矩形及楔形裝置蓄熱性能的對比實驗研究

胡志培，李安桂，高 然

(1. 蘇州科技大學 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2. 西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

能源危機及環境污染的雙重作用下，提高能源利用效率、開發清潔無污染的可再生能源成為當今社會發展的必然選擇，而這兩類措施都離不開蓄熱技術.基于此，高蓄熱密度、蓄/放熱過程恒溫的相變蓄熱日益成為最具發展前景的熱能儲存技術之一，并在太陽能利用、工業余/廢熱回收、建筑熱環境控制及電子器件熱管理等領域得到廣泛應用[1-3].

相變材料的熱物性直接影響蓄熱系統的熱性能.各類材料中，有機類材料石蠟因性能穩定、相變潛熱高、價格便宜等優點而備受關注.但是，該類材料的導熱系數普遍較低，常通過向其中添加金屬、碳纖維、石墨等高導熱性物質制得復合蓄熱材料實現其熱性能的增強[4-6].

通過固-液相變完成蓄/放熱過程的相變材料常被封于蓄熱裝置內，其中以矩形、圓柱及球形裝置的應用最為廣泛[7].矩形裝置結構簡單、易于制造，一直以來都是學術研究及實際應用的關注熱點.文獻[8]對矩形裝置內月桂酸的融化及傳熱過程進行實驗研究，揭示了蓄熱過程傳熱機制轉化及其對相變材料融化速率的影響.文獻[9]指出蓄熱過程矩形裝置傾角對液相材料內自然對流產生及發展有重要影響，并導致裝置傳熱及材料融化速率的差異.文獻[10]針對等壁溫條件下矩形裝置上下邊長之比對材料傳熱及融化速率的影響進行分析，并據此提出楔形截面蓄熱裝置.文獻[11]對添加CuO納米顆粒的有機復合材料在恒熱流矩形腔的融化過程進行研究，分析了裝置不同高度材料融化狀況及其相界面分布的變化.文獻[12]通過實驗和數值計算的方法研究了斯蒂芬數、瑞利數及傅里葉數對矩形裝置內癸酸融化過程的影響.

綜上所述，自然對流對蓄熱過程材料的融化速率及相界面分布有決定性影響，而裝置的幾何形狀則一定程度上影響蓄熱過程自然對流的產生及發展.基于此，本文在傳統矩形裝置的基礎上，優化得到楔形相變蓄熱裝置，并通過實驗對兩裝置的熱性能進行對比研究，所得結論對相變蓄熱裝置的設計及優化具有指導意義.

1 實驗裝置及過程

為實現蓄熱過程材料融化及傳熱特性的分析，本文設計如圖1所示的實驗系統，包括封裝相變材料的蓄熱裝置、熱源、熱電偶、數據采集系統及相界面記錄系統.蓄熱裝置包括矩形及楔形兩種，其幾何尺寸見表1.蓄熱裝置采用5 mm的透明有機玻璃制成，左側壁面為熱源.有機類材料RT28HC為蓄熱材料，熔點為27～29 ℃，相潛熱為245 kJ/kg，導熱系數為0.2 W/(m K)，熱膨脹系數為0.005 /K.考慮到固相材料融化后的體積膨脹，特在裝置上部留有2 mm的空隙.熱源與蓄熱裝置間設薄云母片，與PCM間設高導熱性銅板，在減少熱源向環境散熱損失的同時，實現其與PCM的均勻傳熱.裝置外側采用6 mm厚保溫板進行覆蓋.

實驗用熱源系統主要由加熱板、感溫探頭、交流接觸器和溫度控制儀表組成，通過PID調節實現熱源溫度的控制，加熱板尺寸為160 mm×60 mm×2 mm.蓄熱過程的相界面分布由帶存儲功能的高清攝像儀拍攝完成，固定時刻取下裝置外側的保溫板記錄相界面分布.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

蓄熱裝置的幾何形狀x方向y方向z方向上邊長/mm下邊長/mm高度/mm寬度/mm上下邊長之比矩形6262161601楔形10222161605

圖2 蓄熱裝置的測點分布圖Fig.2 Arrangement of thermocouples inside the thermal storage units

蓄熱過程采用銅-康銅T型熱電偶對裝置內的多點溫度進行監測，并由mobrey 35 951C IMP數據采集板進行收集，采樣周期為1 min.裝置內的測點布置如圖2所示，某點的溫度表示為Tij，其中i為橫坐標(自下向上分別為i=1, 2… 5)，j為縱坐標(從左向右分別為j=1, 2… 8).矩形和楔形豎向測點均為5行，相鄰測點間距為20 mm；水平向相鄰測點間距為10 mm，矩形裝置水平測點均為5列，楔形裝置自下向上逐漸增加，測點數為2到8列不等.另在裝置中心測點T43的前、后對稱設置Tr，Tl兩個測點.

蓄熱過程開始前，充分冷卻裝置使其各點溫度均勻一致并低于RT28HC的融點，達到設定值后，蓄熱過程開始，直至裝置內的固相材料全部完成融化，蓄熱過程結束.

2 實驗結果及分析

2.1 裝置的二維傳熱特性

圖3為兩裝置典型測點溫度隨時間的變化情況，其中測點T43位于裝置中心位置，Tr，Tl與T43的關系如圖2(c)所示.可以看出，矩形及楔形裝置內三個測點的溫度分布呈現較高一致性，即本文的矩形及楔形裝置均具有二維傳熱特性.裝置中心斷面系列測點的溫度分布具有一定代表性，可用于反映蓄熱過程裝置的熱性能，這也是為后續闡述裝置的融化及傳熱特性奠定基礎.

圖3 蓄熱裝置的二維傳熱特性Fig.3 Two dimensional heat transfer characteristics of

2.2 融化特性

熱源溫度Tw=40 ℃時，RT28HC融化過程的典型相界面分布如圖4所示.t=15 min的初始階段，矩形和楔形裝置內材料的融化狀況基本相同，熱源附近均出現均勻分布的薄液相層，形成與熱源平行分布的相界面.

圖4 Tw=40 ℃時蓄熱過程的相界面分布Fig.4 Instantaneous photographs of the RT28HC melting infor hot wall temperature of 40 ℃

隨融化過程進行，裝置內液相材料增多.t=65 min時出現相界面的顯著彎曲.其中，矩形裝置頂部的相界面到達裝置右側，楔形裝置頂部材料的融化速率也較底部更快.這是蓄熱過程傳熱機制從最初熱傳導向導熱-對流共同作用轉變的結果.即自然對流一方面加快了固相材料的融化速率，但同時導致材料融化速率的豎向不均勻，這一點從后面的溫度分布也可得出.

此后兩裝置內材料的融化均呈現顯著的豎向不均勻性，且矩形裝置尤為明顯.直至蓄熱后期t=245 min，兩裝置上部的材料均已全部融完，僅少量固相材料分布于裝置中下部.不同點在于矩形裝置的右下角完全被占據，出現融化死角并大大延長蓄熱時間；而楔形裝置內僅相對少量固相材料沿裝置右壁下部均勻分布，一定程度改善了底部材料的融化狀況.

圖5 裝置中心溫度隨時間的變化曲線Fig.5 Temperature variations in the center of

圖5所示為不同熱源溫度下矩形及楔形裝置中心測點T43溫度隨時間的變化情況.隨熱源溫度上升，兩裝置的蓄熱時間均顯著縮短；同一溫度下，楔形裝置的蓄熱時間明顯小于矩形裝置.由前述的相界面分析可知，由于蓄熱后期相變材料融化速率的差異，導致兩裝置蓄熱時間的不同.如T43的溫度變化所示，當該點材料完成融化處于過熱狀態時，楔形的幾何形狀更有利于其熱量向低溫固相材料的傳遞，表現為后期階段T43溫度的迅速下降.相比之下，矩形裝置后期階段T43的溫度下降更為平緩.熱源溫度越高時，楔形裝置的這一傳熱特性也越顯著.

2.3 傳熱特性

為進一步分析蓄熱過程相變材料的傳熱特性，本文以T2j、T4j、T6j測點為例分析不同高度測點溫度隨時間的變化情況.如圖6所示，圖中最上方曲線為熱源溫度，整個蓄熱過程維持恒定.同一高度距熱源距離不等的各點，其溫差先增大后減小，最終各點趨于一致.現引入“溫差比”表示前期溫差階段占整個蓄熱過程的百分比，經計算，矩形裝置沿高度方向自下向上其值逐漸從底部T1j的87.4 %減小到頂部T7j的25.8 %；楔形裝置的“溫差比”較矩形裝置有所增加.而且，兩裝置中T1j到T7j的溫度逐漸升高.即蓄熱過程裝置內存在豎向溫度梯度，裝置上部的液相材料處于過熱狀態而下部的固相材料仍為過冷狀態，由此形成如圖4所示蓄熱后期的相界面分布.

圖6 Tw=40 ℃時不同高度測點溫度隨時間的變化Fig.6 Temperature variations of a series of different heights of for hot wall temperature of 40 ℃

針對矩形和楔形裝置下部傳熱特性的差異，本文又選擇底部T2j測點進行對比分析.如圖7所示，初始階段熱傳導作用下，靠近熱源的T21首先開始升溫，距離較遠的其余各點仍處于過冷狀態.隨蓄熱過程進行，熱量逐漸向更遠處滲透，形成裝置內x方向的溫度梯度.到蓄熱后期同一高度的材料完成融化進入過熱狀態時，楔形裝置底部的溫度較矩形裝置的要高，即楔形幾何形狀一定程度緩解了裝置內的豎向溫度分層，使熱源釋放的熱量更多用于裝置下部固相材料的融化而非上部液相材料的過熱，這也是導致蓄熱后期兩裝置融化速率差異的主要原因.

圖7 Tw=40 ℃時裝置底部T2j測點的溫度分布Fig.7 Temperature distributions of T2j series at the bottom of for hot wall temperature of 40 ℃

3 結論

通過對矩形及楔形裝置蓄熱性能的對比實驗研究，得到如下結論：

(1)所述矩形及楔形裝置均具有二維傳熱特性，與熱源垂直的任意斷面可反映蓄熱過程材料的融化及傳熱特性.

(2)沿裝置高度方向，自然對流作用下裝置內的相界面及溫度分布存在極大不均勻性，矩形裝置內存在傳熱及融化死角.

(3)與傳統矩形裝置相比，所述楔形幾何形狀可有效改善裝置內的豎向溫度分布，加快后期階段裝置底部材料的融化速率，實現強化傳熱.