超重條件下泡沫石墨-石蠟相變傳熱實驗研究

張浩，王姣，馬挺，李馨怡，劉軍，王秋旺

（1 中國工程物理研究院應用電子學研究所，四川綿陽 621900；2 西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西西安 710049；3 中國工程物理研究院高能激光重點實驗室，四川綿陽 621900）

引言

隨著航空航天技術的發展，飛行器上搭載的脈動工作式大功率電子設備逐漸增多，一般情況下該類裝置對于溫度控制的精度要求較高，并且工作時散熱量大，但放熱時間較短。航天器自帶的散熱器可連續工作，但散熱功率較小，為了使這兩種設備協調工作，需要使用蓄冷器將脈動式大功率設備短時間內產生的熱量蓄積起來，通過航天器自帶散熱設備逐漸散發到宇宙空間。多孔介質強化傳熱的相變蓄冷技術利用相變材料潛熱實現能量的儲存和利用，是緩解能量供求雙方在時間、強度和地點上不匹配的有效方式，具有熱容量大、換熱效率高、控溫穩定等優點，在航空航天領域得到了廣泛的應用[1-3]。相變儲熱技術的核心在于相變材料[4-7]，固-液相變材料熱容量大且相變溫度較恒定，是理想的儲能材料。然而，相變材料（如石蠟等）普遍熱導率較小，導致蓄冷器吸熱和放熱過程中面臨熱阻較大且換熱效率低下等問題，削弱了蓄冷技術的優勢。針對上述問題，近些年來國際上發展了多種相變蓄熱裝置強化傳熱的方法[8-12]，其中以高導熱多孔介質材料復合相變蓄熱材料的設計應用最為廣泛[13-19]，通常在蓄冷器內放置泡沫金屬或多孔石墨等高熱導率的多孔材料骨架，強化蓄冷器內部的換熱過程并降低吸熱和放熱時界面溫度變化[20]。

以往研究表明，由于相變介質在固態和液態條件下存在一定的密度差，多孔介質孔隙內固相與骨架間的相對位置與重力密切相關[21]，同時在重力的作用下，蓄冷器內將發生較為明顯的自然對流。目前尚未見超重條件下多孔介質強化傳熱的固-液相變換熱特性相關的報道。在常重力條件下，Zhang等[22]基于泡沫銅復合石蠟相變蓄冷器，研究獲得石蠟熔化過程中固-液相界面變化特征。Zhang等[23]基于泡沫鋁復合石蠟相變蓄冷器，研究得到石蠟熔化過程固-液相界面黏糊狀區特征，熱流方向上界面換熱速率不同。陳振乾等[24-25]進行了泡沫鋁復合石蠟相變蓄冷器實驗研究，由于泡沫鋁的強化傳熱作用，固-液相變界面遷移特征相比純石蠟相變蓄冷器內遷移特征要更加均勻，同時基于LBM 計算方法獲得了孔隙尺寸下多孔介質內相變材料熔化特性。屈治國等[26-27]基于泡沫銅復合石蠟相變蓄冷器研究得到，當重力方向與熱流方向垂直時，固-液相變過程出現了明顯的自然循環對流渦旋，沿熱流方向的相界面及溫度分布并不均勻。Mancin 等[28]、Wang 等[29]通過泡沫銅復合石蠟相變蓄冷器實驗研究得到泡沫銅強化傳熱特性，相變換熱過程中固-液相變交界面呈現出較為均勻的相界面遷移特征。羅小兵等[30]通過實驗對比研究了鋁翅片和泡沫銅對石蠟的儲熱性能和儲熱密度的綜合影響，獲得了金屬材料增強的石蠟儲熱性能。楊勇平等[31]基于石蠟材料熱物性分析，通過泡沫金屬強化的石蠟相變換熱過程可視化實驗，對比分析了純相變材料以及泡沫金屬強化的復合相變材料自然對流換熱及相界面特征。孫清[32]開展了固液相變蓄能與熱控裝置中相變傳熱機理研究，采用焓-多孔介質方法建立了考慮自然對流過程的冰蓄冷模型，研究揭示了自然對流對蓄冰傳熱過程的影響機理。張艷勇等[33]開展了基于孔隙尺度的多孔骨架對固液相變的影響機理研究，系統分析了無量綱Rayleigh 數、Prandtl 數、Stefan 數對方腔內填充多孔介質骨架固液相變融化傳熱的影響規律。王關皓等[34]利用膨脹石墨和納米顆粒來強化相變儲熱系統的傳熱性能，研究了不同孔隙率以及不同熱導率的強化傳熱材料對蓄熱階段相變材料熔融速率的影響。

針對超重條件下多孔介質強化傳熱的相變蓄冷換熱性能及特性研究，本文設計搭建了離心大過載條件下固-液相變換熱實驗平臺，研究了超重條件下多孔介質內固-液相變換熱特征，為航空航天條件下相變蓄冷器設計與有效應用提供技術參考。

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗材料

實驗選用商用石蠟（十六烷，純度大于99%）作為相變材料，基于美國TA公司生產的DSC Q2000差式掃描量熱儀進行物性測量，測量結果如圖1所示。強化傳熱骨架選用高導熱泡沫石墨，采用T3Ster 熱瞬態分析儀測量得到其各向異性熱導率。物性參數由生產廠家提供，詳見表1。

圖1 十六烷DSC測量曲線Fig.1 DSC measurement of hexadecane

表1 實驗材料物性參數Table 1 Physical properties of materials

1.2 實驗裝置

圖2 為相變蓄冷實驗模塊結構，整塊泡沫石墨（100 mm×100 mm×40 mm）被封裝于不銹鋼殼體內，除換熱面與泡沫石墨界面通過高導熱焊料焊接可忽略熱阻外，泡沫石墨與其周圍殼體內壁面間均保持1 mm間隙以防止漏熱，同時熱流方向與泡沫石墨較高熱導率方向（X）同向；通過真空加注方式實現石蠟充注，殼體一側采用加熱片加熱方式實現儲熱過程，另一側采用TEC 復合風冷翅片實現相變蓄冷。通過加熱與制冷配合，可實現相變蓄冷單元初溫穩定控制。為了監測離心加載情況下相變蓄冷器內換熱特性，分別在相變蓄冷器內及換熱面布置熱電偶探頭，熱電偶探頭精度為Ⅰ級，經檢定后0～100℃范圍內測量誤差為±0.2℃。探頭通過高導熱焊料封裝在測量孔內以減小熱阻，監測蓄冷器內部及換熱面溫度變化，熱電偶在側壁穿孔處采用密封塞密封。

圖2 離心機搭載的相變蓄冷換熱實驗裝置Fig.2 Experimental apparatus on centrifuge

圖3 為離心機搭載的相變蓄冷換熱實驗裝置。主體結構包括相變蓄冷實驗模塊、數據采集模塊及傳感器等,通過同一底板固定后搭載于離心機懸臂，通過底板與離心機懸臂孔位可實現任意90°旋轉固定安裝。供電及采集通訊裝置置于離心機外總控間，根據電源種類及采集傳輸信號類型分組后，離心機搭載設備與總控間設備通過離心機集流環實現供電及信號傳遞。相變蓄冷實驗模塊采用橡樹棉進行保溫，同時在裝置迎風方向增加了防風罩，避免旋轉過程中由于風冷產生系統漏熱。

圖3 相變蓄冷實驗模塊結構Fig.3 Structure of phase change energy storage unit

1.3 實驗流程

待離心機轉速即加速度恒定后，通過控制熱負載及制冷片功率實現相變蓄熱器初始溫度均勻分布狀態（低于相變材料相變起始溫度點，本文中起始溫度約15℃）。針對相變儲熱實驗，使用定功率可調電源實現恒熱流加熱邊界條件（換熱面功率密度3 W/cm2），實驗時間150 s，實現泡沫石墨內石蠟固-液熔化相變蓄熱實驗過程。儲能實驗結束后，采用翅片強化風冷的熱電制冷片實現泡沫石墨-石蠟相變蓄冷單元蓄冷狀態恢復。保持相同熱負載及環境條件，開展不同離心加速度（2g、6g、10g，其中g為常重力加速度值）及加速度與熱流夾角方向條件（0°、90°、180°）下重復實驗，實驗過程中通過預先布置的熱敏探頭測得換熱面及蓄冷器內溫度分布，獲得不同加速度矢量條件下多孔泡沫石墨復合石蠟相變蓄冷換熱特征。相變蓄冷實驗模塊中截面測溫點布局及熱流-加速度實驗方向關系如圖4所示，實驗模塊放置于離心機懸臂固定半徑位置處，熱流方向始終垂直于重力方向即熱流方向均處于水平面內，離心機提供的離心加速度方向始終沿著離心機轉軸向外。因此，通過水平旋轉相變蓄冷實驗模塊方向，可實現熱流與離心加速度夾角調整，當實驗裝置靠離心機轉軸近端為熱負載、外圈為制冷片時，熱流方向與離心加速度方向為同向關系（離心加速度矢量方向沿著點1 至點2 方向），以此類推可實現熱流方向與離心加速度方向為垂直（離心加速度矢量方向沿著點3 至點1 方向）和反向（離心加速度矢量方向沿著點2至點1方向）關系。

圖4 熱流-加速度方向夾角與中截面測溫點布局Fig.4 Directional relation between heat flux and acceleration with distribution of temperature measurements

2 實驗結果

2.1 加速度大小對換熱面冷卻的影響

圖5為不同加速度大小下相變蓄冷過程換熱面溫升曲線。可知在不同加速度條件下，換熱面總體溫升曲線趨勢基本一致，加熱至20 s左右，由于蓄冷材料相變潛熱儲能作用，加上相變材料融化過程中較為穩定的相變溫度，換熱面溫升曲線在該時刻附近存在明顯的拐點，換熱面溫升速率相比加熱初期顯著變緩。考慮到結構體壁面傳熱熱阻及加熱片與結構體以及結構體與復合相變材料間的接觸熱阻，換熱面溫升曲線拐點處溫度與石蠟相變材料相變溫度間存在約3℃溫差，并且換熱面溫度隨著加熱進程緩慢上升。恒定加載150 s內，換熱面溫升不超過15℃，能夠較好地實現廢熱吸收與換熱面低速率溫升控制。

如圖5（a）所示，當加速度方向與熱流方向同向時，換熱面冷卻效率隨著加速度增大而逐步下降，10g加速度下換熱面溫度相比2g加速度下高1～1.4℃，此方向下加速度提升對于換熱面冷卻效率不利，分析認為該夾角方向下，蓄冷器內自然循環對流換熱進程難以建立，同時可能存在著一定的相變蓄冷材料脫離換熱面，界面處增加了一定的傳熱熱阻。如圖5（b）所示，當加速度方向與熱流方向反向時，不同加速度對應的換熱面冷卻效率差別較小，但隨加速度增大存在微弱的上升趨勢，10g加速度下換熱面溫度相比于2g加速度下降低0.2～0.6℃，此方向下加速度增大對于換熱面冷卻效率具有一定的促進作用，分析認為該夾角方向下，蓄冷器內建立了較為穩定的自然循環對流換熱機制，強化了蓄冷器內相變換熱能力。如圖5（c）所示，當加速度方向與熱流方向垂直時，不同加速度對應的換熱面冷卻效率差別較小，但不同加速度下換熱面溫升速率隨加載時間逐步增大，10g加速度下換熱面溫度相比2g加速度下高0.4～0.7℃，分析認為該溫升與蓄冷器內固-液相變換熱不均勻性相關。

圖5 不同加速度下換熱面溫升曲線Fig.5 Temperature curves of the heating surface under different accelerating magnitude

2.2 加速度方向對換熱面冷卻的影響

圖6 為2g、6g及10g加速度對應的不同加速度方向下換熱面溫升曲線。由于相變蓄冷潛熱儲熱效應，不同加速度方向調節下換熱面總體溫升趨勢存在較為一致的緩升趨勢，加速度-熱流同向條件下換熱面溫升曲線拐點溫度相對較高，但隨著換熱進程發展，其溫度曲線上升斜率相比其余兩種工況要小。通過對比可知，加速度方向對于相變蓄冷換熱面溫升控制影響顯著。在150 s 換熱實驗進程中，加速度-熱流反向加載條件下的換熱面冷卻效率最佳，加速度-熱流垂直加載條件下次之，分析認為該現象與相變蓄冷器內液相相變材料局部自然循環對流換熱過程有關；同時，在換熱時間為120～130 s時，同向加載與垂直加載兩種方向條件下的換熱面溫升曲線間存在一定的交叉，分析認為與相變蓄冷器內換熱不均勻性乃至換熱面-相變材料界面脫離相關。同時，隨著加速度逐步提升及換熱進程發展，不同加速度與熱流夾角方向條件下對應的換熱面溫度差異也逐步擴大，在10g加速度條件下，不同加載方向對應的同一時刻換熱面溫差最大可達2℃。

圖6 不同加速度方向下換熱面溫升曲線Fig.6 Temperature curves of the heating surface under different accelerating direction

2.3 相變蓄冷器內傳熱特性分析

針對不同加速度矢量下相變蓄冷器內溫度分布均勻性，選取在熱流方向上對稱且靠近換熱面的兩個溫度測點（點1、點3,具體位置見圖4）分析相變蓄冷器內傳熱特性，能夠快速、全面反映蓄冷器儲熱過程中單相吸熱、相變換熱、全相變后溫升等各階段下蓄冷器內溫度分布及變化趨勢，不同加速度條件下對應相變蓄冷器內監測點溫度變化趨勢如圖7 所示。由圖可知，當加速度方向與熱流方向為同向或反向關系時，垂直于熱流方向的相變蓄冷器內測點溫度較為一致，兩監測點間溫差絕對值在0.8℃以內。而在加速度方向垂直于熱流方向時，隨著加速度逐步增大（尤其在6g及10g加速度下）及換熱進程發展，相變蓄冷器內測點溫度分布不均勻性逐步擴大，靠近離心機轉軸監測點（點3）溫度顯著高于加速度方向下游監測點（點1）溫度，10g加速度條件下相變蓄冷器內溫差最大可達6℃。分析認為，當加速度方向與熱流方向垂直時，相變蓄冷器內固-液混合蓄冷工質由于密度差作用，將在蓄冷器內產生自然循環對流現象，導致蓄冷器內溫度分布沿加速度方向呈現不均勻性；同時，通過點3監測點溫升曲線可知，該部位相變蓄冷復合材料經歷了“固相顯熱儲熱-固液相變潛熱儲熱-液相顯熱儲熱”三個階段換熱進程。

圖7 相變蓄冷器內溫升曲線Fig.7 Temperature curves of the phase change energy storage unit

3 結論

本文針對超重條件下泡沫石墨-石蠟相變換熱特性，設計搭建了離心機搭載的相變蓄冷換熱實驗研究裝置，開展了不同超重條件下的多孔介質強化的相變傳熱性能實驗研究，獲得的主要結論如下。

（1）采用多孔石墨強化傳熱的石墨-石蠟相變蓄冷器具有較高的傳熱性能，可明顯減緩換熱面溫升速率，同時在其相變蓄冷量范圍內可將界面溫度控制在較低溫升范圍內。

（2）加速度方向對于整體換熱性能影響顯著，加速度方向與熱流方向反向或垂直時，有利于相變蓄冷器內液相儲能工質局部循環自然對流，促進相變蓄冷換熱過程，而加速度方向與熱流方向同向時換熱效率降低。

（3）隨著加速度逐步提升，加速度與熱流夾角方向為同向和垂直條件下對應的換熱面溫度差異擴大較為顯著，加速度與熱流夾角方向為反向條件下溫度差異變化較小。

（4）當加速度方向與熱流方向垂直時，由于加速度驅動的非均勻自然循環對流作用，將導致相變蓄冷器內溫度沿加速度方向存在不均勻性分布，并且該溫度分布差異將隨著加速度增大與換熱過程逐步擴大。

基于上述實驗研究成果，加深了不同加速度矢量對于高導熱多孔介質強化的相變蓄冷換熱特性影響規律認識。未來還將針對不同加速度矢量下換熱效率及相界面形態開展可視化研究分析，為航空航天環境下脈動式工作熱負載的高效熱管理奠定技術基礎。