基于通孔泡沫銅金屬材料增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的研究

基于通孔泡沫銅金屬材料增強(qiáng)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的研究

0復(fù)合石蠟材料的實驗研究由于高儲熱密度、性能穩(wěn)定、接近加熱，pcm廣泛應(yīng)用于蓄熱應(yīng)用和建筑節(jié)能領(lǐng)域。PCM最大的缺點是導(dǎo)熱系數(shù)低,從而導(dǎo)致了相變蓄熱系統(tǒng)的熱響應(yīng)較慢。大部分的有機(jī)PCM的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15~0.30W/(m·K),無機(jī)PCM的導(dǎo)熱系數(shù)為0.4~0.7W/(m·K)。Eman等人通過在石蠟中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁粉,對整體式太陽能集熱蓄熱器的性能進(jìn)行實驗研究,在鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5時,石蠟最大熔化時間比純石蠟時減小了40%。Mesalhy等人對泡沫鋁材料不同孔隙率和孔徑對潛熱蓄熱系統(tǒng)傳熱的影響進(jìn)行了實驗研究,表明孔隙率和孔徑影響自然對流效果,但是不能只選擇較大的孔隙率,因為這會導(dǎo)致導(dǎo)熱性能減弱。因此,在這兩者之間應(yīng)該選擇一個最優(yōu)值。崔海婷等人通過數(shù)值模擬研究了填充高孔隙率泡沫鋁后對石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的影響,結(jié)果表明加入泡沫鋁能使溫度分布均勻,縮短相變時間,提高儲熱效率。劉曉丹等人通過實驗和模擬對泡沫金屬矩形通道中氣體的對流換熱進(jìn)行了研究,結(jié)果表明泡沫金屬的換熱強(qiáng)度和氣體的流動阻力均隨孔徑的減小而增大;氣體流速的增加有利于強(qiáng)化換熱。綜上所述,很多學(xué)者對增強(qiáng)PCM導(dǎo)熱系數(shù)的方法做過很多研究,但是對于換熱流體(HTF)為水的管殼式相變蓄熱器形式內(nèi)添加泡沫材料增強(qiáng)換熱方法的實驗研究還有待深化。本文通過搭建內(nèi)通水外充PCM的管殼式相變蓄熱器實驗臺,使用泡沫銅金屬材料作為增強(qiáng)PCM導(dǎo)熱系數(shù)的方法,研究了泡沫銅的加入對PCM熔化過程的影響。1實驗系統(tǒng)及設(shè)備建立了一個單管殼管式相變蓄熱實驗系統(tǒng)來研究添加泡沫銅材料前后系統(tǒng)PCM的熔化過程,實驗裝置主要由恒溫水箱、循環(huán)水泵、渦輪流量計、蓄熱器及換熱銅管、數(shù)據(jù)采集儀與電腦,以及管道閥門附件組成。圖1為本實驗的系統(tǒng)圖。蓄熱器結(jié)構(gòu)和熱電偶布置如圖2所示。換熱銅管內(nèi)通水,水流方向為從底部流向頂部。銅管外填充PCM或PCM/泡沫銅的復(fù)合相變材料,構(gòu)成一個殼管式相變換熱器的形式。溫度測溫元件采用經(jīng)過標(biāo)定的銅-康銅熱電偶,換熱銅管分別在進(jìn)出口處和蓄熱器內(nèi)部共布置4個熱電偶;蓄熱器橫截面共布置4組熱電偶,每個橫截面由4個等間距為13mm的熱電偶組成,用于測量PCM徑向和軸向的溫度變化,橫截面從下到上編號為橫截面1、2、3、4。2實驗過程2.1升溫/降溫速率實驗選用由兩種脂肪酸組成的低共熔相變材料,質(zhì)量百分比為十六酸(60%)、十八酸(40%)。物性參數(shù)見表1。使用美國TA公司的綜合熱分析儀Q100對其進(jìn)行DSC測試,得出相變材料的相變溫度和相變潛熱。測試試樣質(zhì)量為3.63mg,升溫/降溫速率為10℃/min。DSC測試分析表明,所選脂肪酸低共熔物是一種性能優(yōu)異的相變材料,無過冷現(xiàn)象,相變溫度低于其兩種組成成分脂肪酸的相變溫度,相變潛熱仍然保持較大值,具有較好的應(yīng)用前景。根據(jù)ISO11357—3:1999規(guī)定和GulserenBaran等人的研究,PCM相變溫度為DSC曲線外推起始溫度,即外推基線與對應(yīng)于轉(zhuǎn)變開始的曲線最大斜率處所作切線的交點所對應(yīng)的溫度,相變潛熱為峰值與基線之間所圍的面積。而反應(yīng)結(jié)束點溫度,目前在熱分析工作者間尚未取得一致的認(rèn)識。根據(jù)分析,熔化過程的相變溫度為54.98℃,相變潛熱為167.2J/g;凝固過程的相變溫度為52.72℃,峰值溫度為50.59℃,相變潛熱為166.6J/g。DSC測試結(jié)果如圖3所示。2.2穩(wěn)定劑pcm與泡沫銅復(fù)合相變材料的制備為了研究本蓄熱器內(nèi)添加泡沫銅對脂肪酸熔化/凝固過程的影響,首先對純蓄熱器內(nèi)填充純PCM的熔化過程進(jìn)行了實驗研究,建立PCM初始溫度場為20℃,HTF溫度為80℃,流量為0.4m3/h,PCM填充量為3kg。恒溫水通過換熱銅管與PCM換熱,當(dāng)所有溫度測點溫度都高于相變溫度時,認(rèn)為完成了熔化過程。針對PCM導(dǎo)熱系數(shù)低,PCM熔化過程緩慢的缺點,在PCM中添加孔隙率為96.3%、孔徑為30PPI的圓環(huán)狀通孔泡沫銅材料,在整個蓄熱器內(nèi)制備PCM/泡沫銅復(fù)合相變材料。對PCM/泡沫銅復(fù)合相變材料的蓄熱器建立起與純PCM相同的初始溫度場,各溫度測點初始溫度為20℃,在相同HTF溫度和流量下進(jìn)行熔化實驗,將兩個工況下的實驗結(jié)果進(jìn)行比較。3結(jié)果3.1加熱過程中加熱對各測點溫度上升的影響圖4~7表示的是純PCM熔化過程橫截面溫度分布。從圖中可以看出,各橫截面PCM溫度分布趨勢都是一致的,同一橫截面處離換熱銅管越近的測點溫度越高,且溫度遠(yuǎn)高于同一軸向上其余測點處溫度,最先開始相變過程,相變界面都從換熱銅管外壁面向蓄熱器內(nèi)壁面移動。以橫截面2為例,在實驗未開始之前,5~8測點處溫度均處于初始溫度場,為20℃左右。隨著高溫?fù)Q熱水通過換熱銅管,各測點溫度上升速率較快,表現(xiàn)為一條較陡的曲線,并且溫度變化率為TC5>TC6>TC7>TC8。這是因為在加熱初始階段,由于HTF與PCM之間的較大溫差驅(qū)動力造成各測點溫度上升速率較大,升溫曲線較傾斜。隨著時間的進(jìn)行,TC5在257min時最先達(dá)到相變溫度,而且測點5處溫度與測點6處溫差較大,達(dá)到10.15℃,遠(yuǎn)高于其余相鄰測點之間的溫差(分別為4.3℃和2.8℃)。這是因為5處此時達(dá)到相變溫度,需要吸收大量的相變潛熱來發(fā)生熔化過程,使得傳到其余測點處的熱量很少,再者由于PCM導(dǎo)熱系數(shù)較小,使得PCM中熱堆積現(xiàn)象比較明顯,因此,5處溫度比其余測點處溫度高,各相鄰測點間溫差相差很大。對比圖4~7可知,1~4截面所有測點達(dá)到相變溫度所需時間分別為712min、505min、343min、174min。各截面達(dá)到此溫度的順序是從蓄熱器頂部到底部依次完成。這是由于熔化的液態(tài)PCM溫度升高,密度減小,由此產(chǎn)生浮升力效果,在上部產(chǎn)生自然對流作用,強(qiáng)化了上部液態(tài)PCM與固態(tài)PCM之間的傳熱,使得橫截面熔化完全的順序依次向下。這與Sari等人得出的結(jié)果是一致的。3.2u3000利用泡沫金屬的加入,最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益所需時間蓄熱器各橫截面PCM溫度隨時間的變化趨勢如圖8~11所示。實驗表明,各橫截面PCM溫度分布趨勢都是一致的,同一橫截面處離換熱銅管越近的測點溫度越高,最先開始相變過程,相變界面都從換熱銅管外壁面向蓄熱器內(nèi)壁面移動。以橫截面2為例,在實驗未開始之前,5~8測點處溫度均處于初始溫度場,為20℃左右。隨著高溫?fù)Q熱水通過換熱銅管,各測點溫度上升速率較快,表現(xiàn)為一條較陡的曲線,并且溫度變化率為TC5>TC6>TC7>TC8。這是因為在加熱初始階段,由于HTF與PCM之間的較大溫差驅(qū)動力造成各測點溫度上升速率較大,升溫曲線較傾斜。隨著時間的進(jìn)行,5測點在41min時最先達(dá)到相變溫度。與純PCM熔化過程不同的是,同一截面處各測點之間溫度差距減小,各相鄰兩測點之間的溫差在此時分別為3.1℃、3℃、1.6℃。這是因為泡沫金屬的加入提高了PCM的導(dǎo)熱系數(shù),加快了PCM之間的傳熱,減緩了熱堆積現(xiàn)象的發(fā)生。對比圖8~11可知,1~4截面所有測點達(dá)到相變溫度所需時間分別為162min、161min、160min、109min,各截面達(dá)到此溫度的順序是從蓄熱器頂部到底部依次完成,相比純PCM實驗,各截面達(dá)到此溫度所需要的時間得到了很大程度的縮短,這是泡沫銅材料的高導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化傳熱所產(chǎn)生的結(jié)果。但是除了截面4外,其余截面達(dá)到相變溫度所需時間相差很小。這是由于泡沫金屬材料的加入,一方面提高了PCM的導(dǎo)熱系數(shù),內(nèi)部PCM傳熱速率增大,蓄熱器內(nèi)各處PCM溫差減小,所需時間滯后性減弱;另一方面,熔化的液態(tài)PCM由于產(chǎn)生浮升力效果,在上部產(chǎn)生自然對流作用,強(qiáng)化了上部液態(tài)PCM與固態(tài)PCM之間的傳熱,所以,熔化順序還是從頂部到底部依次完成。但是由于泡沫銅孔隙率為96.3%,平均孔徑為1mm左右,根據(jù)劉偉等人研究結(jié)果表明,多孔材料也從一定程度上限制了液態(tài)PCM的自然對流作用,對顆粒直徑不超過4~6mm的多孔介質(zhì),在Gr·Pr<103時,其空隙中流體的自然對流換熱貢獻(xiàn)作用比較微弱,此時系統(tǒng)內(nèi)部傳熱既有導(dǎo)熱作用,也有自然對流作用,但是不再是以自然對流為主,而是以熱傳導(dǎo)為主的換熱過程,因此,雖然熔化順序是從頂部到底部依次完成,但是各截面所需時間差距減小。3.3復(fù)配體系添加實驗以各個測點作為比較位置,以測點達(dá)到PCM相變溫度所需要的時間作為比較對象。以測點4和12為例,圖12、13表示的是這兩個測點處,純PCM與PCM/泡沫銅復(fù)合相變材料溫度隨時間的變化關(guān)系比較。從圖中可以看出,測點4處純PCM溫度達(dá)到PCM相變溫度需要的時間為712min,而PCM/泡沫銅復(fù)合相變材料溫度達(dá)到此溫度需要的時間僅為160min,所需時間后者僅為前者的22.5%。測點12處純PCM溫度達(dá)到PCM相變溫度需要的時間為343min,而PCM/泡沫銅復(fù)合相變材料溫度達(dá)到此溫度需要的時間僅為160min,所需時間后者為前者的46.6%。因為在兩種工況下,測點4都是最后達(dá)到相變溫度,最晚完成相變過程的,所以,如果以測點4達(dá)到相變溫度得時間作為整個蓄熱器內(nèi)PCM達(dá)到相變溫度的總時間,那么對于實驗用蓄熱器,在HTF溫度為80℃,流量為0.4m3/h的實驗工況下,由于泡沫銅材料的加入,整個蓄熱器內(nèi)PCM達(dá)到此溫度所需的時間為純PCM熔化實驗的22.5%。圖14表示的是兩種工況下測點1~20處溫度達(dá)到相變溫度所需時間的對比。從圖中可以看出,添加泡沫銅材料后,由于增大了PCM的導(dǎo)熱系數(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的換熱性能,各個測點PCM達(dá)到相變溫度的時間得到了不同程度的減少。并且加入泡沫銅前后兩種工況下,下層截面各測點達(dá)到相變溫度所需時間差距更大,時間減少的相對比例更大。這是因為在純PCM實驗時,蓄熱器內(nèi)液態(tài)PCM與固態(tài)PCM之間的自然對流換熱作用效果明顯,上下截面之間各測點達(dá)到相變溫度所需時間相差較大,而加入泡沫銅后系統(tǒng)主要以導(dǎo)熱為主,自然對流作用不再占主導(dǎo)地位,各截面相同徑向位置處的測點PCM達(dá)到相變溫度所需時間基本相同,因此,對于下層截面達(dá)到相變溫度所需時間的相對減少量更大。4復(fù)合材料在pcm體系中的應(yīng)用本文通過選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比為十六酸(60%)和十八酸(40%)的二元低共熔混合物作為相變蓄熱系統(tǒng)的蓄熱介質(zhì)。對其進(jìn)行DSC測試分析,并應(yīng)用于潛熱蓄熱系統(tǒng)中,建立管殼式相變蓄熱器實驗系統(tǒng),對純PCM蓄熱過程進(jìn)行實驗研究,并針對其導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點,通過在PCM中添加泡沫銅金屬材料增強(qiáng)換熱,對兩種工況熔化過程進(jìn)行實驗研究與對比,得出以下結(jié)論:(1)DSC測試分析表明,所選脂肪酸低共熔相變材料是一種性能優(yōu)異的相變材料,無過冷現(xiàn)象,相變溫度低于其兩種組成成分脂肪酸,相