泡沫銅對相變蓄熱性能的影響

陳華，趙睿，柳秀麗

（天津商業(yè)大學機械工程學院，天津 300134）

0 引言

相變蓄熱是利用相變過程來實現(xiàn)熱量儲存與釋放的技術(shù)，在太陽能、余熱廢熱利用等領(lǐng)域有著廣闊前景[1-4]。目前廣泛使用石蠟作為相變蓄熱材料進行低溫熱儲存[5-6]，但石蠟存在傳熱速率慢、導熱系數(shù)低且蓄熱所需時間長等弊端[7-10]，因此研究者將高導熱孔隙材料與石蠟結(jié)合構(gòu)成復合相變材料，以提高其導熱能力[11-14]。

徐眾等[15]分別將泡沫銅、泡沫鎳和泡沫鋁與石蠟相結(jié)合制成復合相變材料，研究吸附溫度和時間對復合材料中石蠟含量的影響，研究發(fā)現(xiàn)泡沫銅/石蠟復合相變材料的穩(wěn)定性和導熱系數(shù)優(yōu)于泡沫鎳/石蠟、泡沫鋁/石蠟復合材料。胡杰等[16]利用ANSYS軟件建立泡沫銅/石蠟復合材料仿真模型并進行有限元仿真分析。結(jié)果顯示，復合相變材料比單一相變材料的傳熱速率快，內(nèi)部溫度也更加均勻。魏高升等[17]將石蠟與孔隙率為97.57%的泡沫銅結(jié)合構(gòu)成復合材料，發(fā)現(xiàn)其導熱系數(shù)比純石蠟導熱系數(shù)高13倍左右。姚元鵬等[18]采用數(shù)值模擬的方式，對泡沫銅內(nèi)石蠟凝固相變進行孔隙尺度實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)在石蠟中添加泡沫銅可顯著改善石蠟相變空間的均勻性。劉洋等[19]將泡沫銅與石蠟相結(jié)合構(gòu)成復合相變材料，通過實驗研究熱源溫度與環(huán)境溫度對儲能過程與單元性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)加入泡沫銅可減小儲能單元內(nèi)部溫差，相對優(yōu)化率分別達到47.5%和8.3%。綜上所述，將泡沫金屬銅與石蠟結(jié)合構(gòu)成復合相變材料可有效提高蓄熱能力和穩(wěn)定性，但泡沫銅與石蠟的分布形式對蓄熱性能影響的研究較為少見。

本實驗采用實驗測試的方式，將泡沫金屬銅加入相變蓄熱箱，設(shè)計3種布置方案，來研究復合相變材料內(nèi)泡沫銅布置對蓄熱效果的影響，分析復合材料內(nèi)石蠟熔化過程中的溫度分布情況，比較各方案的性能，確定最優(yōu)泡沫銅布置方式，為今后泡沫銅的優(yōu)化布置提供實驗依據(jù)。

1 系統(tǒng)原理介紹及實驗設(shè)備及過程

本實驗采用的相變蓄熱箱如圖1所示，蓄熱箱直徑為460 mm，高為500 mm，內(nèi)部有冷熱盤管，盤管由螺旋銅盤管組成，盤管總長為20 m，盤管匝數(shù)為16，間距為22 mm，直徑為12 mm，螺旋直徑為200 mm。在蓄熱實驗中，高溫高壓制冷劑由制冷劑入口進入熱盤管進行熱交換后從制冷劑出口流出，此過程中箱內(nèi)相變材料溫度不斷升高，當石蠟完全熔化，各測點溫度基本不變時實驗結(jié)束。

圖1 相變蓄熱箱內(nèi)外部結(jié)構(gòu)

采用熱流型差示掃描量熱儀對純石蠟樣本進行測試，獲取相變材料石蠟的相變溫度和相變潛熱值等參數(shù)，如圖2所示。根據(jù)測量得到的石蠟吸/放熱曲線可知所選取的石蠟凝固點為47.29 ℃，融化點為57.07 ℃，導熱系數(shù)為0.21 W/(m·K)，密度為900 kg/m3，相變潛熱值為137.4 J/g。實驗選取的泡沫金屬銅密度為8 930 kg/m3，孔密度為20 PPI，孔隙率為96%，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。

圖2 石蠟DSC測試的熔化和凝固曲線

復合材料有效導熱系數(shù)ke可根據(jù)MESALHY等[20]提出的表達式進行估算：

式中，kp為相變材料的導熱系數(shù)，W/(m·K)；ks為銅的導熱系數(shù)，W/(m·K)；ε為泡沫銅的孔隙率，%。

經(jīng)計算，實驗中復合材料有效導熱系數(shù)約為5.61 W/(m·K)。測量儀器及其參數(shù)如表1所示，鎧裝熱電偶用于測量相變蓄熱箱熱流體進出口溫度，銅-康銅熱電偶用于測量相變蓄熱箱內(nèi)測點溫度。

表1 測量儀器及其參數(shù)

相變蓄熱箱中泡沫銅垂直插入石蠟內(nèi)形成3種布置方式如圖3所示。其中矩形代表泡沫金屬銅，實心圓圈代表熱電偶所在的位置，中間空心圓圈則代表黃銅材質(zhì)、內(nèi)通熱流體的加熱盤管。3種布置方案均為軸對稱分布，除泡沫金屬銅的位置不同，其他條件均相同。測點1～測點11位于含金屬泡沫銅的一側(cè)，而測點1'～測點11'則位于純石蠟的一側(cè)，測點1～測點11與測點1'～測點11'分別呈對稱分布。

圖3 三種泡沫銅在相變蓄熱箱中布置測點

2 結(jié)果分析

2.1 復合材料與純石蠟測點比較

為對比純石蠟與復合材料的蓄熱效果，選取位于測點中部、呈直線分布的測點1、測點2、測點6和測點10進行比較。其中測點1和測點2位于盤管內(nèi)圈，測點6和測點10位于盤管外圈。溫度比較如圖4所示。測點溫升速率如表2所示。在實驗中，純石蠟側(cè)測點在3組方案下溫升速率差別極小，因此在表2中將3組純石蠟側(cè)測點綜合為一組。

表2 測點溫升速率比較

圖4中，相變蓄熱箱中的蓄熱過程可分為前期、中期和后期3個階段。蓄熱前期：蓄熱開始的前50 min，此時石蠟仍處于固態(tài)，熱量以導熱形式進行傳遞，為蓄熱過程的顯熱蓄熱階段。蓄熱中期：蓄熱階段的50～200 min，石蠟溫升加快，固態(tài)石蠟逐漸融化為液態(tài)石蠟，進入潛熱蓄熱階段。蓄熱后期：200 min后，這時相變材料已經(jīng)化為液態(tài)，也就是進入顯熱蓄熱階段。由圖4(a)～圖4(c)可知，添加泡沫銅的3種復合材料能夠顯著提高測點1、測點2溫升效果。內(nèi)側(cè)測點1，在蓄熱前期，方案1、方案2和方案3溫升速率分別為純石蠟側(cè)的5倍、4倍和2倍；在蓄熱中期，方案1、方案2較純石蠟側(cè)提前70 min進入潛熱蓄熱階段，方案3則提前50 min，3種方案均縮短石蠟融化時間。內(nèi)側(cè)測點2，方案1、方案2、方案3在蓄熱前期的溫升速率為0.12、0.25和0.22 ℃/min，分別為純石蠟側(cè)的3倍、6倍和5倍；在蓄熱中期，方案1、方案2的溫升速率為純石蠟側(cè)2倍，方案3約為純石蠟側(cè)3倍?？梢娫谛顭嵯鋬?nèi)圈，復合材料的換熱效果明顯優(yōu)于純石蠟的換熱效果。

在純石蠟蓄熱過程中，測點6為溫升最快點。由圖4(d)～圖4(f)可知，純石蠟在測點6上的整體蓄熱效果是優(yōu)于方案2和方案3，而方案1在蓄熱中期，溫升速率較純石蠟側(cè)提高了47%，并先于純石蠟側(cè)進入潛熱蓄熱階段，改善了純石蠟蓄熱效果。因此添加泡沫銅能明顯改善蓄熱中期溫升速率，但是泡沫銅放置方式，反而影響蓄熱前期溫升速率。添加泡沫銅方式對熱量傳遞效果有很大影響，因此確定合理的泡沫銅擺放方式顯得尤為重要，此處方案1較方案2、方案3更利于測點6溫度的提升。對于外圈測點10，在蓄熱前期，方案1、方案2、方案3溫升速率較純石蠟側(cè)的提高100%、50%和50%；在蓄熱中期，3種方案溫升速率分別較純石蠟側(cè)提高113.3%、40%、13.3%。在外圈測點10處，3種方案蓄熱效果均優(yōu)于純石蠟側(cè)，其中方案1提升蓄熱效果更為明顯。綜上所述，不同布置方式的泡沫銅/石蠟復合材料，其蓄熱效果不同。3種方案中，方案1能更好提升純石蠟的蓄熱效果。

圖4 相變蓄熱箱內(nèi)外圈測點對比

2.2 3種布置方案測點溫度比較

根據(jù)布置圖可知，盤管內(nèi)圈泡沫銅的布置是相同的，且由圖3可知，3種方案下內(nèi)圈測點溫升速率雖有不同，但均可提升純石蠟的蓄熱效果，故3種方案僅就外圈測點進行比較。

2.2.1 外圈溫升最慢點比較

測點8和測點9位置靠近蓄熱箱內(nèi)壁，遠離熱盤管，蓄熱過程中溫升較慢，因此選擇此兩點作為分析對象。圖5所示為外圈溫升最慢點比較。由圖5(a)可知，3種方案在測點8處溫升趨勢差別不大，由圖5(b)可知，在測點9位置上方案1的溫升效果更好。在前期，方案1的溫升速率為0.09 ℃/min，分別為方案2、方案3的2倍和6倍；在中期，方案1溫升速率為0.50 ℃/min，分別為方案2、方案3的2～3倍，且方案1進入潛熱蓄熱的時間較方案2、方案3縮短50 min和100 min。因此，3種方案對比下，方案1更利于提升離熱源較遠位置的溫度。

圖5 外圈溫升最慢點對比

2.2.2 外圈溫升最快點比較

由于3種泡沫銅布置方式不同，在蓄熱箱內(nèi)的溫度分布也不同。在蓄熱箱盤管外圈，方案1、方案2和方案3溫升最快點分別為測點5、測點6和測點7，此3點距離熱盤管較近、響應時間短、溫度上升快，可作為分析對象，溫度趨勢如圖6所示。方案1測點5在蓄熱前期溫升速率為0.12 ℃/min，較方案2和方案3提高132%和31.8%；在蓄熱中期溫升速率為0.45 ℃/min，約為其他兩組溫升速率的兩倍，并提前50 min和40 min進入潛熱蓄熱段。對于測點6，在蓄熱前期，方案1溫升速率為0.16 ℃/min，約為方案2、方案3的2倍和3倍；在蓄熱中期，方案1溫升速率較方案2、方案3提升了107.4%和124%，融化時間縮短90 min和120 min。而測點7處，蓄熱前期內(nèi)方案2溫升速率為0.09 ℃/min，較方案1、方案3高53.3%和431%，在蓄熱中期，方案1溫升速率為0.37 ℃/min，較方案2、方案3高52.1%和109%，提前20 min和100 min進入潛熱蓄熱階段。綜合3組測點來看，針對盤管外圈溫升較快的位置，方案1的換熱效果更好，即泡沫銅平行于熱源放置，對蓄熱效果改善更佳。

圖6 外圈溫升最快點對比

3 結(jié)論

本文研究了泡沫金屬銅在石蠟中不同的布置方式對蓄熱效果的影響，比較不同方案的復合相變材料與單一相變材料的溫升速率、融化時間等指標，確定最適宜的泡沫銅布置方案，得出如下結(jié)論：

1）添加泡沫銅可將熱盤管內(nèi)圈溫升速率提升了3～6倍，3組復合材料在測點1和測點2的蓄熱效果均優(yōu)于純石蠟；

2）對于熱盤管外圈測點，在蓄熱中期添加泡沫銅能提高溫升速率13.3%～113.3%，但是泡沫銅放置方式，反而影響蓄熱前期溫升速率；

3）比較3組方案中熱盤管外圈傳熱最快和最慢點，在蓄熱前期方案1較方案2、方案3溫升速率可提高30%～400%，蓄熱中期能提高50%～200%；綜合來看方案1的蓄熱效果更好，即泡沫銅平行于熱源布置，更有利于改善純石蠟的蓄熱性能。