相變材料傳熱強化的研究綜述

賈燾　侯景鑫

摘 要：相變材料在蓄能技術中的應用展現了良好前景，但目前的部分有機相變材料存在著導熱系數低的問題。本文對近年來國內外針對相變材料的傳熱強化技術進行歸納分析，強化傳熱技術主要包括蓄能結構的優化、添加導熱填料等強化方法，并探討了未來相變材料強化傳熱的研究方向重點，認為相變材料的傳熱性能強化對提高整個蓄能系統的能效具有重要意義。

關鍵詞：相變材料；強化傳熱；導熱系數；蓄熱技術

0 引言

當今世界的能源的大量消耗，引起全球對節能減排的關注。蓄能技術的研究和應用，已經成為開發新能源、提高能源利用率的關鍵技術，在風能、太陽能利用、工業余熱廢熱的回收利用、空調節能等領域具有廣闊的應用前景[1]。

熱能是目前最為重要的能源之一，蓄熱方式主要有三種：顯熱蓄熱、化學反應蓄熱、潛熱蓄熱3種[2]。顯熱蓄熱利用溫度升降來蓄熱，但蓄熱密度小體積大且蓄熱溫度難以控制；化學反應蓄熱利用化學反應的發生熱蓄熱，其技術復雜；潛熱蓄熱是通過相變材料相變時發生的吸熱（放熱）過程來儲熱（放熱），其蓄熱和放熱過程近似等溫，蓄熱密度大且體積小[3]。因此潛熱蓄熱方式容易控制運行，具有重要的實際應用價值。

潛熱蓄熱方式采用的相變材料（PCM - Phase Change Material）是指隨溫度變化而相變并能提供潛熱的物質，在物理狀態轉變時，相變材料將吸收或釋放大量的潛熱，其過程溫度近乎恒定且具有蓄熱密度高、蓄熱結構體積小等優點[4]。這些優點使得相變材料在太陽能利用和余熱回收等方面都有十分廣闊的應用空間。但部分有機相變材料存在著導熱率偏低的缺點，該不足導致蓄熱系統傳熱性能較差，使系統的效率不高。因此國內外都開始針對相變材料導熱率低的問題進行了深入的研究。

1 蓄能結構優化

1.1 肋片

在蓄能系統中增加肋片，金屬肋片能夠增加額外的傳熱面積，增加流體熱傳導，是一種有效的強化傳熱的方法。肋片一般為導熱系數高的銅、鋁等金屬。

Bugaje[5]對20種低導熱率的相變材料做了添加20%星狀鋁制肋片的研究實驗，研究表明，鋁制肋片增強傳熱效果明顯，其蓄熱時間減少2倍以上，放熱時間減少4倍以上。Agyenim等[6]針對環肋、直肋、無肋等三種管式相變材料蓄熱器進行研究對比，其數據結果表明增加肋片后能很好的強化傳熱。胡凌霄等[7]提出了能在圓管內部使用的肋片，利用Fluent軟件進行數值模擬，通過模擬計算得出采用這種肋片可以使相變材料融化時間大大縮小，極大的加快相變材料的融化，傳熱的強化效果明顯。Liu 等[8]針對以硬脂酸為相變材料的蓄熱結構進行了熔融過程特性及其肋片的導熱性能的研究，該研究中對于置于管螺旋形肋片對強化傳熱影響表明，采用肋片后能夠使其導熱系數增加60%以上，肋片的使用對于蓄熱結構的傳熱性能具有顯著的影響。此外，研究數據說明肋片的尺寸和肋片間距對于傳熱效果有重要影響。趙朝義等[9]基于微重力利用焓法建立帶肋片的相變材料容器相變傳熱的微分方程，利用集中參數法建立熱邊界層，用有限差分法進行數值求解，其計算結果顯示，肋片間距變化比肋片厚度變化對系統傳熱性能影響更大一些。Parsazadeh， M等[10]研究為克服石蠟的低導熱率，采用多尺度傳熱增強技術，在傳熱流體管的外表面上散布圓形肋片，并分散高導熱性納米顆粒（Al2O3）在殼側的相變材料中，該研究應用CFD模擬在幾種參數工況的相變材料融化，模擬數值結果表明加入納米顆粒的肋片為35度的中等角度時，對傳熱的強化效果最為顯著。

肋管型蓄相變蓄能結構的傳熱強化研究相對成熟，在管外增加肋片可以增加傳熱面積，大大提高了相變蓄熱系統傳熱性能。近年來針對肋片的具體的大小、厚度、形狀和間距等方面對于相變蓄熱系統的傳熱效果影響的研究也更為深入，肋片這些方面也對傳熱強化均有不同程度的影響。當使用加肋片法來強化傳熱時，需要綜合考慮增加肋片后各方面對傳熱效果的影響，選擇合適肋片使蓄熱系統的傳熱效率最優。

1.2 膠囊封裝

相變材料膠囊是一種含有相變材料的微小容器，是利用薄膜材料將固相或液相的相變材料封裝形成密封膠囊，其中被包裹的相變材料為囊芯，包裹的薄膜材料為囊壁。相變材料膠囊粒徑小且囊壁薄，能夠增加傳熱面積，對相變蓄熱系統的傳熱強化有顯著效果。

近年來，有很多對于相變材料膠囊制備方法的研究，主要的有有原位聚合法、界面聚合法和乳液聚合法等[11]。熊偉等[12]采用原位聚合法制得了以石蠟作為囊芯，脲醛樹脂作為囊壁，平均粒徑為309μm的相變材料膠囊，相變潛熱可達74.28 J/g，研究表明，原位聚合法所制得的相變材料膠囊有良好的傳熱性能。Mohammad等[13]通過界面聚合法制備以硬脂酸丁酯為囊芯，三聚氰胺-甲醛樹脂為囊壁的相變材料微膠囊，SEM圖顯示為球形，大小約為2μm，其DSC分析結果顯示制得的微膠囊材料的蓄能效率約為40%且相變材料融化時間明顯減少。尚建麗等[14]在現有技術上改進界面聚合法，利用多次界面聚合法制備以石蠟為囊芯，聚脲和聚氨酯為囊壁的單層和雙層囊壁兩種微膠囊相變材料，兩種微膠囊相變材料中雙層囊壁的相變材料的相變過程更加充分，密封性和熱穩定性更好。單曉輝等[15]采用乳液聚合法以正十八烷為囊芯，苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物為囊壁，其熱處理實驗獲得相變熱焓137.5J/g，粒徑6μm左右的微膠囊相變材料，蓄熱性能好，可實際應用。

對相變材料膠囊封裝，可以有效增大傳熱面積，增強相變材料的密封性能，有利于相變材料的強化傳熱。利用微膠囊技術制得相變材料膠囊的蓄熱性和熱穩定性能良好，良好的密封性能可以有效防止相變材料泄露和腐蝕。微膠囊封裝技術在實際中的應用還有許多不足，由于微膠囊的粒徑小，也可能會出現過冷，耐熱性下降[16]。相變材料微膠囊的囊壁大多采用有機聚合物，囊壁的導熱系數較低，會對影響蓄熱系統的傳熱效率。故需要研究采用導熱系數較高的膠囊壁材料進行膠囊封裝，以提高相變材料膠囊整體的傳熱效率。

2 添加導熱材料

2.1 添加金屬顆粒

添加金屬顆粒來提高相變材料的導熱性能是一種常用方法，金屬顆粒的導熱率明顯高于一般材料，添加金屬顆粒可以明顯改善相變蓄熱系統的熱效率。

Khan等[17]研究添加不同種類金屬對于相變材料固化結冰過程的傳熱性能的影響，研究發現金屬顆粒與相變材料的導熱系數的比值是影響固化結冰效率的決定性因素。Hisham等[18]研究通過置于相變材料內的金屬顆粒來增強傳熱，研究實驗通過添加至相變材料中金屬顆粒的直徑和數量來進行，結果以相變材料的努塞爾數和熔解傅立葉數的變化表示。實驗結果表明分析顯示熱負荷隨金屬顆粒直徑和數量變化而變化，結果表明傅立葉下降了三倍和類似的努塞爾數增加了三倍，添加體積比2%的金屬顆粒后相變材料的有效熱導率大幅增加。Eman等[19]研究在以石蠟為相變材料的蓄熱系統中添加鋁粉末來提高傳熱性能。添加粒徑為 80 μm，質量分數為 0.5%的鋁粉末。結果顯示，添加鋁粉末后，蓄熱時間縮短了近 60%，表明添加鋁粉后大大的提高傳熱效率。

金屬顆粒具有良好的導熱性能，并且在相變材料中添加金屬顆粒技術難度較小，研究表明，添加金屬顆粒的相變材料明溝有效的提高相變材料的傳熱系數。但有部分金屬會出現與相變材料的不相容，這會影響整個蓄熱系統的傳熱性能。

2.2 添加碳纖維

碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度的新型纖維材料，具有耐腐蝕性，良好的導熱性能，熱膨脹系數小且具有各向異性，因此添加碳纖維能夠提高相變材料的蓄熱性能。

Li等[20]通過研究添加碳纖維的復合相變材料傳熱速率，該復合相變材料由碳纖維和正二十二烷制備，使用差示掃描量熱法（DSC）測試其熱性能分析，分析結果表明隨著碳纖維混合量的增加，蓄熱和放熱速率也增加，說明添加碳纖維能夠顯著提高相變材料的傳熱速率。Frusteri等[21]研究了在無機相變材料中添加碳纖維，將不同長度的碳纖維任意添加至相變材料中，并用熱線法測量其導熱系數。在寬范圍的碳載量（高達10wt%）中發現碳載量和熱導率增加之間的線性關系，當使用長度為0.2 mm的碳纖維、碳載量約為 7wt%時，導熱系數最佳。王大偉等[22]研究以石蠟為相變材料，膨脹石墨為載體，碳纖維為強化傳熱介質制備的碳纖維/石蠟/膨脹石墨復合相變材料，SEM圖顯示制備的膨脹石墨具有較大的孔隙裂縫及大量的網狀孔型結構，具有良好的吸附性能，DSC分析得出在石蠟/膨脹石墨復合相變材料中添加高導熱系數的碳纖維，能顯著提高復合相變材料的蓄熱、放熱速度，極大地縮短了蓄熱和放熱時間。

添加高導熱系數的碳纖維能夠明顯的改善相變材料的傳熱性能，對其研究重難點主要是針對不同相變材料如何找到添加最合適的體積分數，使得添加碳纖維后相變材料處于最佳的蓄熱性能。

2.3 添加納米粒子

納米粒子可以顯著的增強基體的導熱系數，由于添加的納米粒子導熱系數遠比基體大，納米粒子的加入改變了基體的結構，顯著增強了混合物內部能量的傳遞過程，使得相變材料的導熱系數增大[23]。

紀珺等[24]研制了以水作為基液，添加納米粒子及分散劑的復合相變材料（水+0.7%納米TiO2+1.0%十二烷基苯磺酸鈉），其導熱系數測試結果顯示，水基納米TiO2復合相變材料導熱系數相比于純水提高了62.7%，達到0.9745 W/（m·K）。鄭文娟[25]對石蠟/銅納米粒子復合相變材料儲熱性能的研究，研究測試結果顯示，復合相變材料導熱系數隨納米銅含量的增加先增大后減小，當納米銅粒子的體積分數達到1%時，其相變材料的導熱系數最大為0.277 W/（m·K）。J.L.Zeng等[26]研究制備了有機相變材料/銀納米粒子復合材料，研究銀納米粒子對相變材料的導熱系數的影響，通過熱導率，紅外光譜，X射線衍射，透射電子顯微鏡，差示掃描量熱儀和熱重分析等手段對其進行了表征，結果表明隨著Ag納米粒子負載量的增加，復合材料的導熱系數增大，且具有良好的熱穩定性。

添加納米粒子能夠有效強化相變材料的傳熱性能，實驗研究測得隨納米粒子增加，會減小復合相變材料的相變潛熱，且過高的納米粒子含量會產生聚集現象，會對復合相變材料的蓄熱性能產生負面影響。在以后的研究中需要針對不同相變材料采取不同種類的納米粒子進行實驗測試，以獲得蓄熱性能最優的納米粒子復合相變材料。

2.4 添加泡沫金屬

泡沫金屬是一種具有多孔結構的新型材料，同樣也具有金屬的良好導熱性能。以泡沫金屬為載體，將相變材料置于泡沫金屬的多孔結構中組成復合相變材料，在密度和潛熱的變化都不大，導熱系數提升很大[27]。

彭冬華等[28]對泡沫鋁石蠟復合相變材料的融化傳熱過程進行了數值分析，有泡沫鋁的石蠟完成相變過程速度要比純石蠟快的多，其數值模擬結果顯示添加泡沫金屬后復合相變材料能夠顯著的提高其蓄熱性能。SONG等[29]用泡沫金屬為基制備的復合相變材料，通過實踐獲得溫度曲線分析傳熱性能，實驗結果表明，泡沫金屬基體可以改善相變蓄熱材料的溫度均勻性，增強導熱能力，復合相變材料的導熱性能顯著提高。曹向茹[30]對填充泡沫金屬的相變蓄熱單元管熱性能研究，采用孔隙率為95%的多孔泡沫鎳來研究對單元管內氟鹽相變材料的強化傳熱的影響。使用FLUENT軟件對泡沫金屬相變材料蓄熱系統與純相變材料系統進行對比分析，通過數值分析比較，采用泡沫金屬對相變蓄熱系統有明顯傳熱強化作用。

添加泡沫金屬能夠強化相變材料傳熱性能，在采用添加泡沫金屬時，需要選擇合適的孔隙率，保證能夠強化相變材料的導熱率。但目前對于泡沫金屬對強化傳熱的影響都為單因素研究，泡沫金屬由于本身結構的特殊性，泡沫金屬的種類、孔隙率、厚度等各方面性質對相變材料的強化傳熱也會產生不同程度影響，還需對此進行更為深入的研究

3 結語

綜合上述研究結果，對相變材料強化傳熱技術總結為改善蓄熱結構和添加導熱材料兩大類，近年來針對相變材料傳熱強化的研究越來越多，傳熱強化的技術也越來越成熟。但在上述各種傳熱強化技術仍有很多方面需要深入研究。

上述多數研究中針對相變材料強化傳熱只采取了單一的強化傳熱技術，而上述研究中采用復合強化傳熱技術的研究結果顯示，復合強化傳熱的相變材料蓄熱性能明顯優于采用單一強化傳熱技術的相變材料，能夠更好的解決相變材料導熱率低的問題。

因此，認為復合強化傳熱技術會將成為未來相變材料強化傳熱的研究重點，通過將以上強化傳熱技術的復合應用將會給相變蓄能系統帶來更好的傳熱效果，其研究發展具有重要的實際應用意義。

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作者簡介：

賈燾（1996- ），男，浙江金華人，本科生，建筑環境與能源應用工程。

基金項目：嘉興學院重點SRT資助項目。