繞法纏繞在小木棒上，小木棒固定在整個(gè)蓄熱腔體中心，實(shí)驗(yàn)裝置共布置四個(gè)鉑電阻，鉑電阻布置方式如圖5所示。

圖5 Pt100位置Fig.5 Position of Pt100

2 物理參數(shù)計(jì)算

2.1 蓄熱量計(jì)算

石蠟的相變潛熱蓄熱過(guò)程發(fā)在348～365 K內(nèi)，在此溫度范圍內(nèi)，石蠟發(fā)生相變，釋放潛熱，復(fù)合相變蓄熱材料蓄熱量計(jì)算式如下：

Q=Qla+Qse

(1)

Qla=cplmpcm△t+cpsmpcm△t+cpCumcu△t

(2)

Qse=mpcmr

(3)

式中：Q為相變材料石蠟的蓄熱量，J；下標(biāo)se、la分別代表顯熱、潛熱；cps、cpl和cpCu分別為石蠟固相、液相和金屬銅的比熱容，J/(kg·K)；mpcm、mCu分別為石蠟和泡沫金屬銅的質(zhì)量，kg；Δt為溫差，℃；r為石蠟相變潛熱，J/kg。

2.2 蓄熱速率計(jì)算

蓄熱速率為蓄熱裝置中石蠟完成相變潛熱蓄熱所吸收的熱量與時(shí)間之比，復(fù)合相變材料蓄熱速率計(jì)算式為：

(4)

式中：ν為蓄熱速率，J/s；Q為相變材料石蠟的蓄熱量，J；t為石蠟融化時(shí)間，s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 固液相界面的演化

泡沫金屬銅對(duì)固液相界面變化的影響如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)泡沫金屬銅的填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時(shí)，石蠟融化時(shí)間隨著泡沫金屬銅填充率的增加而縮短，分別為901、870、831、791 s，比純石蠟(即泡沫金屬填充率為0時(shí))分別縮短了3.44%、7.77%和12.21%，表明泡沫金屬銅有效縮短了石蠟的融化時(shí)間，且泡沫金屬銅的填充率越大，縮短石蠟融化時(shí)間的幅度越顯著。480 s之前不同填充率復(fù)合相變材料的融化過(guò)程相類似，均為底部和側(cè)部石蠟因?yàn)榭拷訜崦娑氏热诨S著加熱過(guò)程的進(jìn)行，液態(tài)石蠟在浮升力的作用下形成自然對(duì)流，并在上部形成局部對(duì)流換熱區(qū)域，加速石蠟的融化過(guò)程，導(dǎo)致固體石蠟呈錐形形狀(圖6(a～d)600 s)，隨著加熱時(shí)間的增加，局部對(duì)流換熱區(qū)域逐漸擴(kuò)大。此外，分析圖6(a～d)(660 s)還可知，泡沫金屬銅有效增強(qiáng)了底部相變材料的導(dǎo)熱強(qiáng)度，并且對(duì)流換熱區(qū)域隨著泡沫金屬銅的增加而縮小，表明泡沫金屬銅的添加不僅增強(qiáng)了相變材料的導(dǎo)熱強(qiáng)度，還抑制了自然對(duì)流強(qiáng)度，且泡沫金屬銅填充率越大，對(duì)石蠟融化傳熱過(guò)程中自然對(duì)流傳熱抑制越顯著。當(dāng)融化時(shí)間為780 s，填充率為2.13%的復(fù)合相變材料即將融化完畢，而填充率為0.43%的復(fù)合相變材料所剩余的固態(tài)石蠟最多，主要是因?yàn)槠渚C合傳熱系數(shù)較低，泡沫金屬銅對(duì)底部石蠟導(dǎo)熱強(qiáng)度的增幅要小于對(duì)自然對(duì)流強(qiáng)度的減幅，導(dǎo)致其融化速率最小。

圖6 泡沫金屬銅填充率對(duì)相變界面的影響Fig.6 Influence of filling ratio of foamed metal copper on phase change interface

3.2 溫度分布的變化

當(dāng)測(cè)量點(diǎn)最低溫度為369 K時(shí)，泡沫金屬填充率對(duì)石蠟融化過(guò)程溫度場(chǎng)的影響如圖7所示。當(dāng)泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時(shí)，蓄熱前期T1溫度始終高于其余測(cè)溫點(diǎn)，這是因?yàn)樾顭嵫b置采用底部和側(cè)部加熱相結(jié)合的方式，T1靠近底部加熱面，增強(qiáng)了底部石蠟的導(dǎo)熱性能；當(dāng)溫度上升至348 K時(shí)，石蠟進(jìn)入潛熱蓄熱階段，T2、T3、T4溫升速率比T1溫升速率大，這是因?yàn)榈撞渴炄诨?，石蠟?nèi)部各點(diǎn)產(chǎn)生溫差，在重力作用下液相石蠟產(chǎn)生自然對(duì)流，使頂部溫度迅速上升；T4、T3溫升速率快于T2，這是因?yàn)樵谧匀粚?duì)流的作用下，其對(duì)流區(qū)域內(nèi)石蠟溫度以較大幅度上升，而石蠟其余部分仍以導(dǎo)熱為主。此外，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時(shí)，各實(shí)驗(yàn)工況下測(cè)溫點(diǎn)最后達(dá)到369 K的時(shí)間分別為870、830、770、700 s，且石蠟融化結(jié)束時(shí)刻最高溫度分別為415.41、419.97、403.54、391.52 K，蓄熱裝置內(nèi)部溫度梯度分別為46.41、50.97、34.54、22.52 K，表明泡沫金屬銅-石蠟復(fù)合蓄熱材料的溫度梯度隨泡沫金屬銅填充率的增大而先增加后減少，這主要是當(dāng)復(fù)合蓄熱材料中泡沫銅填充率為0.43%時(shí)，泡沫金屬銅強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱強(qiáng)度小于抑制的自然對(duì)流強(qiáng)度，其綜合換熱強(qiáng)度小于純石蠟的綜合換熱強(qiáng)度，因此導(dǎo)致蓄熱裝置內(nèi)部溫度梯度先增加，而當(dāng)泡沫銅填充率為1.28%和2.13%時(shí)，蓄熱裝置內(nèi)部溫度梯度減少，這主要是其綜合換熱強(qiáng)度大于純石蠟的綜合換熱強(qiáng)度，且當(dāng)泡沫銅填充率為2.13%時(shí)，石蠟內(nèi)部溫度梯度最小，其內(nèi)部溫度分布最均勻。

圖7 泡沫金屬銅填充率對(duì)石蠟溫度分布的影響Fig.7 The influence of foam copper filling rate on the temperature distribution of paraffin wax

3.3 蓄熱性能的變化

當(dāng)測(cè)量點(diǎn)最低溫度為369 K時(shí)，泡沫金屬銅填充率對(duì)復(fù)合相變材料蓄熱量的影響如圖8所示，由圖8可知，當(dāng)泡沫金屬銅的填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時(shí)，蓄熱裝置中蓄熱量隨泡沫金屬銅填充率的增加而減小，分別為15 932、15 220、14 279、13 296 J，比純石蠟分別減少了4.47%、10.38%和16.55%，泡沫金屬銅的添加降低了蓄熱裝置的蓄熱量，且泡沫金屬銅的填充率越大，蓄熱裝置內(nèi)蓄熱量下降的越顯著，這主要是在復(fù)合相變蓄熱材料質(zhì)量不變的前提下，相變蓄熱材料中添加泡沫金屬銅導(dǎo)致石蠟的占比降低，而銅的比熱容小于石蠟的比熱容，因此泡沫金屬銅的添加降低了蓄熱裝置的蓄熱量。此外，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時(shí)，復(fù)合相變蓄熱材料的蓄熱速率隨泡沫金屬銅填充率的增加先減小后增大，分別為18.41、18.33、18.64、19.13 J/s，這主要是因?yàn)楫?dāng)填充率為0.43%時(shí)，其增大的導(dǎo)熱強(qiáng)度要弱于減小的自然對(duì)流強(qiáng)度，因而導(dǎo)致填充率為0.43%的泡沫金屬銅蓄熱速率小于純石蠟，而隨著泡沫金屬銅填充率的增大，泡沫金屬銅的添加強(qiáng)化了石蠟的導(dǎo)熱傳熱，石蠟內(nèi)蓄熱速率也不斷增大，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為2.13%時(shí)其蓄熱速率最大。由圖8中蓄熱速率與蓄熱量隨泡沫金屬銅填充率變化的曲線可知，石蠟蓄熱過(guò)程中蓄熱速率與蓄熱量曲線相交于點(diǎn)A，蓄熱量為14 539 J、蓄熱速率為18.52 J/s、泡沫金屬銅填充率為0.99%。此外，隨著泡沫金屬銅填充率的增大，石蠟內(nèi)部溫度梯度分別為46.41、50.97、34.54、22.52 K，這是因?yàn)榕菽饘巽~的添加使相變材料內(nèi)部溫度更加均勻，相變蓄熱裝置的蓄熱性能隨泡沫金屬銅填充率的增大先衰弱后增強(qiáng)。綜上所述，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為0.99%時(shí)，整個(gè)蓄熱裝置的綜合蓄熱性能較好。

圖8 泡沫金屬填充率對(duì)復(fù)合相變材料蓄熱性能的影響Fig.8 Influence of foam metal filling rate on heat storage performance of composite phase change materials

4 結(jié)論

為研究復(fù)合相變蓄熱材料中泡沫金屬銅填充率對(duì)石蠟強(qiáng)化換熱機(jī)理，本文設(shè)計(jì)并搭建了可視化蓄熱實(shí)驗(yàn)裝置，制備了不同填充率的復(fù)合相變蓄熱材料，實(shí)驗(yàn)分析了蓄熱裝置中泡沫金屬銅填充率對(duì)石蠟內(nèi)部固液相界面、溫度場(chǎng)、蓄熱性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)通過(guò)填加泡沫金屬銅可以增強(qiáng)石蠟的熱傳導(dǎo)，泡沫金屬銅的填充率越大，傳熱效果越好，當(dāng)泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時(shí)，石蠟的融化時(shí)間從901 s減少至791 s，縮短了12.21%。

2)石蠟-泡沫金屬銅復(fù)合蓄熱材料的溫度梯度隨著泡沫金屬銅填充率的增大先增大后減小，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為0.43%時(shí)，蓄熱裝置內(nèi)溫度梯度最大，為50.97 K，當(dāng)泡沫金屬銅填充率為2.13%時(shí)，蓄熱裝置內(nèi)溫度溫度梯度最小，為22.52 K。

3)當(dāng)泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時(shí)，石蠟在融化傳熱過(guò)程中導(dǎo)熱強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，自然對(duì)流傳熱強(qiáng)度逐漸衰弱。

4)石蠟的蓄熱量隨著泡沫金屬銅填充率的增大而減少，蓄熱速率隨著泡沫金屬銅填充率的增加先降低后升高，并且當(dāng)泡沫金屬銅填充率為0.99%時(shí)，整個(gè)蓄熱裝置的綜合蓄熱性能較好，蓄熱量為14 539 J、蓄熱速率為18.52 J/s。