泡沫金屬銅布置方式對石蠟相變放熱性能的影響

陳 華 侯玉潔 柳秀麗 劉 劍

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

石蠟是目前常用的有機相變材料[1]，具有相變潛熱高、熱穩定性好、無毒無腐蝕等優勢，在工業、建筑業等領域具有廣闊的需求和前景[2-3]，純石蠟作為相變材料時，較低的導熱系數和傳熱速度嚴重限制了石蠟的推廣和發展，因此開發與制備高性能石蠟相變材料是重要的研究課題。目前，對于在相變材料中添加其他材料的研究較為廣泛，由兩種或兩種以上材料組合而成的復合相變材料[4-6]，可以有效提高材料性能，加快蓄放熱過程。

泡沫金屬銅材料由于具有較高的導熱系數和較大的孔隙率受到研究者的關注[7-10]，唐小梅等[11]把泡沫金屬銅和脂肪酸二元低共融混合物進行換熱實驗，提高了復合相變材料換熱性能，并且對單一相變材料的熱量滯積的現象有很大改善。胡海濤等[12]研究填充泡沫金屬的圓管內制冷劑與潤滑油混合物流動沸騰換熱特性，實驗表明無論是純制冷劑還是含油工況下，泡沫金屬銅均能有效提高圓管內沸騰換熱表面傳熱系數。楊佳霖等[13]將石蠟真空注入到泡沫金屬銅中，整個實驗模型以導熱為主，內部溫度均勻，沒有溫度分層，充分發揮了泡沫金屬銅的多孔優勢。田東東等[14]采用對比實驗方式，根據泡沫金屬銅的厚度不同，探究金屬銅對石蠟熔化過程的影響，結果表明，導熱強度隨泡沫金屬銅厚度的增大而增大。

綜上可知，目前對于部分填充泡沫金屬銅的研究相對較少，本文針對部分填充泡沫金屬銅在蓄熱箱的徑向傳熱特性問題，將泡沫金屬銅按照其在徑向的熱接觸面積不同設置成3種不同的布置方式，研究不同方案中相變材料的放熱特性和性能參數，尋找最優的泡沫金屬銅部分填充方案。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

為了準確得到石蠟的熱物性，本文采用Q1000型差示掃描量熱法(DSC)測試純石蠟的熔點、凝固點以及相變潛熱值等。石蠟及泡沫金屬銅物性參數如表1所示。

表1 材料物性基本參數Tab.1 Basic parameters of thermal properties of materials

本實驗設計了用于放熱實驗研究的蓄熱箱，結構[15]如圖1所示。蓄熱箱直徑為460 mm、高為500 mm，內部主要由螺旋銅盤管組成，分別為制冷劑盤管和水盤管，放熱實驗只涉及水盤管，外部殼體由鋁合金制成，并用聚乙烯發泡保溫材料包裹，達到了減少熱量損失，保證實驗效果準確性的目的。

圖1 蓄熱箱內部結構Fig.1 Internal structure of heat storage tank

蓄熱箱內溫度測點和泡沫金屬銅的布置方式如圖2所示，外圈測點的布置方式分別為泡沫金屬銅垂直蓄熱箱橫截面半徑方向布置、沿橫截面半徑方向布置、沿橫截面水平方向布置。盤管內圈泡沫金屬銅布置由于安裝困難和定位問題未考慮不同方案。圖2中內部圓環是冷卻盤管，黑色圓點是熱電偶位置，排布在箱內的矩形代表不同布置方式的泡沫金屬銅。整個蓄熱箱橫截面為圓形，以水平方向為界，上下半圓分別劃分為純石蠟對照組和復合相變材料實驗組，每種布置方案均關于豎直軸線對稱。

圖2 蓄熱箱內部布置方案Fig.2 Internal layout plan of heat storage tank

由圖3可知，3種方案對稱位置測點的溫度差值為0～3.8 ℃，誤差小于5%，因此選取1/4的部分進行實驗分析。選取3類典型測點分別為冷卻盤管內圈測點(1、2、1′、2′)；冷卻盤管外圈測點(3、4、3′、4′)，其中1～4為添加泡沫金屬銅的復合相變材料側測點，1′～4′為純石蠟側測點。

圖3 三種方案對稱測點實時溫度對比Fig.3 Comparison of real-time temperature of symmetrical measuring points in three schemes

1.2 實驗過程

實驗測試前將蓄熱箱內相變材料完全融化蓄熱。液態石蠟初始溫度約為73 ℃，打開水箱和蓄熱箱的進出水閥門，水箱中的冷水通入蓄熱箱冷卻盤管中，與箱內相變材料進行熱交換，石蠟放出熱量開始凝固，冷卻盤管中的水吸收熱量變為熱水，從箱內導出，480 min后，當蓄熱箱進水口和出水口溫度基本不變時，實驗結束。為保證實驗準確性，3種方案均選取初始溫度35 ℃、體積流量1.5 m3/h的自來水作為冷流體進行放熱過程研究，用熱電偶記錄蓄熱箱內測點溫度以及冷流體進出口溫度，用渦輪流量計記錄冷流體流量。

1.3 實驗性能參數計算

根據實驗采集數據，計算反映放熱性能的相關參數，分別為冷流體換熱量(有效放熱量)、相變材料換熱量(總放熱量)、放熱效率、放熱速率。

放熱速率：

(1)

冷流體換熱量：

(2)

相變材料換熱量：

EPCM=MPCM(cPCM△T+λ)

(3)

放熱效率：

(4)

式中：P為放熱速率，W；MHTF為冷流體質量流量，kg/h；T1、T2分別為冷流體進、出口溫度，℃；cHTF為冷流體比熱，kJ/(kg·K)；td為放熱過程時間，min；MPCM為相變材料質量，kg；cPCM為相變材料比熱，kJ/(kg·K)；△T為相變材料放熱前后溫差，℃；λ為相變潛熱，kJ/kg。

2 實驗結果分析

2.1 內圈測點放熱特性

復合相變材料與純石蠟在冷卻盤管內圈的放熱溫度變化如圖4(a)和圖4(b)所示，可知在徑向上泡沫金屬銅/石蠟復合相變材料組(測點1、2)相比于純石蠟對照組(測點1′、2′)放熱速率增大，距離冷卻盤管較近的一組測點2和2′的溫度變化曲線有顯著差異，雖然前20 min內測點2和2′溫度變化率持平，但后期2點溫度變化趨勢變緩，在約40 min測點2放熱溫度開始低于測點2 ′，主要原因是熱量在相變材料內發生滯積，沒有和冷流體進行有效的熱量交換，而加入泡沫金屬銅的測點2相對于純石蠟對照組溫降速率顯著增大，說明泡沫金屬銅可以加快放熱進程，讓局部堆積的熱量加速向其他位置擴散。圖4(c)所示為在同一半徑方向的測點1和測點2在復合材料區的溫差波動遠小于純石蠟區，復合材料區的溫度均勻性比純石蠟區大約80%，相變后期和第三階段的溫差負向線性增大過程是因為測點熱量在相變材料內滯積，局部溫度高導致的溫度差異。

圖4 復合相變材料與純石蠟在冷卻盤管內圈的放熱溫度變化對比Fig.4 Comparison of the exothermic temperature of the composite PCM and pure paraffin in the cooling coil

2.2 外圈測點放熱特性

3種布置方案下復合相變材料和純石蠟在冷卻盤管外側測點的溫度變化如圖5所示。分為3個階段：相變材料的溫度在初始階段由于相變材料和冷流體熱量交換迅速下降，此時顯熱為主要換熱方式，當溫度約為52 ℃時，溫度增長趨勢開始變緩，此時復合材料相變過程開始，熱量以潛熱形式存儲，相變階段表現出近乎平坦的曲線，當溫度超過50 ℃時，相變材料完全為固態，溫度增長趨勢再次加快，直至480 min放熱過程基本結束。復合相變材料測點和純石蠟組相比，加快了3個階段的放熱進程，尤其在第一階段復合相變材料測點到達凝固溫度的降溫時間均縮短，方案一中純石蠟相變開始時間為70 min，而復合相變材料測點開始相變時間約為65 min，降溫時間有效縮短了5 min。同理方案二中凝固開始時間縮短了4 min，方案三凝固開始時間縮短了5 min，溫降速率均有不同程度得提高。

圖5(d)中測點4到測點3的溫差均為正值，證實了凝固現象是在靠近盤管處開始發生的，并向外部區域推進，復合材料區測點3到測點4的溫差均小于純石蠟對照組對應位置測點的溫差，在初始階段，導熱是主要的傳熱方式，石蠟的低導熱系數導致不同距離測點溫度差越來越大，出現第一個波峰，當溫度接近凝固點時，測點之間溫差保持穩定，溫度均勻性增大；在相變時間段內，溫差趨向穩定，這意味著在整個水平面上，溫度幾乎恒定；約200 min，相變完成顯熱傳熱導致測點間溫差再次增大，出現第二個波峰，之后隨著相變材料和流體交換熱量的逐漸減少，溫度波動趨于平緩，直到放熱完成。由于泡沫金屬銅的導熱系數遠大于純石蠟，測點間熱量傳遞較快，所以復合相變材料區測點溫度均勻性較高，其中方案一溫度波動范圍相對方案二和方案三較小，約為方案二的33%、方案三的50%、純石蠟區的10%。

圖5 復合相變材料與純石蠟在冷卻盤管外圈的放熱溫度變化對比Fig.5 Comparison of the exothermic temperature changes of the composite PCM and pure paraffin in the outer ring of the cooling coil

2.3 三種方案性能參數對比

圖6(a)所示為不同方案中石蠟-泡沫金屬銅復合材料放熱速率的實驗結果，放熱速率的變化可分為三個階段，第一階段放熱速率呈下降趨勢，此時傳熱溫差較大，釋放的能量為顯熱；第二階段為相變界面形成時，開始穩定放熱，放熱速率保持穩定，但略有降低，主要原因是徑向的固液界面位置改變使熱阻逐漸增大；第三階段為顯熱主導階段，冷流體與相變材料溫度差異越來越小，放熱速率下降，最終趨于平緩。其中方案一隨時間的放熱速率稍快于其他兩種方案，表明其與冷流體換熱效果最佳。

由圖6(b)可知，在480 min內方案一的有效放熱量為3種方案中最高，比方案二高2.2%、比方案三高1.1%。3種方案放熱率均在65%以上，說明3種方案的布置效果較理想，方案一放熱效果最佳，分別比方案二、方案三高5.05%、2.01%。

圖6 3種方案優劣對比Fig.6 Comparison of advantages and disadvantages of the three schemes

由文獻[16]可知，在近似模型條件下，全填充泡沫金屬銅的復合相變材料放熱效率約為80.33%，比方案一的放熱效率高5.63%，方案一的布置方式在有效降低泡沫金屬銅成本的前提下，減少了放熱效率大幅度降低的風險；在一定程度上緩解了全填充泡沫金屬銅導致的石蠟的體積和釋能密度下降的問題，所以方案一為最理想泡沫金屬銅布置方案。

3 結論

本文將泡沫金屬銅與石蠟形成的復合相變材料放入圓柱體相變儲能裝置中進行放熱性能實驗，并設置了3種不同布置方案，研究并分析3種方案下放熱溫度響應、放熱速率、放熱效率等的變化規律。得到如下結論：

1)泡沫金屬銅的加入可以加快放熱進程，縮短石蠟凝固時間，方案一、方案三時間縮短5 min，方案二時間縮短4 min，有效增大了溫降速率。

2)復合相變材料能增大石蠟內部的溫度均勻性，有效改善在溫差峰值階段的溫度波動；內圈測點中復合材料區的溫度均勻性比純石蠟區約高80%，有效改善了熱量滯積現象，外圈測點中方案一的溫度波動為方案二、方案三的33%和50%，為純石蠟區溫度波動的10%。

3)3種布置方式中，方案一的放熱速率最快，有效放熱量比方案二多2.2%，比方案三多1.1%，放熱效率比方案二和方案三大5.05%和2.01%，是最優的泡沫金屬銅布置方案。

4)與相似模型的全填充泡沫金屬銅實驗相比，方案一的放熱效率僅降低了5.63%，在削減材料成本的基礎上，維持了約75%的良好換熱效率水平，為部分填充泡沫金屬銅的研究和應用提供了參考。