石蠟相變儲能模塊的控溫性能研究

晏騰飛，陳浩

石蠟相變儲能模塊的控溫性能研究

晏騰飛，陳浩

（中國船舶集團有限公司第七二四研究所，南京 211100）

為了控制電子設備工作溫度，研發一種相變儲能模塊，并研究其控溫性能。本文通過仿真對以32號石蠟、62號石蠟和質量分數為6%的膨脹石墨（EG）-62號石蠟為相變工質的儲能模塊進行研究，分析相變材料、翅片材料以及加熱功率對相變儲能模塊控溫性能的影響。32號石蠟在900 s時接近完全融化，62號石蠟在2 000 s時才融化過半，膨脹石墨-石蠟復合材料在1 250 s就已經接近完全融化，填充62號石蠟的Al翅片模塊的溫升速率為0.035 ℃/s，Cu翅片模塊的溫升速率為0.03 ℃/s，相比未填充相變材料的模塊溫升速率分別降低了73.1%和70%。具有不同物性參數的相變材料，在不同工況下其呈現的控溫性能也各不相同，但是在較高功率工況下，熔點較低或導熱系數較高的相變材料具有更好的控溫性能。儲能模塊內部導熱翅片對內部強化換熱效果明顯，翅片導熱系數越高，越有利于模塊的控溫。

石蠟；相變儲能；導熱系數；控溫

目前電子設備多采用風冷和液冷2種典型散熱方式，而強制風冷和液冷系統存在結構復雜、維護成本高、噪聲大等缺點，相變儲能技術通過材料的潛熱可以吸收、釋放大量熱量，具有控制溫度恒定、體積小、相變溫度選擇多等優點，因而在航空航天等領域可替代強制風冷和液冷系統對設備進行溫度控制。但是由于相變儲能材料導熱系數較低，需在傳統儲能材料中添加高導熱材料提高復合材料的熱導率，從而延長設備恒溫時間，強化儲能模塊的相變控溫性能。

目前，國內外學者對儲能模塊的相變控溫過程進行了研究。凌子夜等[1]實驗研究了2種相變溫度分別為59 ℃和85 ℃的有機物/膨脹石墨復合相變材料對模擬芯片的控溫性能，復合相變材料可以使模擬電子芯片的控制在100 ℃以下的時間延長38%～110%，在環境溫度高達70 ℃的條件下也能達到控溫需求。區炳顯等[2]將石墨烯改性相變大膠囊與聚氨酯發泡材料共混，制備石墨烯改性相變聚氨酯發泡材料，研究石墨烯的添加對其導熱系數和保溫性能的影響。魏琳浩[3]通過實驗研究了載熱流體為導熱油、相變材料為赤蘚糖醇的直接接觸式相變儲熱過程，建立了一維相變導熱模型計算研究固體相變材料熔化傳熱特性。鄧婷婷等[4]為研究膨脹石墨對石蠟熔化和凝固性能的影響，對膨脹石墨石蠟復合相變蓄熱材料的熔化和凝固過程進行了數值分析，并與純石蠟相變蓄熱材料的熔化和凝固過程進行了對比。陳俊旗等[5]建立了底邊加熱下相變材料熔化蓄熱的流-固-熱三場耦合計算模型，采用有機相變石蠟材料，開展底部恒定溫度下的石蠟熔化蓄熱試驗，驗證計算模型的正確性。相變儲能材料的熱物性也得到了研究，尤其針對石蠟導熱性能差的問題，許多學者對石蠟相變材料的強化傳熱方式進行了研究，如石墨/石蠟復合材料[6-9]、金屬泡沫/石蠟復合材料[10-12]、以石蠟為相變材料的熱流體[13-14]、碳基納米顆粒/石蠟復合材料[15-17]等。

本文對應用于驅動器控溫的儲能模塊進行研究，為提升相變工質的熱導率，選取32號石蠟、62號石蠟、質量分數為6%的膨脹石墨-62號石蠟作為相變工質。對具有不同相變工質的儲能模塊控溫性能進行比較，為相變儲能模塊的優化設計提供了參考。

1 儲能模塊物理模型

針對驅動器內部需控溫器件，設計相變儲能模塊結構示意圖如圖1所示，其尺寸為165 mm×130 mm× 85 mm。儲存相變材料的腔體尺寸較大，而相變儲能工質導熱系數較低，因而在腔體內部添加如圖1所示3 mm厚度翅片作為導熱骨架，從而將熱源處熱量更好地傳遞至相變工質。

為了計算的簡便性，對物理模型作以下假定：各材料的物性參數不隨溫度變化，視為常數；不考慮相變工質融化后液態工質的流動換熱。

2 理論模型

2.1 網格劃分

本文采用Fluent對相變儲能模塊進行傳熱分析，模擬中利用ICEM對圖1的模型進行了網格劃分，網格類型為四面體網格，劃分完的網格需要進行網格的節點分布，光滑性以及歪斜的角度等質量檢驗，通過后導入Fluent進行模擬計算。

網格數目越多，最終得到的計算結果越精確，較少的網格數目會使得計算過程中出現發散，而過多的網格數目會大大降低計算速度，需要大量的時間成本，同時對計算機內存也提出了很高的要求，綜上所述本文在進行網格獨立性檢驗后選取523 971個網格數目對模塊進行數值計算。

2.2 控制方程

本文模擬需采用凝固-融化模型對材料相變過程進行模擬，采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法以及動量和能量方程的二階迎風格式進行求解計算，能量殘差達到10?6，其余參數殘差達到10?3即認為計算收斂，模擬所涉及的模型控制方程如下：

1）連續性方程：

2）動量方程：

式中：為壓力；為動力黏度；為動量源項。

3）能量方程：

式中：為工質熱導率；h為能量源項；為內部能量；為質量平均溫度。

2.3 邊界條件

相變儲能模塊熱源面如圖2所示，P1～P8為熱源區域，儲能模塊其他區域均為絕熱邊界條件，模塊初始溫度為25 ℃，熱源處最高溫度不超過90 ℃。各區域熱源尺寸及熱耗如表1所示。儲能模塊殼體材料為Al，內部翅片材料為Al或Cu，其物性參數如表2所示。

圖2 儲能模塊熱源分布示意圖

表1 各區域熱源尺寸及熱耗參數

表2 翅片材料參數

Tab.2 Fin material parameters

本文選取32號石蠟、62號石蠟、質量分數為6%的EG-62號石蠟復合材料作為儲能模塊相變材料，不同材料熱物性如表3所示。

表3 不同相變材料物性參數

Tab.3 Parameters of different phase change materials

3 結果與分析

3.1 模塊相變過程分析

對相變儲能模塊內部工質相變過程進行瞬態模擬，圖3～5為100 W總熱耗下具有鋁翅片的儲能模塊內部工質相變過程。圖3為32號石蠟相變過程中的相分布云圖，由圖3可知，在50 s時石蠟已經開始發生相變，在900 s時石蠟接近完全融化狀態，950 s時石蠟已經完全融化。由圖3b可知，500 s時翅片附近的石蠟完全融化，然后熱量通過翅片附近的區域傳遞至內部區域。圖4為62號石蠟相變過程中的相分布云圖。由圖4可知，在750 s時石蠟開始發生相變，在2 000 s時熱源溫度超過90 ℃，石蠟還未完全融化。62號石蠟相變溫度點要遠高于32號石蠟，因而62號石蠟開始發生相變的時間遲于32號石蠟。圖5為質量分數為6%的EG-62號石蠟復合材料相變過程中的相分布云圖。由圖5可知，在700 s時石蠟已經開始發生相變，在1 250 s時石蠟接近完全融化狀態。與62號石蠟相比，復合材料熔點相同，但是導熱系數要更高，因而其開始發生相變的時間更早。而相比62號石蠟在2 000 s還未完全融化，復合材料在1 250 s就已經接近完全融化。這是因為在相同功率和時間下，復合材料具有更高的導熱系數，工質內部溫度梯度較小，熱量能夠更快傳遞至內部區域相變工質，使其發生相變。通過3種不同相變材料的對比可知，在相同時間內復合相變材料能夠吸收更多熱量，使得具有高導熱系數的復合相變材料控溫性能優于純石蠟材料。

圖6為200 W加熱功率下Al翅片模塊在達到90 ℃時內部相變材料的相分布云圖。由圖6a、b、c對比可知，32號石蠟融化最充分，這是因為其熔點遠低于另外2種相變材料，有更多時間將熱量傳遞至相變材料內部區域。圖6b表明62號石蠟在模塊達到90 ℃時才剛剛開始融化，原因在于其熔點較高且導熱系數較低，發生相變的時間短且較低的導熱系數不能有效傳遞熱量；質量分數為6%的EG-62號石蠟在模塊達到90 ℃時相變材料靠近熱源區域已經開始發生相變且比62號石蠟更充分，原因在于質量分數為6%的EG-62號石蠟雖然熔點同樣較高，但是其導熱系數要遠高于純石蠟，在較短的時間內熱量傳遞更高效。

圖3 32號石蠟融化過程

圖4 62號石蠟融化過程

圖5 質量分數為6%的EG-62號石蠟復合材料融化過程

圖6 模塊達到90 ℃時相變材料相分布云圖

3.2 模塊表面最高溫度分析

圖7為加熱功率100 W時具有鋁翅片的儲能模塊表面最高溫度隨時間變化曲線。當儲能模塊內部沒有相變工質時，其內部為空氣自然對流換熱，最高溫度迅速上升，溫升速率為0.15 ℃/s，在500 s即達到其最高耐受溫度90 ℃。儲能模塊內部填充相變工質后，其初期溫升速率較為接近，這是因為模塊初期主要還是依靠殼體本身傳熱，內部的工質導熱系數的不同造成的影響較小。隨著熱耗的持續輸入，模塊溫度升高，相變工質進一步吸收熱量，模塊溫升速率降低，可以看到復合材料模塊升溫曲線最先出現拐點，這是因為復合材料導熱系數高于純石蠟，熱量能夠更好地傳遞至更多區域，有效降低溫升速率。從曲線終端可以看到，復合材料模塊溫度最先達到90 ℃，這是因為復合材料的相變潛熱最低，相同時間內吸收熱量最少。

圖7 儲能模塊最高溫度變化

圖8為加熱功率為100 W時具有Al翅片和Cu翅片的儲能模塊最高溫度隨時間變化曲線。圖8中給出了2種儲能模塊在沒有相變材料和填充62號石蠟的工況下的溫度對比。當模塊達到90 ℃時，未填充相變材料的Al翅片模塊的溫升速率為0.13 ℃/s，Cu翅片模塊的溫升速率為0.1 ℃/s，填充62號石蠟的Al翅片模塊的溫升速率為0.035 ℃/s，Cu翅片模塊的溫升速率為0.03 ℃/s，相比未填充相變材料的模塊溫升速率分別降低了73.1%和70%。具有Cu翅片的模塊溫度在相同時間下總是低于具有Al翅片的模塊溫度，這是因為Cu翅片導熱性能更好，可以更快地將熱量傳遞至距離熱源較遠的區域。

圖8 不同材料翅片的儲能模塊最高溫度變化

3.3 模塊控溫時間分析

圖9為加熱功率為100 W時不同類型相變材料的儲能模塊控溫時間對比，控溫時間為熱源由25 ℃升溫至90 ℃所需時間。由圖9可知，具有Cu翅片儲能模塊的控溫性能要優于Al翅片儲能模塊的，原因在于Cu翅片導熱系數高于Al翅片，降低了熱源與相變材料之間的傳熱熱阻。由圖9可知，62號石蠟控溫性能最好，其次是32號石蠟。雖然32號石蠟相比62號石蠟具有較高的相變潛熱，但是62號石蠟具有更高的比熱容，在功率為100 W時比熱容增大對控溫性能的影響要高于相變潛熱的影響。

圖9 不同類型相變材料的儲能模塊控溫時間對比

圖10為填充不同相變材料的儲能模塊在不同加熱功率下的控溫時間。在100 W加熱功率下呈現的規律已經在上文中描述，隨著加熱功率的增大，32號石蠟呈現出最好的控溫性能，其次是復合材料模塊，最差的是未填充相變材料的模塊。這是因為32號石蠟熔點更低，在更大功率下32號石蠟能夠相比其他相變材料吸收更多熱量，因而能夠有效延緩模塊達到90 ℃的時間；而質量分數為6%的EG-62號石蠟雖然相變潛熱低于62號石蠟，但是其控溫性能卻優于62號石蠟。這是因為在更高功率下，熱源溫升速率增大，導熱系數更高的質量分數為6%的EG-62號石蠟能夠更快地傳遞熱量。此外，隨著功率的增大，不同儲能模塊的控溫時間趨于一致。

圖10 儲能模塊控溫時間隨功率變化

4 結語

本文主要分析了相變材料、翅片材料以及加熱功率對相變儲能模塊控溫性能的影響，得出以下結論：

1）儲能模塊內部導熱翅片對內部強化換熱效果明顯，翅片導熱系數越高，越有利于模塊的控溫。

2）具有不同物性參數的相變材料，在不同工況下其呈現的控溫性能也各不相同，但是在較高功率工況下，熔點較低或導熱系數較高的相變材料具有更好的控溫性能。

本文未考慮流動換熱影響，會抑制相變材料和模塊殼體及翅片的換熱，造成計算所得溫度偏高，控溫時間縮短，后續研究會在計算模型添加流動模型，考慮流動換熱的影響。

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Temperature Control Performance of Paraffin Phase Change Energy Storage Module

YAN Teng-fei, CHEN Hao

(724 Research Institute, CSSC, Nanjing 211100, China)

The work aims to develop a phase change energy storage module and study its temperature control performance, in order to control the operating temperature of electronic equipment. The energy storage module with No. 32 paraffin, No. 62 paraffin and 6% expanded graphite (EG) - No. 62 paraffin wax as the phase change working medium was studied by simulation, and the effect of phase change materials, fin materials and heating power on the temperature control performance of the phase change energy storage module was analyzed. No. 32 paraffin nearly melted at 900 s, No. 62 paraffin only melted half of the way at 2 000 s, and the expanded graphite-paraffin composite material nearly melted at 1 250 s. The temperature rise rate of Al fin module filled with No. 62 paraffin was 0.035 ℃/s, and that of Cu fin module was 0.03 ℃/s. Compared with unfilled PCM modules, the temperature rise rate was reduced by 73.1% and 70%, respectively. Phase change materials with different physical parameters have different temperature control performance under different working conditions, but at higher power, the phase change materials with lower melting point or higher thermal conductivity have better temperature control performance. The internal thermal conductivity framework of the energy storage module has obvious effect on internal enhanced heat transfer, and the higher the thermal conductivity of the framework, the more beneficial the temperature control of the module.

paraffin; phase change energy storage; thermal conductivity; temperature control

TK221

A

1001-3563(2023)21-0119-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.015

2023-08-25

責任編輯：曾鈺嬋