空心鋁合金結(jié)構(gòu)填充相變材料的換熱特性

張嘉杰，屈治國(guó)，馬素霞，楊艷霞

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空心鋁合金結(jié)構(gòu)填充相變材料的換熱特性

張嘉杰1，屈治國(guó)2，馬素霞1，楊艷霞1

（1太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030024；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安 710049）

實(shí)驗(yàn)研究了空心鋁合金結(jié)構(gòu)承載件內(nèi)部填充相變材料的非穩(wěn)態(tài)換熱特征，通過(guò)測(cè)試試件加熱面與背熱面的溫度響應(yīng)分析了孔隙率、孔徑等因素對(duì)換熱過(guò)程的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：填充石蠟試件的換熱過(guò)程可劃分為熔化前顯熱區(qū)間、熔化區(qū)間、熔化后顯熱區(qū)間3個(gè)階段；熔化區(qū)間的潛熱吸收使得試件填充石蠟時(shí)的溫控時(shí)間可達(dá)到不填充石蠟時(shí)的2.5倍；試件孔隙率越大或孔徑越大，則其加熱面與背熱面的溫差越大，熔化時(shí)間越長(zhǎng)。

相變；傳熱；瞬態(tài)響應(yīng)；空心鋁合金結(jié)構(gòu)；相變材料；孔隙率

引 言

固液相變材料在熔化過(guò)程中可以吸收大量的熱量，同時(shí)溫度僅在很窄的相變溫度范圍內(nèi)變化，這一特征使其在熱控制方面有很好的應(yīng)用價(jià)值[1-7]。Rossi等[8]將相變材料應(yīng)用于消防員的熱防護(hù)服，結(jié)果表明利用相變材料熔化過(guò)程的潛熱吸收可以減慢防護(hù)服內(nèi)層溫度的升高速度，使防護(hù)服可以更長(zhǎng)時(shí)間地承受高溫環(huán)境。Alawadhi[9]對(duì)相變材料橫向填充于建筑用磚塊內(nèi)的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，計(jì)算結(jié)果表明，采用相變材料填充磚體可以減少進(jìn)入墻內(nèi)側(cè)熱量，當(dāng)相變材料通道位于墻體中心時(shí)效果最明顯，熱量減少可達(dá)17.55%。Ho等[10]數(shù)值研究了將石蠟與空氣組合填充于垂直方腔內(nèi)的換熱特性，研究顯示，相變材料層內(nèi)相變潛熱的吸收可以明顯減緩方腔體內(nèi)的熱量滲透，且有效溫控時(shí)間隨著方腔體內(nèi)相變材料層與空氣層的厚度比的增大而增大。Mathieu-Potvin等[11]采用一維模型對(duì)含相變材料層墻體的隔熱性能進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了相變材料層在墻體內(nèi)的位置及其熔點(diǎn)溫度對(duì)隔熱性能的影響，并采用遺傳算法對(duì)相變材料復(fù)合墻體的最優(yōu)組合方式進(jìn)行了研究。Yendler等[12]針對(duì)飛行器頭部在進(jìn)入大氣層時(shí)所承受的高熱流環(huán)境設(shè)計(jì)了兩種含相變材料熱防護(hù)體系，利用兩層相變材料及循環(huán)熱管的組合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)艙體內(nèi)部溫度的控制。

在實(shí)際工程中，某些工業(yè)結(jié)構(gòu)部件需要同時(shí)具備承載與溫控的功能，例如飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)承載件（如機(jī)翼舵軸）[13-18]，軌道衛(wèi)星溫控部件中的熱開關(guān)[19-24]，航母上的艦載燃?xì)馄靼錥25-30]等。針對(duì)這一潛在應(yīng)用需求，結(jié)合相變材料的溫控特性，本文制備了一類空心鋁合金結(jié)構(gòu)承載件，在其空心處填充相變材料以實(shí)現(xiàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)的溫度控制。研究搭建了相變換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)空心試件填充相變材料在恒熱流條件下的溫度響應(yīng)特征進(jìn)行測(cè)試，分析了試件結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)其換熱的影響規(guī)律，研究結(jié)果以期為工業(yè)應(yīng)用中兼具溫控功能的結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)試件

圖1所示為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所制備的空心鋁合金結(jié)構(gòu)承載件，試件共分為6組，外形尺寸均為50 mm×50 mm×100 mm。試件基體材質(zhì)為6061鋁合金，其內(nèi)部孔洞采用相應(yīng)直徑的鉆頭加工而成，所有孔洞均為盲孔，深度為45 mm。其中0#試件作為對(duì)照組，未進(jìn)行開孔。各試件的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括孔隙率和孔徑兩個(gè)參數(shù)，如表1所示。其中孔隙率是指孔洞體積占鋁合金基體體積的百分?jǐn)?shù)，孔徑則是孔洞的截面直徑。

表1 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用石蠟作為相變材料，將其填充在空心鋁合金結(jié)構(gòu)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的溫度控制。石蠟的物性由TA-Q200型差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)定，測(cè)試結(jié)果顯示該石蠟的熔點(diǎn)為48.3～57.8℃，相變潛熱為141.2 kJ·kg-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

研究測(cè)試了空心鋁合金結(jié)構(gòu)填充石蠟在恒熱流條件下的換熱特性，圖2（a）所示為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。填充有石蠟的試件放置于一個(gè)開口有機(jī)玻璃方腔內(nèi)，試件底部采用特氟龍電熱膜進(jìn)行加熱，四周則覆以40 mm厚的聚氨酯泡沫板進(jìn)行絕熱。為了避免石蠟受熱熔化后從試件開孔側(cè)泄漏，在試件孔洞開口一側(cè)放置一塊厚度為2 mm的橡膠墊，同時(shí)在方腔兩側(cè)各放置一塊有機(jī)玻璃板并通過(guò)螺栓進(jìn)行加壓密封。溫度測(cè)量采用T型熱電偶（歐米伽，精度0.1℃），試件的加熱面與背熱面分別選取5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)布置如圖2（b）所示。由于所采用電熱膜厚度僅為0.04 mm，其正面與背面的溫度幾乎一致，因此加熱面的熱電偶布置于電熱膜的反面（電熱膜正面粘貼于試件底面），而背熱面的熱電偶則直接粘貼于試件頂面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以5個(gè)點(diǎn)的平均溫度作為該表面的溫度。此外，在絕熱材料外側(cè)布置一根熱電偶測(cè)量其壁溫，便于計(jì)算散熱損失；在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)周圍布置一根熱電偶用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)熱電膜的加熱功率取為=4000 W·m-2，通過(guò)線性電源（威杰電子WJT-15005D，精度1.01%）來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各試件初始溫度均為（30±0.5）℃，室內(nèi)環(huán)境溫度則通過(guò)空調(diào)控制為（30±1）℃。試件加熱面與背熱面的溫度數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集器（吉時(shí)利-2700，精度0.1℃）進(jìn)行記錄，每隔120 s采集一次。此外，為保證各試件所填充的相變材料完全熔化，各組實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間均設(shè)定為6000 s。

1.3 誤差分析

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的參數(shù)為溫度，其主要誤差來(lái)源包括4個(gè)方面：線性電源的輸出功率誤差，T型熱電偶的測(cè)量誤差D1=±0.1℃，數(shù)采系統(tǒng)的誤差D2=±0.1℃，絕熱材料的最大散熱損失DF=0.622W（采用傅里葉導(dǎo)熱定律估算得到）。將以上各誤差代入誤差傳遞公式[式（1）]，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的溫度測(cè)量誤差為6.32%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 換熱特性

圖3（a）所示為3#試件填充石蠟與填充空氣時(shí)加熱面與背熱面的溫度變化曲線，同時(shí)，0#試件作為對(duì)照組也列于圖中。由圖可知，對(duì)于未開孔的0#試件，其加熱面與背熱面溫度隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是由于該工況下熱量在試件內(nèi)以導(dǎo)熱形式進(jìn)行傳遞。而對(duì)于3#試件填充空氣工況，其溫度變化趨勢(shì)與0#試件相近似，但溫度升高速度更快。這是因?yàn)椋鄬?duì)于未開孔的0#試件，3#試件開孔內(nèi)空氣的存在使得其整體顯熱容更小，因此在相同的加熱方式下，其溫度升高得相對(duì)更快。相比較而言，當(dāng)3#試件填充石蠟時(shí)，其溫度變化趨勢(shì)可劃分為3個(gè)階段：熔化前顯熱區(qū)間（<1200 s）、熔化區(qū)間（1200 s≤≤4300 s）、熔化后顯熱區(qū)間（>4300 s）。在熔化前顯熱區(qū)間，由于電加熱膜所產(chǎn)生的熱量被試件以顯熱的形式所完全吸收，因此其加熱面與背熱面溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)快速升高。當(dāng)加熱面溫度超過(guò)相變材料的固相溫度48.3℃時(shí)，試件孔洞內(nèi)的相變材料開始熔化，試件換熱進(jìn)入熔化區(qū)間，此時(shí)進(jìn)入試件的熱量部分被相變材料的潛熱所吸收，使得加熱面與背熱面的溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。當(dāng)背熱面溫度超過(guò)相變材料的液相溫度57.8℃時(shí)，意味著試件內(nèi)的相變材料完全熔化，此后加熱膜所產(chǎn)生的熱量完全被試件的顯熱所吸收，因此其加熱面與背熱面溫度升高再次加快。注意到，如果將該裝置用于溫控應(yīng)用，以相變材料的液相溫度57.8℃作為溫度控制目標(biāo)，則填充石蠟時(shí)試件加熱面與背熱面的溫控時(shí)間分別為2500 s與4300 s，大約是不填充石蠟時(shí)（1000 s與1600 s）的2.5倍，因此石蠟的填充可以起到良好的溫控延時(shí)效果。

圖3（b）所示為加熱面與背熱面的溫差變化曲線。由圖可知，未開孔0#試件與3#試件填充空氣的溫差均隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。由于熱量在空氣內(nèi)的傳遞明顯弱于在鋁合金內(nèi)，使得3#試件填充空氣時(shí)的溫差明顯大于未開孔0#試件，在加熱臨近結(jié)束時(shí)，0#試件的溫差穩(wěn)定在7.4℃，3#試件填充空氣的溫差穩(wěn)定在9.4℃附近。而當(dāng)3#試件填充石蠟時(shí)，試件溫差在初期逐漸增大，但當(dāng)進(jìn)入熔化區(qū)域后（≥1200 s），試件溫差有輕微的下降趨勢(shì)，這是由于隨著孔洞內(nèi)石蠟的逐漸熔化，其液相自然對(duì)流作用逐漸顯現(xiàn)，因此試件內(nèi)的熱量傳遞得到強(qiáng)化，進(jìn)而其兩面的溫差出現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)。但是，在熔化區(qū)間后期，隨著靠近加熱面的孔洞內(nèi)的石蠟率先熔化完全，使得加熱面溫度開始快速升高[圖3（a）]，因而溫差又開始逐步增加，當(dāng)試件內(nèi)的相變材料完全熔化時(shí)（4300 s），溫差達(dá)到最大值8.5℃。此后，進(jìn)入試件的熱量完全以顯熱形式存在，試件背熱面溫度增長(zhǎng)速度也加快，因此，試件溫差又逐漸減小，加熱結(jié)束時(shí)其溫差穩(wěn)定在8.3℃附近。

2.2 孔隙率的影響

圖4為試件孔徑一定時(shí)（=10 mm），不同孔隙率下表面溫度及溫差隨時(shí)間的變化曲線。從圖4（a）中可看出，孔隙率越大，則試件的熔化持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，=0.264，0.301，0.352的試件熔化完成時(shí)間（背熱面溫度超過(guò)57.8℃的時(shí)刻）分別為3750、4100、4300 s。這也導(dǎo)致孔隙率小的試件，其熔化完成后溫度增長(zhǎng)加速的時(shí)間點(diǎn)更早，因此當(dāng)所有試件的相變材料熔化完全后（>4300 s），在給定時(shí)刻，孔隙率越小的試件其加熱面與背熱面溫度均越高。

由圖4（b）可知，孔隙率越大的試件，其在給定時(shí)刻的溫差越大，這是由于石蠟的熱擴(kuò)散率（=8.9×10-8 m2·s-1）遠(yuǎn)小于鋁合金（=5.7×10-5 m2·s-1），因此孔隙率越大則試件的當(dāng)量熱擴(kuò)散率越小，加熱面與背熱面的溫差也越大。以各試件熔化完成時(shí)的溫差峰值為例，=0.264, 0.301, 0.352試件的溫差分別為7.9、8.3、8.5℃。此外，相較于=0.301與=0.352的試件，=0.264試件的溫差在熔化初始階段并未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可以歸結(jié)為其孔隙率過(guò)小，故而使得試件孔洞內(nèi)已熔化相變材料的液相自然對(duì)流現(xiàn)象并不明顯。

2.3 孔徑的影響

圖5為孔隙率一定時(shí)（=0.264），不同孔徑試件的表面溫度及溫差隨時(shí)間的變化曲線。由圖5（a）可知，當(dāng)各試件的背熱面溫度未超過(guò)石蠟的固相溫度時(shí)，也即<1800 s，各試件的表面溫度變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)1800 s≤≤38000 s，孔徑越大的試件其加熱面與背熱面溫度越高；而當(dāng)>3800 s時(shí)，孔徑越大的試件其加熱面與背熱面溫度反而越低。這是由于，孔隙率相同意味著各試件內(nèi)部填充的相變材料含量相同，因此在相變材料完全開始熔化之前（<1800 s），各試件內(nèi)的顯熱傳遞速率相等，故而溫度變化曲線相一致；而孔隙率一定時(shí)，試件的孔徑越大，則其孔數(shù)目越少（圖1），這就使得試件內(nèi)鋁合金結(jié)構(gòu)與石蠟的接觸面積越小，因此其相變潛熱吸收速度越慢，故而在熔化階段（1800 s≤≤38000 s）試件的溫度越高；但是其潛熱吸收越慢也意味著相變材料的熔化持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，因此在熔化完成后（>3800 s）的給定時(shí)刻試件的溫度也越低。圖5（b）顯示，試件孔徑越大則其溫差也越大。這是由于石蠟的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于鋁合金，這樣當(dāng)孔隙率一定時(shí)，孔徑越大意味著試件的傳熱熱阻越大，因此試件兩端面的溫差越大。

2.4 加熱方向的影響

圖6為加熱方向不同時(shí)3#試件的溫度與溫差變化曲線。其中，原測(cè)試加熱方向?yàn)榈撞考訜醄圖2（a）]，而頂部加熱是通過(guò)將原加熱裝置上下倒置所實(shí)現(xiàn)。圖6（a）顯示不同加熱方向?qū)υ嚰訜崦媾c背熱面的溫度變化曲線影響并不明顯。由圖6（b）可以看出，在加熱初期（<2000 s），兩種加熱方式下試件的溫差曲線近乎一致，這是因?yàn)榇穗A段試件內(nèi)的傳熱以導(dǎo)熱為主。而當(dāng)加熱進(jìn)行到2000 s時(shí)，二者的溫差曲線開始分叉，從圖6（a）也注意到這一時(shí)刻正是試件背熱面溫度超過(guò)相變材料固相溫度48.3℃的時(shí)刻，意味著試件各孔洞內(nèi)的相變材料全部開始熔化。這樣，在頂部加熱方式下，由于試件孔洞內(nèi)石蠟熔化后的液相自然對(duì)流現(xiàn)象被抑制，其傳熱過(guò)程被削弱，因此加熱面與背熱面的溫差相較于底部加熱時(shí)更大。

2.5 加熱功率的影響

圖7為不同加熱功率時(shí)3#試件的溫度與溫差變化曲線，為避免熱電膜超溫（100℃），=5000 W·m-2與3000 W·m-2時(shí)的實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為4380 s與8700 s。由圖7（a）可知，加熱功率越大，則試件加熱面與背熱面的溫度升高越快，同時(shí)由于潛熱吸收速率加快，使得試件的熔化完成時(shí)間越短。3#試件在=3000，4000，5000 W·m-2時(shí)的熔化完成時(shí)間分別為3200、4300、 6100 s。圖7（b）則顯示，加熱功率越大也導(dǎo)致試件加熱面與背熱面的溫差越大。以加熱末期溫差穩(wěn)定后的值為例，3#試件在=3000，4000，5000 W·m-2下的溫差分別穩(wěn)定在6.3、8.3、10.2℃。此外，加熱功率越大時(shí)，試件孔洞內(nèi)石蠟熔化后的液相自然對(duì)流越強(qiáng)烈，因此其在熔化初期的溫差降低趨勢(shì)也越明顯。

3 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)研究了空心鋁合金結(jié)構(gòu)承載件填充石蠟在恒定熱流條件下的相變換熱特性，分析了孔隙率、孔徑、加熱方向等因素對(duì)試件非穩(wěn)態(tài)溫度響應(yīng)的影響規(guī)律。所得主要結(jié)論如下。

（1）空心鋁合金結(jié)構(gòu)填充石蠟的換熱特征可劃分為3個(gè)階段：熔化前顯熱區(qū)間、熔化區(qū)間、熔化后顯熱區(qū)間；熔化區(qū)間的潛熱吸收減緩了試件加熱面與背熱面的溫升速度；填充石蠟時(shí)的溫控時(shí)間可達(dá)到不填充石蠟的2.5倍。

（2）孔徑一定時(shí)，孔隙率越大，試件加熱面與背熱面的溫差越大，熔化時(shí)間越長(zhǎng)；孔隙率一定時(shí)，孔徑越大，試件溫度在熔化過(guò)程中越高而在熔化完成后越低，試件的溫差越大，熔化時(shí)間越長(zhǎng)。

（3）相對(duì)于底部加熱，頂部加熱方式削弱了試件內(nèi)液態(tài)相變材料的自然對(duì)流，試件加熱面與背熱面的溫差變大；加熱功率越大，則試件兩側(cè)的溫差在相變過(guò)程中因自然對(duì)流作用而下降的趨勢(shì)越明顯。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a——熱擴(kuò)散率，m2·s-1 d——孔徑，mm q——熱通量，W·m-2 T——溫度，℃ Tb——背熱面溫度，℃ Th——加熱面溫度，℃ DT——加熱面與背熱面的溫差DT=Th-Tb，℃ t——加熱時(shí)間，s UT——不確定度 e——孔隙率

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Heat transfer performance of hollow aluminium structure filled with PCM

ZHANG Jiajie1, QU Zhiguo2, MA Suxia1, YANG Yanxia1

(1College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

The transient thermal performances of hollow aluminium structure filled with PCM (phase change material) are experimentally studied. The effects of related parameters with porosity and hole diameter are discussed. Results show that the heat transfer process can be divided into three stages, including the sensible heat region before melting, the melting region, and the sensible heat region after melting. The temperature control time for sample with PCM is 2.5 times than that without PCM due to the absorption of latent heat in the melting region. The sample with higher porosity or higher hole diameter behaves the larger temperature difference between heated and back surfaces, and also the longer melting duration time.

phase change; heat transfer; transient response; hollow aluminium structure; PCM; porosity

10.11949/j.issn.0438-1157.20161417

TK 124

A

0438—1157（2017）05—1845—07

張嘉杰（1988—），男，博士，講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51506139）。

2016-10-08收到初稿，2016-12-05收到修改稿。

2016-10-08.

ZHANG Jiajie, zhangjiajie@tyut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51506139).