基于六水氯化鈣的單相變材料熱二極管的實(shí)驗(yàn)研究*

楊旭 李靜? 毛宇 陶可愛(ài) 孫寬 陳珊珊 周永利 鄭玉杰

1) (重慶大學(xué),低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

2) (重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,重慶 400044)

基于相反傳熱方向上相變程度不同引起的傳熱形式和系數(shù)差異設(shè)計(jì)的相變材料熱二極管被認(rèn)為是有潛力的熱管理器件.然而多種材料的使用或僅依靠數(shù)值模擬的研究使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或理想化,降低了其實(shí)際應(yīng)用的可能性.因此,本文結(jié)合材料固液相變和自然對(duì)流過(guò)程的傳熱形式和傳熱系數(shù)變化,提出了一個(gè)僅含有CaCl2·6H2O 單相變材料的簡(jiǎn)單熱二極管結(jié)構(gòu),并制備了相應(yīng)的器件,搭建了穩(wěn)態(tài)熱通量測(cè)試系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)研究,其測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)記載值相近,具有良好的準(zhǔn)確度,實(shí)驗(yàn)研究了冷熱端溫差和正反傳熱方向?qū)岫O管熱整流效果的影響規(guī)律.結(jié)果表明:熱二極管的熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,正向和反向分別沿逆重力和重力方向時(shí),熱整流比最高可達(dá)1.58,最佳冷源溫度范圍為20—25 ℃,接近室溫,所提出的相變材料熱二極管結(jié)構(gòu)在建筑節(jié)能和熱管理等方面具有一定的應(yīng)用潛力.

1 引言

隨著現(xiàn)代化、工業(yè)化的快速發(fā)展和化石燃料的燃燒,數(shù)萬(wàn)億噸二氧化碳被排放到大氣中[1,2],溫室效應(yīng)的加劇使全球變暖成為迫在眉睫的問(wèn)題[3],過(guò)高的環(huán)境溫度將進(jìn)一步增加建筑能耗[4],減短建筑壽命[5,6],進(jìn)而提升室內(nèi)溫度影響鋰離子電池[7,8]等高熱流密度的器件與設(shè)備,甚至導(dǎo)致燃燒、爆炸、熱失控[9]等問(wèn)題.因此,迫切需要良好的熱管理措施從建筑保溫或節(jié)能層面降低外界環(huán)境溫度升高帶來(lái)的影響.

相變材料(phase change materials,PCMs)具有高潛熱、低能耗等優(yōu)點(diǎn),在電子設(shè)備、電池和建筑的蓄熱及熱管理領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[10-12].PCMs 通過(guò)相變以潛熱的形式吸收和儲(chǔ)存熱量,其傳熱形式和導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)或發(fā)射率[13]也隨材料相變而變化,如水[14]、石蠟[15]、二氧化釩[16,17]等.隨著跨學(xué)科發(fā)展,基于這些變化設(shè)計(jì)的相變材料熱二極管(phase change materials thermal diode,PCMTD)逐漸受到關(guān)注,它遵循熱力學(xué)第二定律,屬于被動(dòng)熱整流器件.與電子二極管類似,熱二極管具有控制熱流的能力,實(shí)現(xiàn)相反方向上的傳熱量不對(duì)稱[18].通常,PCMTD 由傳熱能力隨溫度趨勢(shì)變化不同或相反的兩部分組成,后者相比前者具有更好的熱整流效果,由正負(fù)溫度趨勢(shì)部分組成,一部分的傳熱系數(shù)K隨溫度的升高而上升,另一部分則相反.研究一般通過(guò)冷熱源的布置規(guī)定傳熱方向,當(dāng)PCMTD 各部分溫度恒定時(shí),穩(wěn)態(tài)正向 熱通量qfor與反向熱通量qrev的比值定義為熱整流比γ,如(1)式所示:

通常γ≥1,qfor與qrev通過(guò)(2)式的穩(wěn)態(tài)熱通量公式計(jì)算,dT/dx為溫度梯度.由此可知,導(dǎo)熱系數(shù)K作為影響熱通量的自變量參數(shù)之一,PCMTD 在正反向傳熱模式下的整體導(dǎo)熱系數(shù)差異越大,熱通量差異越大,熱整流比越高.

PCMs 可分為固-液、固-固、固-氣和液-氣相變類型,固-液相變材料具有易獲取、種類多樣、相變前后體積變化小的優(yōu)點(diǎn),受到最多關(guān)注,但有兩個(gè)主要缺點(diǎn)限制了它在相變熱整流領(lǐng)域的應(yīng)用,相變前后傳熱系數(shù)差異較小和易泄漏[19].

為增大材料相變前后傳熱系數(shù)的差異,在設(shè)計(jì)PCMTD 的結(jié)構(gòu)時(shí),除利用材料的固液傳熱形式差異外,常引入溫度驅(qū)動(dòng)、重力輔助的自然對(duì)流效應(yīng),在一定的溫差和空間尺度下,同一種材料液態(tài)自然對(duì)流的等效傳熱系數(shù)可以高于液態(tài)無(wú)對(duì)流或固態(tài)的等效傳熱系數(shù)[20].在所有相變材料中,無(wú)機(jī)水合鹽相變材料的固液相變過(guò)程往往伴隨著金屬離子與水分子之間離子鍵的斷裂,析出的水使其具有更好的流動(dòng)性,有利于增強(qiáng)自然對(duì)流作用,如Na2SO4·10H2O[21,22],Mn(NO3)2·6H2O[23],CaCl2·6H2O[24,25]等.

外殼封裝是應(yīng)對(duì)PCMTD 泄漏最廣泛的策略,常用材料包括聚甲基丙烯酸甲酯[26],塑料[27]等,此外多孔材料也可以用作防泄漏載體.Chen等[28]將二十烷和聚乙二醇4000 浸漬到還原氧化石墨烯氣凝膠的兩端,制備雙相變熱整流材料,結(jié)果表明該材料的熱整流比可達(dá)1.23.Lyu等[29]使用芳綸納米纖維氣凝膠膜(OANF)和致密化的芳綸納米纖維氣凝膠膜(DANF)分別吸附聚異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)溶液和二十烷(C20),得到超柔性的OANF-PNIPAM 和DANF-C20 膜,由兩種膜組成的柔性熱二極管拉伸強(qiáng)度可達(dá)到7.2 MPa,最大熱整流比為2.0.

根據(jù)使用的材料數(shù)量,PCMTD 可分為單相變材料熱二極管(simple-phase change materials thermal diode,S-PCMTD)、雙相變材料熱二極管(dual-phase change materials thermal diode,DPCMTD)和多相變材料熱二極管(multi-phase change materials thermal diode,M-PCMTD).關(guān)于S-PCMTD,大多數(shù)研究添加另一種相不變材料或基于水的蒸發(fā)和冷凝進(jìn)行研究:Wong等[30]設(shè)計(jì)制備了一個(gè)簡(jiǎn)單的水蒸氣室熱二極管,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究,結(jié)果表明,提高熱側(cè)溫度可以顯著提高熱二極管的性能,當(dāng)水氣體積比為0.5 時(shí),最大熱整流比為1.43.為獲得PCMTD 兩部分之間的傳熱效果差異和更大的熱整流效果,D-PCMTD一直是最受關(guān)注的:Pallecchi等[27]闡述了熱二極管的原理和概念,設(shè)計(jì)并制備了由PNIPAM 相變材料和PDMS 材料組成的熱二極管,驗(yàn)證了概念的真實(shí)性,熱二極管的熱整流比可達(dá)2.目前對(duì)MPCMTD 的研究很少,Swoboda等[31]提出了一種多層熱二極管,它由多層固固相變材料和相不變材料組成,通過(guò)材料各部分的尺寸設(shè)計(jì),當(dāng)冷源和熱源分別為300 K 和500 K 時(shí),最大熱整流比可以達(dá)到2.36.

綜上可得,僅基于數(shù)值模擬的研究可得到較高的熱整流比預(yù)測(cè)結(jié)果,但缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其真實(shí)可行性;多種相變材料的使用可適當(dāng)提高熱二極管的熱整流比,但增加了額外的封裝和材料成本,且使PCMTD 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化.因此,有必要探索更簡(jiǎn)單通用的S-PCMTD 結(jié)構(gòu).本研究提出了一種基于材料相變過(guò)程中固、液和自然對(duì)流傳熱形式而設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單S-PCMTD 結(jié)構(gòu),僅采用CaCl2·6H2O 一種相變材料和碳化柚子皮多孔材料,通過(guò)單次封裝構(gòu)建了兩種相變后傳熱形式不同的部分,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明,本文提出并制備的S-PCMTD 在冷源溫度20—25 ℃范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)較好的熱整流,冷熱源溫度偏差為40 ℃時(shí),正反向分別沿逆重力和重力方向時(shí),整流比可達(dá)1.58.

2 S-PCMTD 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示,S-PCMTD 由相變材料(下端部分)和復(fù)合材料(上端部分)兩部分組成,相變前僅存在固態(tài)熱傳導(dǎo).加熱相變后復(fù)合材料內(nèi)受到孔隙限制的相變材料以液態(tài)形式傳熱,多孔碳材料始終以固態(tài)形式傳熱;相變材料區(qū)域相變?yōu)橐簯B(tài)后以自然對(duì)流形式傳熱,且隨著相變的區(qū)域擴(kuò)大,自然對(duì)流效果越強(qiáng).

圖1 相變前后的S-PCMTD 組成和傳熱形式Fig.1.S-PCMTD composition and heat transfer form before and after phase transition.

通常情況下,由于同一種材料固態(tài)導(dǎo)熱能力大于液態(tài)傳熱能力,且一定情況下自然對(duì)流態(tài)傳熱能力大于固態(tài)導(dǎo)熱能力,則可將模型重新劃分為傳熱系數(shù)和溫度成正反比的兩部分(分別對(duì)應(yīng)下端和上端).理想狀態(tài)下,若熱量由下至上傳遞,下端為自然對(duì)流形式傳熱,上端為固態(tài)形式導(dǎo)熱;熱量由上至下傳遞時(shí),則上端為液態(tài)形式傳熱,下端為固態(tài)形式導(dǎo)熱.因此由下至上傳遞的熱量將高于其相反方向,但隨著相變界面的移動(dòng),在已相變部分傳熱形式的影響下,S-PCMTD 的熱通量和熱整流比會(huì)持續(xù)變化,后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn).

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及分析測(cè)試儀器

六水氯化鈣(CaCl2·6H2O,98%),白色晶體,購(gòu)自上海畢臣生化科技有限公司;新鮮柚子購(gòu)買于超市,剝離果肉與最外層黃皮得到柚子皮;無(wú)水乙醇(≥99.7%)購(gòu)自成都市科隆化學(xué)品有限公司.DSC404 F3 差示掃描量熱儀 (精確度:溫度誤差±0.03%;靈敏度誤差±0.02%),Netzsch.Ltd;兩溫區(qū)管式電阻爐,洛陽(yáng)西格馬爐業(yè)股份有限公司;SCIENTZ-10N 冷凍干燥機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;DF-101S 集熱式恒溫(水浴)加熱磁力攪拌器,上海予申儀器有限公司;板式加熱器,上海精學(xué)科學(xué)儀器有限公司,使用前進(jìn)行溫度校準(zhǔn);低溫循環(huán)冷卻器,上海喬躍電子有限公司,使用前進(jìn)行溫度校準(zhǔn);YET-640L 測(cè)溫儀器(K 型熱電偶),精度±(0.3%|T|+0.4) ℃,江蘇興華蘇瑪電器儀表有限公司,多個(gè)熱電偶在每次測(cè)溫前進(jìn)行統(tǒng)一校準(zhǔn).

3.2 相變材料的選擇

針對(duì)室溫下的應(yīng)用場(chǎng)景,選擇相變溫度在30 ℃左右的CaCl2·6H2O,其相變機(jī)理[32]為材料溫度高于相變溫度后,部分水分子與金屬離子的離子鍵斷裂生成四水氯化鈣(CaCl2·4H2O),若溫度進(jìn)一步升高超過(guò)45 ℃(四水氯化鈣相變溫度),CaCl2·4H2O部分水分子會(huì)再次與離子鍵斷裂生成二水氯化鈣(CaCl2·2H2O),通常CaCl2·4H2O 和CaCl2·2H2O 均會(huì)溶解在析出的水中成為溶液;其結(jié)晶過(guò)程為水分子與金屬離子的離子鍵重新生成,若此時(shí)離子周圍水分子不足,其以CaCl2·4H2O 或CaCl2·2H2O 的形式結(jié)晶,但無(wú)法從形貌上分辨三者.其自然對(duì)流的機(jī)理為:由于重力的作用,CaCl2·4H2O 顆粒還未能完全溶于水時(shí)發(fā)生局部沉淀,顆粒的下落導(dǎo)致溫度高于相變溫度的水向上運(yùn)動(dòng)與上層材料接觸,從而傳遞熱量.此后沉淀的CaCl2·4H2O 進(jìn)一步吸熱相變析出水分直至完全溶于水形成溶液.

3.3 多孔材料的選擇與制備

由于環(huán)保、低碳、低成本、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),選用碳化柚子皮(carbonized pomelo peel,CPP)作為多孔材料[33].

制備過(guò)程:去除新鮮的柚子皮最表面的黃皮后,在純水中浸泡5 h,-45 ℃冷凍干燥2 d,之后放入管式電阻爐在N2氣氛中,900 ℃碳化1 h,得到CPP.

3.4 CPP/CaCl2·6H2O 復(fù)合材料的制備

用無(wú)水乙醇浸泡洗滌CPP 后,60 ℃完全干燥.向燒杯中加入過(guò)量的CaCl2·6H2O,在50 ℃的水浴中密封攪拌加熱,熔化后向燒杯中加入CPP,50 ℃、-0.05 MPa 真空環(huán)境下浸漬1 h,得到復(fù)合材料CPP/CaCl2·6H2O.

3.5 穩(wěn)態(tài)熱通量與傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)

穩(wěn)態(tài)熱通量與傳熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)由低溫循環(huán)冷卻器、板式加熱器、絕熱泡沫、不銹鋼塊、熱電偶和樣品組成,結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示.在測(cè)試過(guò)程中,除絕熱材料外的所有部件的接觸面保持平整,并用真空導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱系數(shù)6.0 W/(m·K))連接,以降低界面熱阻的影響,因此簡(jiǎn)化消去后續(xù)計(jì)算過(guò)程中的此項(xiàng).

圖2 (a) S-PCMTD 的示意圖;(b) 穩(wěn)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的組成Fig.2.(a) Schematic diagram of S-PCMTD;(b) composition of the steady-state measurement system.

測(cè)試要求將樣品制成橫截面為50 mm ×50 mm 的長(zhǎng)方體.經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后,將8 個(gè)熱電偶插入不銹鋼塊的T1—T8 位置,每?jī)蓚€(gè)相鄰熱電偶之間的距離為10 mm.測(cè)量開始前連接各部分,設(shè)置加熱器和冷卻器的溫度,開始后觀察每個(gè)熱電偶數(shù)據(jù)的變化,直至在一定溫度附近波動(dòng)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),記錄此時(shí)每個(gè)熱電偶的平均溫度,得到T1—T4和T5—T8 每?jī)蓚€(gè)溫度點(diǎn)之間的溫度梯度并求平均值以減小誤差,然后代入(2)式計(jì)算樣品和測(cè)試裝置的總熱通量,不銹鋼塊的導(dǎo)熱系數(shù)為16.3 W/(m·K)(＜100 ℃,數(shù)據(jù)來(lái)自制造商).后文中測(cè)量誤差的獲得方式為:根據(jù)一次性間接測(cè)量的誤差計(jì)算公式針對(duì)每個(gè)工況分別代入(2)式中包含的各項(xiàng)誤差得出不同的誤差范圍,誤差來(lái)源有3 個(gè),包括溫度測(cè)量誤差(±(0.3%|T|+0.4) ℃),每?jī)蓚€(gè)相鄰測(cè)溫點(diǎn)之間的距離誤差(±1 mm),不銹鋼塊的熱導(dǎo)率的誤差(根據(jù)廠家數(shù)據(jù)可知0—100 ℃其變化很小,故忽略此項(xiàng)).

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性,選取CaCl2·6H2O 和PEG4000 作為樣品,測(cè)量并計(jì)算兩個(gè)固態(tài)樣品穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱通量,測(cè)量樣品厚度和兩端溫差,基于(2)式計(jì)算兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù),過(guò)程中測(cè)得的相關(guān)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表1 所示,根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出的各個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)與文獻(xiàn)記載值相近,具有較好的可信度.

表1 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果Table 1.Results of the measurement system.

3.6 S-PCMTD 的制備

S-PCMTD 由聚氯乙烯(PVC)方管(邊長(zhǎng)50 mm,壁 厚2 mm)和兩塊 紫銅薄方板(邊 長(zhǎng)50 mm,厚0.5 mm)通過(guò)防水密封膠粘合封裝而成,如 圖2(a).CPP/CaCl2·6H2O 和CaCl2·6H2O依次填充使其自由接觸,消除兩者的界面熱阻.

首先確定CaCl2·6H2O 部分的高度為40 mm,此高度允許自然對(duì)流發(fā)生[15].利用所搭建的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 相變前后的導(dǎo)熱系數(shù),如表2 所示.對(duì)流態(tài)CaCl2·6H2O的導(dǎo)熱系數(shù)是熱源為60 ℃,冷源為30 ℃時(shí)測(cè)得的等效導(dǎo)熱系數(shù),即對(duì)流作用下的最大等效導(dǎo)熱系數(shù),此時(shí)剛好40 mm 高的CaCl2·6H2O 全部熔化發(fā)生自然對(duì)流.

表2 CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的熱物理性質(zhì)Table 2.Thermophysical properties of CaCl2·6H2O and CPP/CaCl2·6H2O.

對(duì)于CPP/CaCl2·6H2O 部分的高度,存在理想的高度比公式[35]:

式中,κA1,κA2,κB1,κB2分別對(duì)應(yīng)于表3 中的0.74,1.10,1.02,0.61 W/(m·K).≈1.14,則CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 部分的 最終高度分別為40 mm 和35 mm.在此理想高度比下,有一個(gè)最大熱整流比預(yù)測(cè)公式[35]:

表3 CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的相變相關(guān)溫度點(diǎn)Table 3.Temperature points related to phase transitions of CaCl2·6H2O and CPP/CaCl2·6H2O.

計(jì)算得γ=Qmax≈1.6.

考慮到材料熔化和結(jié)晶引起的熱膨脹和收縮,CaCl2·6H2O 以液態(tài)形式填充,在其凝固過(guò)程中熱二極管沿垂直重力方向放置,以確保結(jié)晶產(chǎn)生的真空間隙不會(huì)影響熱量通過(guò)CaCl2·6H2O 和CPP/CaCl2·6H2O 的連續(xù)傳遞.

4 結(jié)果和討論

4.1 CPP/CaCl2·6H2O 的泄漏測(cè)試

能實(shí)現(xiàn)形狀穩(wěn)定無(wú)泄漏的多孔材料是理想的相變材料載體.將塊狀CPP/CaCl2·6H2O 放置在濾紙上進(jìn)行泄漏測(cè)試,負(fù)載前后CPP 與復(fù)合材料分別重0.072 g 與0.882 g(圖3(a)),60 ℃加熱20 min后如圖3(b)所示,復(fù)合材料僅表面濕潤(rùn),并無(wú)明顯泄漏,加熱后將樣品迅速轉(zhuǎn)移到冷藏室中-20 ℃冷凍20 min,使復(fù)合材料凝固后再進(jìn)行加熱,至此完成一次熱循環(huán).圖3(c)所示為10 次熱循環(huán)后,CaCl2·6H2O 僅有少量泄漏,此時(shí)復(fù)合材料重量為0.828 g,僅下降了6%,原因?yàn)閺?fù)合材料表面的CaCl2·6H2O 無(wú)機(jī)鹽易吸收空氣中的水分,少部分CaCl2·6H2O 隨水溶液泄漏.結(jié)果證明所制備的CPP/CaCl2·6H2O 具有良好的防泄漏性.

圖3 CPP/CaCl2·6H2O 的泄漏測(cè)試圖像 (a) 加熱前;(b) 加熱后;(c) 10 個(gè)熱循環(huán)后Fig.3.Leakage test image of CPP/CaCl2·6H2O:(a) Before heating;(b) after heating;(c) after 10 cycles.

4.2 CaCl2·6H2O 與CPP/CaCl2·6H2O 的相變熱物性

DSC 吸熱測(cè)試結(jié)果見圖4,相關(guān)溫度點(diǎn)見表3.二者初始相變溫度在25 ℃左右,CPP/CaCl2·6H2O初始相變溫度較低的原因可能是CPP 孔隙的限制會(huì)抑制部分六水氯化鈣的完全結(jié)晶,從而在較小程度上降低熔化溫度.圖4(a),(b)中第1 個(gè)峰值溫度在30 ℃左右,是CaCl2·6H2O 的吸熱焓峰,隨著溫度的不斷升高,失去水分子的CaCl2·6H2O 變成CaCl2·4H2O,其相變和峰值溫度在45 ℃附近[32],對(duì)應(yīng)第2 個(gè)峰.

圖4 (a) CaCl2·6H2O和(b) CPP/CaCl2·6H2O 的DSC 曲線Fig.4.DSC curves of (a) CaCl2·6H2O and (b) CPP/CaCl2·6H2O.

4.3 S-PCMTD 熱整流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

據(jù)了解,夏季室外建筑表面溫度高達(dá)50—70 ℃,則將熱源溫度保持為60 ℃,以模擬暴露在太陽(yáng)輻射下的高溫表面,冷源溫度在0—30 ℃之間變化(小于等于相變溫度),尋找最佳熱整流效果對(duì)應(yīng)的冷源溫度區(qū)間.

CaCl2·6H2O 相變材料與CPP/CaCl2·6H2O 復(fù)合材料的初始相變溫度差為1.2 ℃,相對(duì)于整個(gè)相變溫度區(qū)間較小,討論S-PCMTD 中相變界面的移動(dòng)時(shí),為簡(jiǎn)化分析過(guò)程,提出以下假設(shè):1)相變材料與復(fù)合材料的相變溫度相同;2)將固液共存的相變發(fā)生區(qū)域簡(jiǎn)化為更薄的相變界面;3)同一材料各部分在相同相態(tài)下的傳熱效果和熱物理性能是均勻且相同的.

S-PCMTD 的工作原理和熱整流效果受其傳熱方向的影響,則從以下3 種情況探討溫差對(duì)其正反方向熱通量與熱整流比的影響.

4.3.1 逆重力方向和重力方向

逆重力方向(正向)和重力方向(反向)通過(guò)交換冷熱源位置實(shí)現(xiàn).圖5 顯示了在正反向模式下冷源溫度變化時(shí)S-PCMTD 相變過(guò)程和傳熱模型.正向模式下隨著相變界面的運(yùn)動(dòng),CaCl2·6H2O 熔化后發(fā)生自然對(duì)流,并以對(duì)流傳熱的形式沿逆重力方向傳遞熱量,存在某個(gè)臨界狀態(tài)如圖5 狀態(tài)②所示,即下端所有液態(tài)CaCl2·6H2O 均參與自然對(duì)流,此后上端復(fù)合相變材料逐漸相變并由固態(tài)導(dǎo)熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蟼鳠?在反向模式下,復(fù)合材料先相變,由于自然對(duì)流由重力驅(qū)動(dòng)的機(jī)理,因此復(fù)合材料內(nèi)相變后的CaCl2·6H2O 只能以液態(tài)傳遞熱量.

圖5 S-PCMTD 在逆重力方向(正向)和重力方向(反向)的相變和傳熱模型Fig.5.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (forward) and towards gravity direction (reverse).

如圖6 所示,S-PCMTD 的正反向熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,結(jié)合圖5 可知正向模式中,由于自然對(duì)流作用,S-PCMTD 的熱通量更大,當(dāng)冷源溫度高于20 ℃后正向熱通量曲線斜率降低,根據(jù)(2)式可知曲線斜率與熱二極管等效導(dǎo)熱系數(shù)成正比,所以基于Meng等[26]的研究推測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)下降的原因可能為臨界狀態(tài)②之后復(fù)合材料相變帶來(lái)的低熱導(dǎo)率,增加了熱二極管熱通量隨溫度變化的下降幅度;在反向模式下,由于復(fù)合材料和相變后的CaCl2·6H2O 的低導(dǎo)熱系數(shù),且無(wú)自然對(duì)流,熱通量始終低于正向熱通量.S-PCMTD正反向熱整流比隨冷源溫度上升逐漸增加,20 ℃時(shí)達(dá)到最大值1.58,與前人預(yù)測(cè)公式結(jié)果γ=Qmax≈1.6 相接近,25 ℃時(shí)降為1.56,然后迅速降低.

圖6 S-PCMTD 在逆重力方向(正向)和重力方向(反向)的熱通量和熱整流比Fig.6.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (forward) and towards gravity direction (reverse).

4.3.2 逆重力方向

正反向通過(guò)反轉(zhuǎn)S-PCMTD 實(shí)現(xiàn).正向模式下的過(guò)程與圖5 中相同;反向模式下,相變界面從復(fù)合材料移動(dòng)至另一端,最后上部CaCl2·6H2O 逐漸熔化，如圖7 所示.

圖7 S-PCMTD 在逆重力方向(反向)的相變和傳熱模型Fig.7.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the inverse of gravity direction (reverse).

如圖8 所示,S-PCMTD 正向熱通量的變化已在4.3.1 節(jié)中描述和分析;反向模式下,復(fù)合材料相變后的導(dǎo)熱系數(shù)較低,導(dǎo)致了與正向熱通量的差異,至⑨狀態(tài)時(shí)CaCl2·6H2O 的熔化部分較少,不能產(chǎn)生較為明顯的自然對(duì)流,僅以液態(tài)熱傳導(dǎo)的形式傳遞熱量.熱通量隨冷熱源溫差的減小而降低,曲線斜率無(wú)變化.S-PCMTD 熱整流比隨溫度升高而逐漸增加,在20 ℃時(shí)達(dá)到最大值1.36.

圖8 S-PCMTD 在逆重力方向的熱通量和熱整流比Fig.8.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the inverse of gravity direction.

與圖6 中的反向熱通量相比,逆重力方向的反向熱通量整體更高,原因可能是復(fù)合材料中的多孔碳骨架熱擴(kuò)散系數(shù)較高,熱量沿骨架向上傳遞,導(dǎo)致上端部分CaCl2·6H2O 相變發(fā)生小區(qū)域自然對(duì)流,但僅限于小幅度提高反向的熱通量,且始終低于正向熱通量.

4.3.3 垂直重力方向

S-PCMTD 在垂直重力方向上的正反向相變過(guò)程如圖9 所示.自然對(duì)流增強(qiáng)了傳熱并逐漸擴(kuò)大了相變區(qū)域,與上述情況不同,此時(shí)PCM 端相變界面變成不規(guī)則的表面[36],導(dǎo)致熱二極管橫截面上各處熱通量不均勻,此時(shí)測(cè)得的熱通量為截面上的平均熱通量.

圖9 S-PCMTD 在垂直重力方向的相變與傳熱模型Fig.9.Phase transition and heat transfer model of S-PCMTD in the vertical gravity direction.

如圖10 所示,在自然對(duì)流的影響下S-PCMTD的正向熱通量始終高于反向熱通量;在反向模式下,相變后的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低,熱通量隨著溫差的減小而進(jìn)一步降低,當(dāng)冷源溫度超過(guò)25 ℃時(shí),反向熱通量曲線斜率增大,推測(cè)原因?yàn)樽髠?cè)部分相變后開始發(fā)生小面積對(duì)流,如圖9 狀態(tài)⑥所示,小幅增強(qiáng)了S-PCMTD 的傳熱效果.此傳熱方向下S-PCMTD 熱整流比始終很小,最大值僅為1.14,因?yàn)榕c前兩種情況相比,垂直重力方向橫截面的自然對(duì)流不均勻,其對(duì)流強(qiáng)度和效果均較小.

圖10 S-PCMTD 在垂直重力方向的熱通量和熱整流比Fig.10.Heat flux and thermal rectification ratio of S-PCMTD in the vertical gravity direction.

5 結(jié)論

本文基于材料相變過(guò)程中物理狀態(tài)引起的傳熱形式變化,提出一種包含多孔碳材料的單相變材料熱二極管結(jié)構(gòu),依靠溫度驅(qū)動(dòng)材料相變實(shí)現(xiàn)被動(dòng)熱整流,無(wú)需額外能耗,在不同傳熱方向上分別借助自然對(duì)流傳熱與液態(tài)傳熱提高與降低熱二極管的熱通量.與其他研究相比,本文設(shè)計(jì)的相變熱二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,并對(duì)其他固液相變材料具有通用性,制備了相應(yīng)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),探究得到傳熱方向和冷熱源溫差對(duì)其熱整流效果的影響規(guī)律,對(duì)不同工況下S-PCMTD 的相變過(guò)程進(jìn)行了假設(shè)傳熱模型分析;設(shè)計(jì)并搭建了穩(wěn)態(tài)熱通量測(cè)試系統(tǒng)用于本文的實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)值相近,具有較高的可信度.結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)制備的S-PCMTD 正反向熱通量均隨冷熱源溫差減小而降低,最佳熱整流方向?yàn)檎蜓啬嬷亓Ψ较?、反向沿重力方?在冷源溫度為20 ℃時(shí),最高熱整流比可達(dá)1.58,驗(yàn)證了前人提出的經(jīng)驗(yàn)公式,可在室溫附近保持較好的熱整流效果,后續(xù)工作可通過(guò)更換相變材料、進(jìn)一步提升自然對(duì)流效果或優(yōu)化結(jié)構(gòu)得到熱整流效果更好的相變熱二極管裝置.本研究進(jìn)一步證實(shí)了相變材料除儲(chǔ)熱外還具有被動(dòng)熱管理和熱控制的潛力,所研究的S-PCMTD 可作為建筑控溫材料層單元進(jìn)行應(yīng)用,為節(jié)能環(huán)保的雙碳目標(biāo)做出了新的思路貢獻(xiàn).