通孔金屬泡沫強化蓄冰實驗研究

白青松, 郭增旭, 劉亦琳, 楊肖虎, 金立文

(西安交通大學人居環境與建筑工程學院, 710049, 西安)

通孔金屬泡沫強化蓄冰實驗研究

白青松, 郭增旭, 劉亦琳, 楊肖虎, 金立文

(西安交通大學人居環境與建筑工程學院, 710049, 西安)

為了研究通孔金屬泡沫內嵌相變材料凝固過程特性及泡沫材料孔結構參數對凝固過程的影響,搭建了固液相變傳熱可視化測量系統,利用該系統就通孔銅泡沫強化蓄冰過程開展了實驗研究。實時觀測了凝固相界面的瞬態移動過程,測量了金屬骨架表面和內嵌相變介質的實時溫度,研究結果表明:銅泡沫可有效改善蓄冰后期傳熱惡化現象,大幅減少蓄冰時間,加入銅泡沫后,結冰所需時間與純水工況相比減少為48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)和60.97%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.97);銅泡沫的孔隙率對結冰過程影響較大,孔隙率為0.90的銅泡沫比孔隙率為0.97的銅泡沫中水完全凝固時間減少20%,而孔密度對結冰過程影響可忽略不計。可視化結果表明,未凝固相局部自然對流導致凝固相界面發生傾斜,呈現下部略快于上部的凝固界面。

相變傳熱;金屬泡沫;凝固;實驗研究

冰蓄冷空調是近些年來發展起來的一種新型空調,可利用峰谷電價夜晚蓄冰,白天融冰供冷,實現谷電峰用,從而降低空調系統運行成本并能平衡電網負荷[1]。在冰蓄冷空調中,蓄冰過程直接影響著整個空調系統的供冷效率,然而由于相變材料(如石蠟、水等)導熱系數普遍較低,相變蓄冷效率低下,儲能和釋能周期長,限制了相變蓄冷技術的廣泛應用[2-5]。因此,對蓄冰過程進行研究,尋找提高蓄冰效率的方法顯得尤為重要。

通孔金屬泡沫是近幾十年發展起來的一種新型輕質材料,具有密度小、孔隙率高、比表面積大、骨架導熱率高等特性[6-7],前期研究表明,通孔金屬泡沫在電子元器件熱管理、燃料電池和緊湊型熱交換器等領域中有著廣闊的應用前景[6-8]。豐富的比表面積和內部相互貫通的孔隙結構可使得相變材料內嵌,形成相變材料-金屬泡沫復合結構,以強化固液相變傳熱。

蔣玉龍等對填充泡沫材料的冰蓄冷板內的融冰過程建立了相變傳熱數學模型,并考慮了自然對流的影響,分別通過模擬和實驗的方法研究了通孔聚氨酯泡沫和銅泡沫對融化過程的影響,結果表明:高導熱率的金屬泡沫能有效改善冰蓄冷板的溫度分布并提高其融冰能力,而低導熱率的聚氨酯泡沫可延長冰蓄冷板的釋冰時間,且釋冰所需時間隨孔密度減小而增加[9]。施娟等通過實驗比較了普通蓄冰球和填充有金屬泡沫的蓄冰球內蓄冰的動態變化過程,實驗表明:相同制冷條件下,填充有金屬泡沫的蓄冰球中相變材料進入相變狀態速度較快,完成相變過程時間較短,說明金屬泡沫能有效地強化蓄冰過程,提高換熱效率[10]。楊秀和陳振乾建立了蓄冰球中填充鋁泡沫的融化相變過程自然對流模型,模擬了單個冰球二維融化過程的溫度場和相界面移動規律[11]。Yang等對相變材料-金屬泡沫復合結構的凝固過程進行了實驗及數值模擬研究,并與拓展后的經典Neumann解預測結果進行對比,實驗可視化結果顯示:相界面在宏觀尺度下平坦規則,但孔隙尺度下的數值模擬顯示凝固相界面呈現不規則的微觀凹凸[12]。Feng等針對金屬泡沫底部冷卻的定向凝固過程做了實驗和數值模擬研究,在忽略自然對流對凝固過程的影響下,對金屬泡沫與基板間的接觸熱阻做了分析,結果表明由于冰的導熱系數(～2.26 W·(m·K)-1)很大,金屬泡沫與基板間的接觸熱阻可忽略不計[13]。

目前雖然已有大量針對蓄冰過程的研究,但采用金屬泡沫對蓄冰過程進行強化的研究相對較少,而針對豎直方腔內側壁冷卻條件下利用金屬泡沫強化蓄冰過程的研究還未見報道,尤其關于液相區存在的自然對流對蓄冰過程影響的研究仍未開展。為此,本文針對豎直方腔內側壁冷卻下金屬泡沫強化蓄冰過程進行了實驗研究,采用蒸餾水作為相變工質,搭建了相變界面可視化實驗臺對其蓄冰過程中相界面的遷移進行了觀察,探索自然對流對蓄冰過程影響的特性規律。

1 實驗裝置

1.1 實驗試件

本文將具有不同孔隙結構參數(孔密度和孔隙率)的銅泡沫切割成具有相同規格尺寸(68 mm×68 mm×28 mm)的試樣,詳細參數見表1,泡沫試樣如圖1所示,分別在銅泡沫試樣金屬桿表面和相變材料內布置熱電偶,以監測相變過程中的實時溫度。

表1 通孔銅泡沫試樣參數

1～4:測點位置圖1 試樣A實物圖

1.2 實驗系統

本實驗為研究金屬泡沫孔結構參數及自然對流對蓄冰過程的影響,搭建了一套相變換熱實驗系統,如圖2所示,主要包括相變換熱裝置、恒溫水箱、數據采集器及拍攝設備,其中相變換熱裝置由聚氨酯泡沫、銅基板、銅片、金屬泡沫及豎向有機玻璃框組成,銅基板內含有通道可供冷卻介質流通,銅基板嵌在聚氨酯泡沫(導熱系數為0.02 W·(m·K)-1)內以減少冷量損失。為了方便更換金屬泡沫試樣并使其緊密接觸,采用與金屬泡沫試樣大小一致且厚度為2 mm的銅片分別與銅基板和金屬泡沫試樣粘在一起,為了降低接觸熱阻,采用導熱膠(導熱系數為25 W·(m·K)-1)作為粘接劑。其中銅基板與銅片之間安裝了3根K型熱電偶,用于采集銅基板壁面溫度,銅泡沫安裝于上部開口的有機玻璃框內(側壁厚20 mm),并在有機玻璃框外側包裹保溫棉(保溫棉導熱系數為0.02 W·(m·K)-1)以減少冷量損失。實驗過程中采用高清相機對相界面進行實時拍攝來記錄相界面位置。恒溫水箱采用乙醇溶液作為冷媒,提供-15 ℃的低溫冷卻邊界。

圖2 實驗裝置示意圖

實驗前關閉閥門V2、V3,開啟V1,向有機玻璃框內加水至恰好淹沒銅泡沫,開啟恒溫水浴使溫度降低到-15 ℃。水浴溫度穩定后打開溫度采集器開始采集溫度數據(時間間隔30 s),此時打開閥門V2、V3,關閉V1,使低溫冷媒由下而上流過銅基板并拍攝第一張照片,由于結冰較慢,拍攝間隔不宜太短,此后每隔6 min拍攝一次以記錄相界面位置。

2 結果討論

2.1 蓄冰過程壁面溫度變化

圖3給出了對試樣C進行實驗時的基板溫度變化情況,由圖可知,在實驗開始前,銅基板維持初始溫度不變。實驗開始時,打開閥門V2、V3,關閉V1后,-15 ℃的低溫冷媒乙醇溶液流經銅基板,銅基板表面溫度急劇下降隨后再緩慢下降趨于平穩,最終穩定溫度高于-15 ℃。這是由于通入低溫冷媒之后,基板初始溫度與低溫冷媒溫差很大,因此基板溫度急劇下降,隨著基板溫度不斷下降,兩者之間溫差不斷減小,因此基板溫度下降速率變慢直至最后趨于穩定。最終熱電偶測得的基板溫度高于水浴設定溫度(-15 ℃),其主要原因為:測試腔內水凝固放出大量的熱,這部分熱量均由冷卻介質帶走,所以最終冷卻介質的溫度高于設定值(-15 ℃)。

圖3 銅基板溫度隨時間的變化(試樣C)

2.2 局部熱平衡實驗驗證

基于體積平均理論的多孔介質模型能夠很好地模擬多孔介質內嵌相變材料的凝固/融化過程,多孔介質骨架表面與相變材料之間的熱平衡情況是使用該種方法的基礎。已有實驗研究表明[14-15],在多孔介質內嵌石蠟類熔化相變過程中,骨架表面與內嵌石蠟存在溫差,基于局部非熱平衡模型的雙能量方程能夠更好地預測相變過程。

對于本文研究的金屬泡沫強化凝固過程而言,為了探究孔隙尺度局部熱平衡情況,分別在金屬桿表面和相變材料內布置熱電偶監測其實時溫度,其中布置在骨架上的熱電偶采用導熱膠將感溫頭固定在泡沫骨架上。圖4展示了試樣A的金屬泡沫骨架表面及相變材料溫度變化情況,可將溫度曲線分為3段:開始時(第1階段)溫度急劇下降,主要為顯熱蓄冷階段;隨后(第2階段)溫度緩慢下降,主要為潛熱蓄冷階段;待相變結束后,再次以顯熱繼續蓄冷(第3階段)。從位置1、2兩處的溫度曲線可以看出,兩組測點位置金屬骨架表面溫度和孔隙內嵌相變材料溫度一致,從實驗角度證實了低孔密度(315 m-1)下局部熱平衡模型的可行性,這為單能量方程應用于低孔密度(315 m-1)下金屬泡沫內的凝固過程提供了實驗依據。

2.3 不同孔隙率對蓄冰過程的影響

(a)位置1

(b)位置2圖4 骨架表面和相變材料內部實時溫度

圖5 不同孔隙率時相界面的變化情況

圖5展示了相同孔密度(1 181 m-1)、不同孔隙率(0.90、0.97)的通孔銅泡沫在二維蓄冰過程中的實時相界面位置,由圖可知:孔隙率越小,相同時間內相界面移動越快,凝固速率越大。這是因為孔隙率小的銅泡沫所包含的銅更多,能容納的水體積更小,而銅的導熱系數比水大,使整個蓄冷單元的熱擴散率更大;同時,更少的水所需熱量較少,故孔隙率越小,結冰速率越快,相同時間內相界面生長越多。

由圖5可見,凝固過程中相界面出現不同程度的傾斜彎曲,泡沫下部冰層較上部厚,說明在凝固過程中,液相區域中存在自然對流。液相區靠近相界面處液體溫度較低向下運動,而外側溫度相對較高的液體向上運動,從而在上部形成渦流區,且上部溫度較高,故在自然對流的作用下,液相區上部區域結冰緩慢,最終使得相界面發生傾斜。

圖6給出了相同孔密度(1 181 m-1)、不同孔隙率(0.90、0.97)條件下,蓄冰過程中結冰率fs(冰占總體積的比例)隨時間的變化過程,其中以純水凝固過程作為對比。由圖可知:相同時間內,所用銅泡沫孔隙率越小,蓄冰量越大,蓄冰過程所需時間越短;與不含銅泡沫的工況(純水)相比,在蓄冰過程中加入銅泡沫,前期結冰率相差較小,而蓄冰后期,純水結冰速率大大降低,加入銅泡沫的工況結冰速率下降很少。加入銅泡沫后,結冰所需時間與純水工況相比減少為48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)和60.97%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.97)。這說明銅泡沫可使蓄冰后期傳熱得到強化,大大減少蓄冰時間,提高蓄冰效率。

圖6 不同孔隙率時結冰率隨時間的變化

2.4 不同孔密度對蓄冰過程的影響

圖7 不同孔密度時相界面的變化情況

孔密度是描述金屬泡沫的另一個重要參數,一般以每英寸孔的個數(pore per inch,PPI)來表示,本文中均采用國際單位制m-1。相同孔隙率(0.90)、不同孔密度(315、1 181 m-1)下的相界面變化情況如圖7所示。由圖7可知:兩組實驗相界面形狀基本一致,相界面位置大致相同;由圖8可知,相同孔隙率、不同孔密度下的兩種工況結冰率變化情況基本一致,說明在相同孔隙率條件下,孔密度對結冰過程影響很小。與純水相比,加入金屬泡沫后完全凝固所需時間與純水工況相比減少為47.54%(孔密度為315 m-1,孔隙率為0.90)和48.86%(孔密度為1 181 m-1,孔隙率為0.90)。其主要原因如下:孔密度僅表示泡沫孔徑不同,而孔隙率相同表明銅泡沫中銅與空隙所占體積之比相同,即銅的材料相同,金屬泡沫-相變材料復合結構的有效導熱系數一致,故在孔隙率相同時,孔密度的變化對蓄冰過程的影響可忽略不計。

圖8 不同孔密度時結冰率隨時間的變化

3 結 論

本文針對通孔銅泡沫內嵌相變材料的凝固過程開展了實驗研究,討論了孔結構參數(孔隙率和孔密度)對凝固過程的影響,對未凝固相內自然對流對相變傳熱的影響做了系統分析,主要結論如下。

(1)與不加銅泡沫的工況相比,加入銅泡沫形成的復合結構能改善蓄冰后期傳熱惡化現象,使整個蓄冰過程都能保持較高的傳熱速率,縮短蓄冰周期,降低能耗。

(2)銅泡沫的孔隙率對結冰過程影響較大,而孔密度對結冰過程影響可忽略不計,孔隙率越低,凝固層生長越快,完全凝固時間越短。

(3)可視化結果表明,未凝固相局部自然對流導致凝固相界面發生傾斜,呈現下部略快于上部的凝固界面。

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ExperimentalStudyonEnhancedIceStorageinOpen-CellMetalFoams

BAI Qingsong, GUO Zengxu, LIU Yilin, YANG Xiaohu, JIN Liwen

(School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To explore the heat and mass transfer characteristics during the phase change in metal foams, a test rig with solid/liquid phase change heat transfer visualization device was designed and established. The effects of pore structure parameters on solidification process were measured. Results show that the involvement of open-cells in metal foam can significantly enhance the solidification process. The deterioration of phase change heat transfer can be compensated by the enhanced heat conduction with metal foam. The full solidification time can be reduced by 48.86% (pore density of 1 181 m-1and porosity of 0.90) and 60.97% (pore density of 1 181 m-1and porosity of 0.97), respectively, in comparison with the case of pure water. Porosity plays a vital role in solidification process but the influence of pore density upon solidification can be neglected. The full solidification time can be further reduced by 20% when the porosity decreases from 0.97 to 0.90. The visualization demonstrated an inclined solidification front, which indicated the contribution of local natural convection in the fluid phase. Local thermal equilibrium between metallic ligaments and the saturating PCM (distilled water) was experimentally observed.

phase change heat transfer; metal foam; solidification; experimental study

2017-07-20。 作者簡介: 白青松(1993—),男,碩士生;楊肖虎(通信作者),男,副教授,碩士生導師。 基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51506160);陜西省自然科學基金資助項目(2017JQ5007)。

時間: 2017-10-18

網絡出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171018.1437.002.html

10.7652/xjtuxb201801004

TK124

A

0253-987X(2018)01-0020-06

(編輯 荊樹蓉)