不同傾角下通孔金屬泡沫強化蓄熱實驗研究

郭增旭,白青松,楊肖虎,劉艷華,金立文

(西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院,710049,西安)

隨著我國經濟和社會的發(fā)展,能源和環(huán)境問題日趨嚴重,在尋找替代能源的同時,提高現有能源利用率變得越來越重要。我國主要工業(yè)產品平均單位能耗高于國際水平30%左右,除了相對落后的生產技術、不合理的產業(yè)結構等因素外,較低的工業(yè)廢熱回收率是導致能耗高的主要原因。中國能源利用率僅約為33%,低于發(fā)達國家10%左右,約50%的工業(yè)余熱被直接丟棄[1-3]。余熱回收率有很大提升空間,節(jié)能潛力巨大。

儲熱技術利用儲熱材料的特性,將熱量存儲起來,可有效地利用余熱及廢熱,解決了用戶在供熱時間與空間不匹配的問題。與顯熱存儲相比,潛熱存儲具有熱容量大、溫度變化范圍小、體積小等優(yōu)點。利用相變材料通過固液相變儲能回收工業(yè)余熱是當下非常重要的余熱利用方式[4-5]。但是,工業(yè)用相變材料(如石蠟類和熔融鹽類)導熱系數很低,一般在0.2 W·m-1·K-1左右[6-7],這極大地限制了儲熱/釋熱效率。

金屬泡沫作為一種新型強化換熱材料,多由高導熱材料如鋁、銅制成,其特有的網狀金屬骨架結構使其具有孔隙率高(0.85～0.99)、相對密度小(質量不到相同體積實體金屬材料的1/10)、比表面積大(1 000～3 000 m2/m3)等結構優(yōu)勢[8-11]。金屬泡沫的多孔特點可以實現相變材料內嵌,以利用其豐富的擴展表面強化固液相變傳熱。

國內外針對通孔金屬泡沫內嵌相變材料強化固液相變傳熱開展了一系列基礎研究,取得了重要進展,主要體現在金屬泡沫/相變復合材料有效導熱系數提升及固液相變傳熱特性研究兩方面。在導熱方面,楊肖虎等為了研究高孔隙率通孔金屬泡沫中的熱傳導特性及預測有效導熱系數,發(fā)展了一種新的全解析有效導熱系數模型,并驗證了高孔隙率下該模型預測值與實驗測量值和文獻數據吻合良好[12]。Zhang等搭建了相變傳熱實驗臺來研究石蠟內嵌泡沫銅的復合相變材料的相變傳熱特性,發(fā)現在傳熱過程中石蠟與金屬骨架之間存在局部熱不平衡現象,導致兩者之間存在較大溫差,實驗結果與基于雙能量方程的數值模擬結果吻合良好[13]。Xiao等采用真空浸入法制備了石蠟/鎳泡沫和石蠟/銅泡沫復合相變材料(PCMS),用瞬態(tài)平面熱源技術(TPS)和穩(wěn)態(tài)法測量了復合相變材料的導熱系數,分析了其傳熱行為,發(fā)現與純石蠟相比,PCMS的導熱性能提高[14]。Chen等在孔隙尺度上對泡沫金屬中相變材料(PCM)的熔融行為進行了實驗研究,利用紅外顯微鏡和光學顯微鏡分別研究了PCM在孔隙尺度下的溫度場和熔化演化過程,發(fā)現在PCM熔化過程中,金屬結構對傳熱的影響是顯著的[15]。

在固液相變傳熱特性方面,李達志等以石蠟作為相變蓄熱材料搭建了蓄熱器熱性能實驗臺,對填充和未填充泡沫銅的蓄熱容器進行了相變蓄熱實驗,結果表明泡沫銅的添加不僅使蓄熱器內溫度分布均勻,而且大大縮短了蓄熱所需時間[16]。姚元鵬等針對方腔蓄熱單元,通過數值分析研究恒熱流邊界條件下泡沫銅強化石蠟相變蓄熱特性,發(fā)現石蠟相變速率受孔密度影響較小,但隨著孔密度增加(孔徑減小),自然對流受到明顯抑制,蓄熱區(qū)傳熱溫差增大[17]。Tian等解決了金屬泡沫-相變材料復合結構的相變區(qū)和液相區(qū)的導熱及自然對流的耦合傳熱問題,發(fā)現盡管金屬泡沫抑制了自然對流,但當相變材料內嵌金屬泡沫時,其整體傳熱性能得到改善,這意味著熱傳導的增強補償或超過了自然對流損失[18]。Yang等通過實驗與數值模擬對比發(fā)現,單溫度模型適用于金屬泡沫內嵌相變材料的凝固過程[19]。

文獻調研發(fā)現,以往針對通孔金屬泡沫內嵌相變材料強化固液相變的研究都是在給定角度下進行的,截至目前未發(fā)現有相變換熱裝置傾角對通孔金屬泡沫強化相變蓄熱的研究工作。為此,本文針對不同傾角下金屬泡沫強化相變傳熱的過程進行實驗研究,采用石蠟作為相變工質,搭建了相界面可視化實驗臺,對其蓄熱過程中相界面的遷移進行觀察及記錄,探索了不同傾角及自然對流對石蠟相變蓄熱過程影響的特性規(guī)律。

1 實驗裝置

1.1 實驗試件

本文采用線切割將銅泡沫加工成尺寸為68 mm×68 mm×28 mm的實驗試件。經測量,銅泡沫的孔徑為2.54 mm、孔隙率為0.96。為了便于更換銅泡沫試件并使其與加熱基板緊密接觸,采用導熱膠(導熱系數為25 W·m-1·K-1)作為粘接劑,將厚度為2 mm且大小與銅泡沫試件一致的銅片與銅泡沫粘在一起。本實驗采用真空熔融灌蠟的方式,讓液體石蠟(熔點為47～60 ℃,導熱系數為0.2 W·m-1·K-1)在真空度為94 Pa的環(huán)境下填充,以確保完全填滿泡沫金屬內部空隙。待石蠟冷卻凝固后切除多余部分,內嵌石蠟的銅泡沫如圖1所示。

1.2 實驗系統(tǒng)

為了研究不同傾角及自然對流對石蠟熔化過程的影響,本文搭建了一套可視化相變換熱實驗系統(tǒng),主要由轉角裝置、恒溫水箱、相變換熱裝置、高清相機和數據采集器等組成,如圖2所示。恒溫水箱采用蒸餾水作為加熱工質,考慮到石蠟熔點以及實驗時長,本實驗采用恒溫水箱為石蠟熔化提供70 ℃的恒定壁溫。如圖3所示,轉角裝置由底板和支架組成,白色邊界表示恒溫加熱壁面,其他壁面均可視為絕熱壁面。相變換熱裝置安裝時由萬能角度尺(精度為0.02°)確定角度,并由螺栓固定在轉角裝置的支架上,以確保實驗過程中相變換熱裝置的穩(wěn)定性。本實驗分別研究了傾角θ為0°、30°、60°、90°時相變材料的蓄熱過程。

圖2 實驗裝置示意圖

圖3 轉角裝置示意圖

相變換熱裝置安裝在轉角裝置上,主要包括微通道換熱板、有機玻璃框。微通道換熱板表面布有3根T型熱電偶,用于采集換熱板壁面溫度;有機玻璃框粘接在微通道換熱板上,其間安裝實驗試件。為了減少熱量損失,本實驗采取以下措施:微通道換熱板內嵌在導熱系數為0.02 W·m-1·K-1的聚氨酯泡沫中;實驗試件與微通道換熱板間隙填充導熱系數為25 W·m-1·K-1的導熱膠以減小界面接觸熱阻;將厚度為20 mm的有機玻璃框安裝在實驗試件外,并在其外側包裹一層導熱系數為0.02 W·m-1·K-1的保溫棉。

實驗過程中測量保溫棉外表面溫度和室內空氣溫度,通過傅里葉熱傳導方程估算通過保溫棉的局部熱量損失。經測量計算估計,通過有機玻璃框、聚氨酯泡沫及保溫棉3層隔熱層的熱量損失為不足相變蓄熱量的0.5%。通過高清照相機記錄石蠟熔化過程相界面的實時位置,以展示瞬態(tài)相變過程。

1.3 實驗過程

首先打開閥門V1,關閉閥門V2、V3,開啟恒溫水浴箱加熱功能,設定溫度為70 ℃;待恒溫水浴溫度達到設定值并保持穩(wěn)定后,打開閥門V2、V3,關閉閥門V1,使高溫熱媒流經換熱板內微通道,以此為實驗試件提供70 ℃加熱壁溫。與此同時,開啟數據采集器進行溫度采集,設定采集時間間隔為30 s,并拍攝第一張實驗照片;此后每隔3 min拍攝一次照片,直至石蠟完全熔化。實驗過程中每隔3 min記錄一次環(huán)境溫度以及保溫棉外表面溫度。

2 結果討論

2.1 蓄熱過程壁面溫度變化

圖4給出了熔化過程中換熱板表面溫度Tw的變化情況。由圖可知:實驗開始時70 ℃的熱媒流經換熱板內微通道,換熱板表面與高溫熱媒溫差高達52 ℃,所以其表面溫度由初始的環(huán)境溫度急劇升高,迅速接近熱媒溫度70 ℃;隨著換熱板表面溫度不斷升高,兩者之間溫差不斷減小,在270 s時溫度穩(wěn)定于70 ℃附近。實驗過程中換熱板表面溫度保持在70 ℃,滿足恒壁溫的實驗要求。

圖4 微通道換熱板表面溫度隨時間的變化

2.2 不同轉角對純石蠟蓄熱過程的影響

圖5展示了石蠟在蓄熱過程中實時相界面位置,黑色部分表示已經熔化的石蠟,白色部分表示未熔化的石蠟。由圖可知,在傾角為30°、60°、90°時,純石蠟在蓄熱過程中相界面都出現了不同程度的傾斜彎曲,上部石蠟明顯比下部石蠟熔化快,間接說明了液相區(qū)域中自然對流對相界面推移的促進作用。液相區(qū)靠近加熱壁面處液體溫度較高且向上運動,而靠近相界面處溫度相對較低的液體則向下運動,形成局部渦流;靠近上部的流體溫度較高,在自然對流的作用下,液相區(qū)上部區(qū)域熔化較快,最終使得相界面發(fā)生傾斜,呈現如圖5所示的狀態(tài)。

t=720 st=2 880 s圖5 不同傾角下純石蠟熔化的相界面

仔細觀察可以發(fā)現,在傾角為0°時,相界面基本水平,但是呈現出鋸齒狀,這也說明自然對流形成的多個局部渦流對相界面推移的促進作用。在自然對流的作用下,渦流上部溫度較高,石蠟熔化速度較快,渦流兩側液體溫度較低,石蠟熔化較慢,所以呈現出鋸齒狀的相界面。從水平角度上看,各個渦流強度基本一致,所以相界面整體平行推進。從圖5中還可以看出,隨著時間的增加,相界面鋸齒的數量在減少,與之相對應的是鋸齒在變大,這說明液體石蠟區(qū)小渦流逐漸合并成大渦流。

圖6給出了不同傾角下純石蠟在蓄熱過程中的熔化率fm(液態(tài)石蠟體積占總體積的比例)隨時間的變化過程。由圖可知,隨著θ逐漸減小,相變材料完全熔化的時間越來越短,0°傾角時石蠟熔化時間比30°、60°、90°傾角時分別減少14.77%、25%和34.16%。相同時間內傾角越小,熔化率越大,蓄熱過程所需時間越短,這說明更小的傾角可以使純石蠟蓄熱過程傳熱得到強化,大大減少蓄熱時間,提高蓄熱效率。

圖6 不同傾角下純石蠟的熔化率隨時間的變化

(a)θ=0°

由于自然對流強度不同導致的溫度差使流體產生密度差,由此形成的浮升力成為自然對流的驅動力。如圖7所示,當腔體傾角為90°時,水平溫差成為自然對流的驅動力,此時加熱壁面附近的液體石蠟受熱向上運動,而固體石蠟區(qū)附近的液體石蠟溫度較低向下運動,由此形成渦流。這導致液相石蠟區(qū)上部溫度較高,下部溫度相對較低,進而形成了傾斜的相界面。當腔體傾角為0°時,垂直溫差成為自然對流的驅動力,與90°時不同,此時液體區(qū)石蠟向上運動的路徑更短,高溫液體石蠟到達固體石蠟邊界后向下運動,從而形成多個局部渦流,導致相界面呈現出鋸齒狀。這也說明了0°傾角時液體區(qū)自然對流強度更大,對石蠟熔化的促進作用更明顯,而腔體傾角為30°和60°時的情況則介于0°和90°之間,因此純石蠟在0°傾角時熔化速度最快。

(b)θ=90°圖7 純石蠟熔化時自然對流示意圖

2.3 轉角對金屬泡沫結構內石蠟蓄熱過程的影響

圖8給出了金屬泡沫中石蠟在蓄熱過程中的實時相界面。由圖可知,與純石蠟熔化呈現的相界面類似,在傾角為30°、60°、90°時蓄熱過程中相界面都出現不同程度的傾斜彎曲,上部石蠟明顯比下部石蠟熔化快,這也說明了自然對流在石蠟內嵌金屬泡沫蓄熱過程中的促進作用。在傾角為0°時,固液相界面基本水平,而且相界面貼近金屬骨架發(fā)展,靠近金屬骨架的石蠟比孔隙中的石蠟熔化快,也呈現出鋸齒狀的相界面。

圖8 不同傾角下金屬泡沫結構內石蠟熔化的相界面

圖9展示了不同傾角下金屬泡沫內的石蠟在蓄熱過程中的熔化率隨時間的變化過程。由圖可知,不同角度下石蠟完全熔化時間并沒有明顯區(qū)別,最大偏差為4.35%。當純石蠟熔化時,由于不同傾角下液體區(qū)自然對流的強度不同,所以傾角對純石蠟的熔化具有明顯的影響。然而,采用金屬泡沫內嵌石蠟復合結構進行實驗時,發(fā)現傾角對石蠟的熔化率并沒有明顯影響。這主要是因為:一方面,在該復合結構相變蓄熱過程中,熱量傳遞以金屬骨架的導熱為主,自然對流所占比重很低;另一方面,加入金屬泡沫以后,金屬骨架會對自然對流的發(fā)生產生阻礙作用,所以當自然對流的作用不再明顯時,傾角對金屬泡沫結構內的石蠟熔化率也就沒有影響了。此外,本實驗中所采用的金屬泡沫為高孔隙率(0.96)、大孔徑(2.54 mm),實驗發(fā)現傾角對于金屬泡沫內嵌復合材料的熔化規(guī)律沒有影響。若采用更低孔隙率、更小孔徑的金屬泡沫進行實驗,那么傾角對于復合相變材料的熔化將更加沒有影響。這說明,傾角對于金屬泡沫內嵌相變材料的熔化過程的影響可以忽略不計。

圖9 不同傾角下金屬泡沫結構內石蠟的熔化率隨時間的變化

3 結 論

本實驗以石蠟類相變材料作為研究對象,研究了純石蠟以及通孔銅泡沫中固體石蠟的熔化行為。結果表明:在傾斜(θ≠0°)狀態(tài)下固液相界面由于液體區(qū)域內自然對流的影響而呈現傾斜狀態(tài),而在水平(θ=0°)時固液相界面基本水平,石蠟水平熔化時呈現鋸齒狀相界面;不同傾角對純石蠟熔化過程具有很大影響,隨著傾角逐漸減小,相變材料完全熔化的時間越來越短,0°傾角(水平)時石蠟熔化時間比30°、60°、90°傾角時分別減少14.77%、25%和34.16%。然而,實驗發(fā)現傾角對石蠟內嵌金屬泡沫蓄熱過程的影響可以忽略不計。

相變材料的凝固過程同樣非常值得研究,將在今后的研究中深入討論整個蓄放熱過程的規(guī)律性問題。