泡沫金屬對石蠟微膠囊相變蓄熱性能影響的試驗研究

祝藝丹，王春青，黃仁強

（1.吉林建筑大學城建學院，長春 130114；2.吉林建筑大學，長春 130118；3.吉林建工集團有限公司，長春 130052）

目前，為了實現建筑低能耗的目標，響應國家“煤改電”政策，提高電能源的利用效率，人們要將電所提供的熱能存儲起來，需要時將其利用，而蓄熱材料的應用將有助于解決上述問題。蓄熱包括顯熱蓄熱和潛熱蓄熱，本文將利用一種新型定型相變蓄熱材料——石蠟微膠囊作為相變主體材料，該材料以潛熱形式進行蓄熱。可以選擇在用電谷時（低電價）進行供熱蓄熱，用電高峰時段（高電價）進行放熱，合理協調分配了熱用戶需求及電供熱時間的關系。但是，由于定型材料導熱性能較差，影響石蠟的蓄熱效果，因此本文提出用高孔隙率泡沫金屬來加強熱量對新型相變材料的傳遞，通過試驗研究其對相變材料蓄熱性能的影響。

1 強化蓄熱材料的選擇

為了提高電熱對石蠟微膠囊熱傳遞的效果，相關人士提出了多種方法。例如，將相變材料封裝在帶有翅片的鋁管中，或者加上肋片，增加導熱面積；將相變蓄熱材料與導熱效果好的材料（如石墨、鋁粉等）摻混在一起[1]。考慮到蓄熱材料要與強化傳熱材料充分接觸、相變材料石蠟微膠囊結構不被破環以及導熱性能效果較好等因素，本文將選用高孔隙率的泡沫金屬作為強化傳熱材料。

2 強化蓄熱性能試驗過程

該試驗所需要的材料是物質形態為粉末狀的石蠟微膠囊，選定相變點溫度為42℃，泡沫金屬材料種類較多，其中選擇導熱效果較好的泡沫金屬銅和泡沫金屬鋁兩種，通過試驗對比分析得出哪種更具優勢[2-3]。

該試驗所涉及的熱工測試技術為溫度測試，溫度數據采集儀器為Keysight34970A數據采集儀，溫度測量元件為熱電偶。由于熱電偶中銅-康銅熱電偶即T型熱電偶測溫范圍與本次測試溫度范圍接近，價格較廉價，其被選作本次測試的主要測溫元件。

將T型熱電偶非測溫端與數據采集儀插槽內的模塊進行連接，通過感溫元件采集數據之前，先調試所用的采集儀器，對儀器操作時的一些參數進行設定。另外，溫度數據顯示需要計算機安裝的相關配套軟件進行觀察讀取及導出，以上調試結束后，對溫度進行校正，確定能正常測溫及讀取數據后，開始進行試驗。

首先準備好三組被測試樣即1組為單質石蠟微膠囊相變材料、2組為泡沫金屬銅與石蠟微膠囊復合相變蓄熱材料以及3組泡沫金屬鋁與石蠟微膠囊復合相變材料。將三種不同的材料分別裝入三個塑封袋中，保證三種被測試樣中石蠟微膠囊的用量相同。然后，將T型熱電偶的感溫觸點深入三組被測試樣中，使其與被測材料直接接觸，測點為塑封袋的中心位置。本試驗用恒溫水浴模擬供熱熱源，溫度參數設置為60℃，測試時間設置為30 min。將三組被測試樣同一時間一起放入加熱容器中（前提三組被測試樣通過T型熱電偶及溫度數據采集器傳出的起始溫度應一致），試驗開始，試驗整體系統流程如圖1所示。

圖1 試驗系統

試驗過程分為兩個測試階段，一是蓄熱測試階段，二是放熱測試階段。蓄熱測試階段，將三組被測試樣同一時間置于恒溫水浴箱內，啟動裝置，進行升溫，為了測試每個時間節點的溫度數據情況，將軟件中的測試時間間隔參數設置為1 s，相變蓄熱材料在達到相變點后進行蓄熱，蓄熱過程結束后，相變材料溫度繼續上升，直至被測試樣溫度達到恒溫水浴箱設置的60℃，蓄熱測試階段結束。

放熱測試階段，將三組被測試樣同一時間取出進行降溫。該過程在室內進行（環境溫度為18℃），隨著溫度的降低，接近相變溫度時，相變蓄熱材料開始釋放所儲的潛熱。與蓄熱測試階段相同，軟件中的測試時間間隔參數設置為1 s，當數據采集器末端輸出三組被測試樣的溫度與室溫接近后，放熱測試階段結束。

3 蓄放熱過程測試結果研究分析

將計算機相關軟件內三組被測試樣的蓄放熱過程所采集到的溫度數據導出，利用數據分析軟件Origin分別做出蓄熱過程以及放熱過程的溫度-時間變化曲線，如圖2、圖3所示。

3.1 蓄熱過程

圖2為蓄熱測試階段的溫升曲線，由此可以看出，起始溫度一致，皆為室內環境溫度，18℃左右，隨著時間的推進，三組被測試樣的溫升速度較快，幾乎呈線性增長，其中泡沫銅與石蠟微膠囊復合相變材料溫升速率最大，最先達到相變溫度點（42℃），加快了相變蓄熱過程的開始；三組被測試樣逐次到達相變點后，開始蓄熱過程，該過程熱量以潛熱的形式儲存，因此溫度隨時間沒有變化，此過程曲線幾乎可看成是直線；蓄熱結束后，由于水浴與相變蓄熱材料之間仍有溫度差，所以三組被測試樣的溫度曲線繼續呈上升趨勢，但溫升速度逐漸放緩，最后與恒溫水浴設置溫度參數60℃一致，停止蓄熱測試。通過被測試樣的三條溫度隨時間變化的曲線對比觀察可得，泡沫金屬可加快相變蓄熱過程的開始，效果較為明顯，且溫升與單質石蠟微膠囊相比較快，儲存相同的熱量所需時間較少。以上分析可得出，帶有泡沫金屬的相變復合蓄熱材料蓄熱能力有所提高，使相變響應時間提前。

另外，通過圖2還可以觀察到，加入加強傳熱材料的不同，蓄熱效果也有所不同。分析泡沫金屬銅石蠟微膠囊復合材料與泡沫金屬鋁石蠟微膠囊復合材料兩條溫度隨時間變化的曲線，前者溫度隨時間上升較快，較后者提前進入相變蓄熱過程，即溫度較后者先與水浴溫度一致。通過有無強化蓄熱材料以及兩種強化蓄熱效果的橫縱全面對比分析可得，泡沫金屬銅在強化蓄熱方面有較大的優勢。

3.2 放熱過程

圖3為放熱測試階段的溫降曲線，觀察該圖可看出，起始溫度一致，皆為被測試樣從恒溫水浴取出時瞬時溫度，即42℃左右。隨著時間的推進，三組被測試樣的溫降速度較快，其中加入泡沫金屬銅的測試樣品最先降到相變溫度，由于釋放存儲的相變潛熱，該過程溫度值不變，因此該過程溫度曲線近似看成一條曲線，相變潛熱釋放完后，三組被測試樣溫度繼續下降，直至與室內環境溫度一致。

圖2 蓄熱過程溫度-時間變化曲線

圖3 放熱過程溫度-時間變化曲線

從圖3放熱過程三條溫度曲線可觀察到，多孔介質泡沫金屬銅和泡沫金屬鋁有較好的傳熱性，放熱速率快，散熱能力強。

通過以上兩個過程、三種方案全面深入分析可得，帶有泡沫金屬的相變蓄熱復合材料蓄熱能力及向外傳熱能力都較強，能較好地蓄熱和供熱，滿足熱用戶的熱舒適度要求。同時，也證明了泡沫銅與石蠟微膠囊復合的相變材料在蓄放熱過程中更具有優勢，所以在今后的實踐與應用中，應優先選擇泡沫金屬銅作為強化傳熱的主要材料。

4 結論

通過試驗方案的設計、試驗過程操作以及對數據處理分析可得，在相變蓄熱材料石蠟微膠囊蓄熱過程中，泡沫金屬將熱源產生的熱量較好較快地傳遞給蓄熱材料，提高了相變蓄熱材料蓄熱能力，使相變響應時間提前。在相變蓄熱材料石蠟微膠囊放熱過程中，泡沫金屬以其傳熱效果好的優勢使釋放的潛熱較好地散到室內環境中，滿足熱用戶的要求。另外，試驗結果表明，泡沫金屬銅強化傳熱，提升蓄熱能力的效果更具有優勢。在今后的實踐與應用中，泡沫金屬銅可作為強化傳熱的主要材料。