泡沫金屬填充率對相變材料強化換熱的機理研究

朱孟帥 張 華 閆勤學 王子龍 宋瀚文 孫向昕

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093；2 南京汽輪電機(集團)有限責任公司 南京 210000)

相變蓄熱技術具有蓄熱密度高、相變潛熱高、相變狀態穩定等特點，在太陽能蓄熱發電系統、電子微通道換熱、建筑節能等領域得到廣泛應用。但由于傳統的相變材料導熱系數較低，嚴重影響了太陽能的利用效率。因此如何提高相變材料的蓄熱能力、減小其蓄熱時間成為當今國內外的研究熱點[1]。目前提高相變材料蓄熱性能的方法主要有增加肋片[2-3]、填加泡沫金屬[4-5]、納米顆粒[6-7]以及優化相變儲能裝置[8]等。

泡沫金屬具有密度小、比表面積大、導熱系數高等優點，是提高相變蓄熱材料導熱系數的重要途徑之一。Xiao X.等[9]研究了孔隙率為95%的泡沫金屬銅對復合相變材料有效熱導率的影響，證明了泡沫金屬的應用能夠提高復合相變材料的有效熱導率，有效熱導率從純石蠟的0.3 W/(m·K)提高至4.9 W/(m·K)，較低的孔隙率可極大地改善導熱性。Tian Y.等[10]研究了孔隙率為95%和85%、孔徑為30 PPI的泡沫金屬銅對復合相變材料傳熱系數的影響，相比于純PCM，泡沫金屬銅在固相區和兩相區分別使復合相變材料的傳熱系數提高5～20倍和3～10倍。A.Bhattacharya等[11]研究了填充泡沫金屬鋁對相變材料(水)的有效熱導率的影響，相比于純PCM，孔隙率為90.5%、孔徑為5 PPI的泡沫金屬鋁使復合相變材料的熱導率提高12.34倍。韋攀等[12]以熱管為研究對象，基于分析熱管外側(相變材料側)添加泡沫金屬的強化蓄熱機理，添加孔隙率為96.8%、孔密度為20 PPI的泡沫金屬熱管，其石蠟融化時間與光管相比，縮短了2.9倍。Hu Xusheng等[13]分析了低孔隙率泡沫金屬對相變材料熱物性的影響，孔隙率為67%的復合相變材料有效熱導率是石蠟的108倍，添加泡沫金屬能有效提高復合相變材料的導熱性能。張靖馳等[14]研究了相同功率下純正二十烷與添加泡沫碳的復合相變材料的蓄熱性能，與純正二十烷相比，孔隙率為84%的泡沫碳制成的復合相變材料釋熱時間縮短了約30%。

泡沫金屬主要影響的是相變材料蓄熱過程中的熱傳導強度與熱對流強度。Zhao Y.等[15]究了孔隙率為0.9、孔徑為10 PPI的泡沫金屬銅對固液相變化的影響機理，相變材料融化速率隨著瑞利數的增大而上升，當瑞利數小于1.04×105時，相變材料熱傳遞的主要機理為導熱；而當瑞利數大于1.04×106時，相變材料熱傳遞的主要機理為自然對流。Yao Yuanpeng等[16]析了孔隙率在0.929～0.974、孔徑為5～40 PPI的泡沫金屬銅與石蠟之間的間隙傳熱機理，得到了Re數對復合相變材料傳熱特性的影響機理，當Re<0.1，液態石蠟與泡沫金屬銅之間是以熱傳導為主；當0.1Re<1時，液態石蠟與泡沫金屬銅之間的傳熱方式為對流換熱。Zhang Zhuqian等[17]分析了不同孔隙率的泡沫銅對相變材料蓄熱能力與蓄熱速率的影響機理，與均勻孔隙率91.3%的泡沫金屬相比，孔隙率在85.9%～95.8%之間線性變化的泡沫金屬，其復合相變材料的融化時間縮短了63.4%、蓄熱速率提高了150%以上。

目前國內外學者對于泡沫金屬強化石蠟相變蓄熱機理的研究主要集中在孔隙率和孔密度對相變材料蓄熱融化過程的影響機理，而缺乏泡沫金屬填充率對石蠟相變蓄熱過程強化傳熱的機理研究。因此，本文搭建了一套可視化的實驗系統，制備了泡沫金屬銅復合石蠟相變蓄熱材料，研究了泡沫金屬銅填充率對石蠟融化過程中的固液相界面、溫度分布及蓄熱特性的影響，可為泡沫銅強化相變材料蓄熱特性的研究提供一定的參考。

1 實驗研究

1.1 實驗樣品

本文采用的泡沫金屬銅孔隙率為97.4%，孔徑為5 PPI，純石蠟作為相變材料(phase change material，PCM)，其相變點為75～90 ℃，熱導率為0.305 W/(m·K)，采用真空沉浸法制取石蠟與泡沫金屬的復合相變材料，如圖1所示。

圖1 泡沫金屬銅復合相變石蠟Fig.1 Copper metal foam composite paraffin wax

石蠟的熱物性由基于瞬變平面熱源技術(TPS)的熱常數分析儀(hotdisk_TPS2500S)和差示掃描量熱儀(DSC_200F3)測量獲得，純石蠟差示掃描量熱儀(DSC)曲線如圖2所示。純石蠟的熱物性參數為：密度837 kg/m3；導熱率0.305 W/(m·K)；固態比熱1 750 J/(kg·K)；液態比熱2 540 J/(kg·K)；相變起始點348 K；相變終止點365 K；相變潛熱218 400 J/kg。

圖2 石蠟的DSC熱流測量Fig.2 DSC heat flow measurements for paraffin wax

1.2 實驗裝置

為研究不同填充率的泡沫金屬銅對石蠟融化特性的影響，本文搭建了一套相變界面可視化的實驗裝置，如圖3所示，整個系統由加熱裝置、蓄熱裝置、數據采集裝置3部分組成。蓄熱裝置的主體為R25 mm×90 mm的鋁制半圓柱空腔，壁厚為2 mm，其中石蠟填充高度為60 mm。保溫材料為納米氣凝膠墊(厚度為3 mm，導熱系數為0.018 W/(m·K)和聚四氟乙烯(厚度為50 mm，導熱系數為0.24 W/(m·K)，不同填充率的泡沫金屬銅在蓄熱裝置中的填充位置如圖4所示。

圖3 可視化實驗系統Fig.3 Visualized experimental system

圖4 蓄熱裝置中不同填充率的復合相變材料Fig.4 Composite phase change material with different filling rate in heat storage device

加熱裝置為直流電源，確保硅橡膠加熱板72 W的輸出功率(熱流密度為5.2 kW·m2)。數據采集裝置主要由熱電阻、安捷倫采集儀、計算機、高清攝像機等構成。鉑電阻采用纏繞法纏繞在小木棒上，小木棒固定在整個蓄熱腔體中心，實驗裝置共布置四個鉑電阻，鉑電阻布置方式如圖5所示。

圖5 Pt100位置Fig.5 Position of Pt100

2 物理參數計算

2.1 蓄熱量計算

石蠟的相變潛熱蓄熱過程發在348～365 K內，在此溫度范圍內，石蠟發生相變，釋放潛熱，復合相變蓄熱材料蓄熱量計算式如下：

Q=Qla+Qse

(1)

Qla=cplmpcm△t+cpsmpcm△t+cpCumcu△t

(2)

Qse=mpcmr

(3)

式中：Q為相變材料石蠟的蓄熱量，J；下標se、la分別代表顯熱、潛熱；cps、cpl和cpCu分別為石蠟固相、液相和金屬銅的比熱容，J/(kg·K)；mpcm、mCu分別為石蠟和泡沫金屬銅的質量，kg；Δt為溫差，℃；r為石蠟相變潛熱，J/kg。

2.2 蓄熱速率計算

蓄熱速率為蓄熱裝置中石蠟完成相變潛熱蓄熱所吸收的熱量與時間之比，復合相變材料蓄熱速率計算式為：

(4)

式中：ν為蓄熱速率，J/s；Q為相變材料石蠟的蓄熱量，J；t為石蠟融化時間，s。

3 實驗結果與討論

3.1 固液相界面的演化

泡沫金屬銅對固液相界面變化的影響如圖6所示。由圖6可知，當泡沫金屬銅的填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時，石蠟融化時間隨著泡沫金屬銅填充率的增加而縮短，分別為901、870、831、791 s，比純石蠟(即泡沫金屬填充率為0時)分別縮短了3.44%、7.77%和12.21%，表明泡沫金屬銅有效縮短了石蠟的融化時間，且泡沫金屬銅的填充率越大，縮短石蠟融化時間的幅度越顯著。480 s之前不同填充率復合相變材料的融化過程相類似，均為底部和側部石蠟因為靠近加熱面而率先融化，隨著加熱過程的進行，液態石蠟在浮升力的作用下形成自然對流，并在上部形成局部對流換熱區域，加速石蠟的融化過程，導致固體石蠟呈錐形形狀(圖6(a～d)600 s)，隨著加熱時間的增加，局部對流換熱區域逐漸擴大。此外，分析圖6(a～d)(660 s)還可知，泡沫金屬銅有效增強了底部相變材料的導熱強度，并且對流換熱區域隨著泡沫金屬銅的增加而縮小，表明泡沫金屬銅的添加不僅增強了相變材料的導熱強度，還抑制了自然對流強度，且泡沫金屬銅填充率越大，對石蠟融化傳熱過程中自然對流傳熱抑制越顯著。當融化時間為780 s，填充率為2.13%的復合相變材料即將融化完畢，而填充率為0.43%的復合相變材料所剩余的固態石蠟最多，主要是因為其綜合傳熱系數較低，泡沫金屬銅對底部石蠟導熱強度的增幅要小于對自然對流強度的減幅，導致其融化速率最小。

圖6 泡沫金屬銅填充率對相變界面的影響Fig.6 Influence of filling ratio of foamed metal copper on phase change interface

3.2 溫度分布的變化

當測量點最低溫度為369 K時，泡沫金屬填充率對石蠟融化過程溫度場的影響如圖7所示。當泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時，蓄熱前期T1溫度始終高于其余測溫點，這是因為蓄熱裝置采用底部和側部加熱相結合的方式，T1靠近底部加熱面，增強了底部石蠟的導熱性能；當溫度上升至348 K時，石蠟進入潛熱蓄熱階段，T2、T3、T4溫升速率比T1溫升速率大，這是因為底部石蠟融化后，石蠟內部各點產生溫差，在重力作用下液相石蠟產生自然對流，使頂部溫度迅速上升；T4、T3溫升速率快于T2，這是因為在自然對流的作用下，其對流區域內石蠟溫度以較大幅度上升，而石蠟其余部分仍以導熱為主。此外，當泡沫金屬銅填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時，各實驗工況下測溫點最后達到369 K的時間分別為870、830、770、700 s，且石蠟融化結束時刻最高溫度分別為415.41、419.97、403.54、391.52 K，蓄熱裝置內部溫度梯度分別為46.41、50.97、34.54、22.52 K，表明泡沫金屬銅-石蠟復合蓄熱材料的溫度梯度隨泡沫金屬銅填充率的增大而先增加后減少，這主要是當復合蓄熱材料中泡沫銅填充率為0.43%時，泡沫金屬銅強化相變材料的導熱強度小于抑制的自然對流強度，其綜合換熱強度小于純石蠟的綜合換熱強度，因此導致蓄熱裝置內部溫度梯度先增加，而當泡沫銅填充率為1.28%和2.13%時，蓄熱裝置內部溫度梯度減少，這主要是其綜合換熱強度大于純石蠟的綜合換熱強度，且當泡沫銅填充率為2.13%時，石蠟內部溫度梯度最小，其內部溫度分布最均勻。

圖7 泡沫金屬銅填充率對石蠟溫度分布的影響Fig.7 The influence of foam copper filling rate on the temperature distribution of paraffin wax

3.3 蓄熱性能的變化

當測量點最低溫度為369 K時，泡沫金屬銅填充率對復合相變材料蓄熱量的影響如圖8所示，由圖8可知，當泡沫金屬銅的填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時，蓄熱裝置中蓄熱量隨泡沫金屬銅填充率的增加而減小，分別為15 932、15 220、14 279、13 296 J，比純石蠟分別減少了4.47%、10.38%和16.55%，泡沫金屬銅的添加降低了蓄熱裝置的蓄熱量，且泡沫金屬銅的填充率越大，蓄熱裝置內蓄熱量下降的越顯著，這主要是在復合相變蓄熱材料質量不變的前提下，相變蓄熱材料中添加泡沫金屬銅導致石蠟的占比降低，而銅的比熱容小于石蠟的比熱容，因此泡沫金屬銅的添加降低了蓄熱裝置的蓄熱量。此外，當泡沫金屬銅填充率為0、0.43%、1.28%、2.13%時，復合相變蓄熱材料的蓄熱速率隨泡沫金屬銅填充率的增加先減小后增大，分別為18.41、18.33、18.64、19.13 J/s，這主要是因為當填充率為0.43%時，其增大的導熱強度要弱于減小的自然對流強度，因而導致填充率為0.43%的泡沫金屬銅蓄熱速率小于純石蠟，而隨著泡沫金屬銅填充率的增大，泡沫金屬銅的添加強化了石蠟的導熱傳熱，石蠟內蓄熱速率也不斷增大，當泡沫金屬銅填充率為2.13%時其蓄熱速率最大。由圖8中蓄熱速率與蓄熱量隨泡沫金屬銅填充率變化的曲線可知，石蠟蓄熱過程中蓄熱速率與蓄熱量曲線相交于點A，蓄熱量為14 539 J、蓄熱速率為18.52 J/s、泡沫金屬銅填充率為0.99%。此外，隨著泡沫金屬銅填充率的增大，石蠟內部溫度梯度分別為46.41、50.97、34.54、22.52 K，這是因為泡沫金屬銅的添加使相變材料內部溫度更加均勻，相變蓄熱裝置的蓄熱性能隨泡沫金屬銅填充率的增大先衰弱后增強。綜上所述，當泡沫金屬銅填充率為0.99%時，整個蓄熱裝置的綜合蓄熱性能較好。

圖8 泡沫金屬填充率對復合相變材料蓄熱性能的影響Fig.8 Influence of foam metal filling rate on heat storage performance of composite phase change materials

4 結論

為研究復合相變蓄熱材料中泡沫金屬銅填充率對石蠟強化換熱機理，本文設計并搭建了可視化蓄熱實驗裝置，制備了不同填充率的復合相變蓄熱材料，實驗分析了蓄熱裝置中泡沫金屬銅填充率對石蠟內部固液相界面、溫度場、蓄熱性能的影響，得到如下結論：

1)通過填加泡沫金屬銅可以增強石蠟的熱傳導，泡沫金屬銅的填充率越大，傳熱效果越好，當泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時，石蠟的融化時間從901 s減少至791 s，縮短了12.21%。

2)石蠟-泡沫金屬銅復合蓄熱材料的溫度梯度隨著泡沫金屬銅填充率的增大先增大后減小，當泡沫金屬銅填充率為0.43%時，蓄熱裝置內溫度梯度最大，為50.97 K，當泡沫金屬銅填充率為2.13%時，蓄熱裝置內溫度溫度梯度最小，為22.52 K。

3)當泡沫金屬銅的填充率從0增至2.13%時，石蠟在融化傳熱過程中導熱強度逐漸增強，自然對流傳熱強度逐漸衰弱。

4)石蠟的蓄熱量隨著泡沫金屬銅填充率的增大而減少，蓄熱速率隨著泡沫金屬銅填充率的增加先降低后升高，并且當泡沫金屬銅填充率為0.99%時，整個蓄熱裝置的綜合蓄熱性能較好，蓄熱量為14 539 J、蓄熱速率為18.52 J/s。