金屬泡沫-翅片復合結構強化相變蓄熱的實驗研究

田偉, 梁曉光, 黨碩, 劉罡, 楊肖虎

(1.中聯西北工程設計研究院有限公司, 710061, 西安; 2.西安交通大學人居環境與建筑工程學院, 710049, 西安)

高水平的經濟發展與高能源投入是相伴而來的,隨著發展速度的增加對能源的需求也在日益增長。為了填補能源缺口,同時達成環保的戰略目標,改善現有能源結構、開發可再生能源、提高能源利用率的“開源節流”戰略刻不容緩。太陽能作為一種可再生的清潔能源,在1998至2018年內太陽能發電量增長顯著,在當今能源結構中發揮著越來越重要的作用[1]。然而,太陽能也存在著能量密度較低、具有時間上的間歇性和地域上的不均勻性,因此需要結合蓄能方式進行利用。目前,主要的熱蓄能方式分為顯熱蓄能、潛熱蓄能和化學反應蓄能3種[2-4],其中相變潛熱蓄能的綜合性能較為優秀。然而,工程所用相變材料(PCM)的導熱系數相對較低,儲能密度不高。因此,如何增強蓄熱能力,減少蓄熱所需時間是潛熱蓄熱領域研究的重點。目前,常采用的方法有變換蓄熱結構[5-10]、添加肋片[11-16]、采用相變膠囊材料[17-20]、充注多熔點相變材料[21]、添加納米材料[22-25]、添加多孔介質[26-29]等。

韋攀等設計了一種環形管殼式相變儲熱器,在0.15 m/s的流速、70 ℃的加熱條件下研究了添加銅泡沫對石蠟蓄熱特性的影響,發現要取得一致的蓄熱結果,純石蠟需要的時間是添加銅泡沫的2.9倍左右[10]。杜甜甜等在石蠟蓄熱熱風管中對比了正排排布、叉排排布和管外加入直肋3種工況,實驗表明在相同時間下,管外加入直肋的蓄熱器內石蠟熔化速率最快,證明了肋片的加入使得傳熱速率有著明顯的改善[16]。Al-Abidi等在三重管式熱交換器內通過加裝內肋和外肋的方式研究傳熱強化技術,通過模擬發現,肋片個數、長度、厚度、Ste數、換熱器幾何形狀都會影響PCM完全熔化時間[14]。陳華等在純石蠟中加入銅泡沫,通過實驗來探究復合相變材料在相變蓄熱系統中的放熱特性優劣,結果證明銅泡沫的加入使得PCM換熱量增加了16.9%,同時傳熱溫差減小,也提高了當量導熱系數[17]。張嘉杰等從不同加熱位置的角度對金屬泡沫強化石蠟熔化過程的影響方面,發現水平放置實驗裝置時頂部加熱條件下內部主要為純導熱,而底部加熱時自然對流會使得相界面移動速度更快,金屬泡沫會抑制自然對流作用[26]。Xu等則借助數值模擬的手段對不同幾何形狀和孔隙率的銅泡沫在熔化過程的速度和溫度分布進行了比較,發現在水平管殼式換熱器中,最佳的強化方式是在底部插入無縫排布的多孔介質塊,且在控制質量的前提下,較高的孔隙率可以更好地強化熱傳導區域,比無強化的條件提高5.1倍的熔化速度[27]。在金屬泡沫強化蓄冷方向上,白青松等設計了可視化實驗來研究各種通孔銅泡沫的參數對相變材料蓄冰過程的影響,結果證明孔密度對蓄冰過程幾乎無影響,而孔隙率的降低會使得凝固時間減少,同時自然對流是導致相界面傾斜的主要原因[28]。Yu等通過數值模擬的方法對帶有翅片的管殼蓄冷系統進行探究,發現金屬泡沫會增強徑向和周向的擴散速率,使得溫度分布更加均勻,而自然對流和金屬泡沫都可以起到加快相變材料凍結速度的作用[29]。

通過以上研究可知,對于相變蓄熱過程中的溫度變化一般只采用單方面的強化措施,缺乏對采用多種強化換熱措施的相變蓄熱過程的溫度變化細致測定和固液相界面變化的分析。因此,本文對豎直方腔型相變蓄熱裝置在70 ℃加熱壁溫下的蓄熱特性進行了可視化研究,采用固定高清相機拍攝相界面在熔化全過程中的實時位置變化,并在蓄熱裝置內布置熱電偶測點來記錄熔化過程中相變材料內的溫度變化。研究結果有望對翅片、金屬泡沫類強化相變蓄熱器的設計和運行提供參考。

1 實驗設計與研究

1.1 實驗對象

為了探究添加金屬泡沫與翅片對石蠟熔化過程的影響,共設計了3組實驗,分別是純石蠟組、添加銅泡沫組、添加翅片-銅泡沫組。

使用的銅泡沫具有94%孔隙率和10PPI孔密度,尺寸為68 mm×34 mm×30 mm的長方體。采用導熱銀膠粘于金屬底板上,并在底板上對稱布置有6根翅片,其作用為局部強化導熱,并與無翅片區域形成對比。翅片尺寸分別為內部6 mm×6 mm×30 mm,外部6 mm×3 mm×30 mm,翅片-銅泡沫試件如圖1所示。

(a)俯視圖

(b)主視圖圖1 翅片-銅泡沫試件照片Fig.1 Image of the fin-copper foam sample

銅泡沫試件上布置有6根T型熱電偶,位置如圖2所示。其中,在底部銅基板開設3條寬為2 mm、深為1 mm的金屬槽,內涂導熱銀膠并各埋入1根熱電偶,以增強銅泡沫與微通道換熱器之間的換熱并測定底板溫度。在金屬泡沫試件內部的中軸線方向布置3根等間隔的熱電偶。以上測點位置,以圖1中的點o為坐標原點,xyz方向為坐標方向。

在實驗中采用真空法灌注石蠟,使用保護膜封裝熱電偶防止石蠟粘連,將固體石蠟熔化后在真空環境下填充進金屬泡沫試件,待銅泡沫內部空隙填滿之后,完全冷卻并切除多余部分,清除保護膜后拿出。

為了獲得相變蓄熱器加熱面的精確溫度,在針翅-銅泡沫試件銅基板與平板換熱器之間布置3個熱電偶測點,如圖2a所示,P1、P2、P3三者左右間隔為8.5 mm。另外,在固液相變動態傳熱過程中,在針翅-銅泡沫試件中部(34 mm處)翅片表面和相變材料內布置3個熱電偶測點,以記錄不同位置的溫度響應。

表1 熱電偶測點位置

(a)銅基板測點位置

(b)試件內部測點位置圖2 翅片-銅泡沫試件熱電偶測點位置Fig.2 Measuring points for the fin-copper foam sample

1.2 實驗系統

為研究不同加熱溫度對石蠟熔化過程的影響規律,本文設計搭建了可視化相變換熱實驗系統,共有流體循環、實驗測試、數據采集3部分,如圖3所示。

(1)流體循環部分由恒溫水浴箱、塑料軟管、球閥組成。恒溫水浴箱采用去離子水作為加熱介質,實驗過程中提供70 ℃的熱源溫度進行恒溫加熱。

(2)實驗測試部分由方形相變蓄熱裝置、微通道換熱器組成。方形相變蓄熱裝置包括3組灌裝好石蠟的實驗組和有機玻璃殼。有機玻璃殼上部留有5 mm的膨脹空間。在試件和微通道換熱器之間涂上導熱硅脂,再使用熱熔膠將有機玻璃殼粘接在微通道換熱器上,以固定試件。金屬試件上布置的6根熱電偶用于采集溫度。

(3)數據采集部分由數據采集儀、高清相機、計算機、熱電偶等構成。熱電偶一端連接方形相變蓄熱裝置,另一端連接數據采集儀,采集儀將收集到的信號傳給電腦進行數據記錄處理,同時在有機玻璃殼一側使用固定高清相機拍照,記錄熔化過程中相界面變化。

實驗過程中需要盡可能地保持溫度恒定,同時減少熱量損失。因此,采用以下措施:對管道、閥門、有機玻璃殼外側均覆蓋保溫棉(熱導率k=0.02 W·m-1·K-1);在有機玻璃殼開口側加蓋同厚度的有機玻璃;在試件底部涂抹導熱硅脂(k=25 W·m-1·K-1),以降低傳熱熱阻;將微通道換熱器放入厚度為60 mm的聚氨酯泡沫內(k=0.02 W·m-1·K-1),以降低熱損失。

圖3 相變換熱實驗系統Fig.3 Experimental system of phase change heat transfer

1.3 實驗內容

在保持室溫為25 ℃的條件下,先關閉閥門2、3,打開閥門1使恒溫水浴箱處于內循環狀態,補充去離子水至工作水位,再啟動恒溫水浴箱,設定溫度為70 ℃。循環過程中,加熱達到設定溫度后,啟動數據采集儀與計算機,采集熱電偶傳輸的溫度信號,采集間隔為10 s,確認采集過程正常進行且初始熱電偶溫度與環境溫度相近。在確認無誤且恒溫水浴箱溫度達到設定溫度時,先打開閥門2、3,再關閉閥門1開啟外循環狀態,此時去離子水通過微通道換熱器對試件進行恒壁溫加熱,同時打開保溫棉,啟動照相機開始連續拍攝照片,時間間隔為5 min,直至石蠟完全熔化。改變閥門使熱流體循環為內循環狀態,完成測試并記錄好實驗數據后,停止水浴箱加熱,打開保溫棉和有機玻璃蓋自然冷卻至方形相變蓄熱裝置中石蠟完全凝固。更換試件,重復上述步驟。

1.4 實驗不確定度分析

2 實驗結果與分析

2.1 相界面變化與完全熔化時間

在70 ℃的熱源溫度下分別對3組試件進行熔化實驗,并通過相機拍攝不同加熱溫度下相界面的變化過程,選取4個時刻下的相界面進行對比分析,如圖4所示。

圖4 方形相變蓄熱裝置相界面變化Fig.4 Phase interface change in a square phase change heat storage unit

從各組圖像中可以觀察到:在初始階段并未出現明顯的熔化相界面,僅在靠近壁面處有很薄的一層熔化區域;在加熱一段時間之后,純石蠟和銅泡沫組在900 s出現較為明顯的熔化區域,均是從靠近壁面側先開始熔化,同時發現在純石蠟和銅泡沫組中,由于上部存在自然對流的作用,靠近上側的石蠟熔化速率較快,出現相界面呈現圖中所示的上部較快,下部較慢的趨勢。由于銅泡沫強化換熱而純石蠟組主要依靠自然對流的作用,銅泡沫組的相界面傾斜程度要低于純石蠟組;添加銅泡沫會使得導熱的作用強化,因此銅泡沫組的相界面曲率更小,相對平緩,熔化相界面較為平齊規整。翅片-銅泡沫組整體開始出現明顯固液相界面的時間晚于其他兩組,這主要是由于翅片高導熱性將熱量更多的輸運到復合相變材料內部以提高整體溫度,故而出現固液相界面的時機推后。隨著時間推移,當明顯出現固液相界面(例如1 800 s)時,靠近翅片的石蠟區域熔化要顯著快于遠離翅片的石蠟區域,這說明翅片的導熱作用對石蠟的熔化有著較為重要的影響;同時,由于翅片和銅泡沫的復合強化導熱作用,相對削弱了液態石蠟的自然對流作用,因此相界面呈現以翅片為中心的分布。隨著熔化的進行,遠離加熱壁面的溫度較低、密度較大的石蠟沿著豎直方向堆積,這與另外兩組的傾斜相界面明顯不同。

圖5給出了3組試件完全熔化時間對比。從圖5的數值上看,純石蠟(PCM)、銅泡沫(MF)和翅片-銅泡沫(FMF)組的完全熔化時間分別為6 900、3 900、3 600 s,相較于純石蠟組,銅泡沫和翅片-銅泡沫可分別減少完全熔化時間的43.47%和47.82%。可見,添加銅泡沫即可大幅減少石蠟的完全熔化時間,而翅片的添加對完全熔化時間的貢獻較小,主要體現在對相界面的影響上,添加翅片可改變相界面的曲率,使得相界面移動更加平齊,熔化過程更加均勻。

圖5 3組試件完全熔化時間對比Fig.5 Comparison of complete melting time

2.2 測點溫度變化

為了更進一步地研究方形相變蓄熱裝置中的溫度變化情況,同時也可以與相界面的變化進行對照,對純石蠟、銅泡沫和翅片-銅泡沫組中的溫度測點進行了分析。

2.2.1 加熱壁面溫度對比 方形相變蓄熱裝置底部加熱面上3個熱電偶測點的壁面溫度Tw曲線如圖6所示。在初始階段,3個測點溫度在短時間內先迅速升高,至100 s后開始存在溫度偏差,其中P2和P3測點溫度接近,幾乎相同(小于0.1 ℃),而P1點溫度略低于其余兩個溫度測點,且在熔化過程中溫差逐漸減小。P1點與其余兩點的溫差最大為初始100 s時的2.85 ℃,逐漸減小至小于0.02 ℃。3個測點的溫度均低于熱源溫度,最后穩定在69.84 ℃左右。其中,P1測點溫度低于其余兩個測點,原因在于P1測點更靠近換熱流體出口側,換熱流體溫度相對較低,而初始階段三者溫差的原因在于金屬槽內涂抹的導熱硅脂和導熱銀膠不均勻,導致測點存在溫差,但隨著熔化過程的進行,溫差逐漸減小,使得溫度趨向均勻分布。對于900和1 800 s時,P1測點與其余兩個測點溫差分別在1.2和0.9 ℃左右,由于P1靠近流體出口側,在熔化過程中對相界面的上下部分布不均勻也產生了一定的影響,與上部石蠟的自然對流共同導致了相界面分布不均勻。

圖6 70 ℃熱源加熱條件下壁面溫度對比Fig.6 Wall temperature comparison among different points under the heating source of 70 ℃

2.2.2 近壁面翅片表面溫度對比P4測點位于方形相變蓄熱裝置左側翅片中間位置,距加熱壁面15 mm,其溫度T4曲線如圖7所示。由圖可見,純石蠟組P4點的溫升顯著慢于其余兩組,而銅泡沫組與翅片-銅泡沫組P4點的溫度曲線變化趨勢基本相近。對于純石蠟組而言,由于前期升溫較慢,固相升溫和相變過程在溫度上沒有明顯差異,在5 500 s左右開始出現較快的升溫趨勢后,溫度逐漸趨向穩定。銅泡沫與翅片-銅泡沫兩組中,盡管初始溫度銅泡沫高于翅片-銅泡沫組1.0 ℃,然而在熔化過程中,翅片-銅泡沫組率先在900 s升溫到相變階段,同時溫度達到50 ℃。銅泡沫組的測點溫度與翅片-銅泡沫組溫差先逐漸增大,并在630 s時達到最大值7.33 ℃,直到進入相變階段時溫差逐漸減小,在2.80～4.90 ℃附近波動,相變結束后,受到翅片的作用,翅片-銅泡沫組升溫較快,在2 640 s達到最值5.02 ℃。

圖7 蓄熱裝置左側翅片中間位置溫度對比Fig.7 Temperature comparison among three cases on the fin surface on the left side of the energy storage unit

到熔化結束時,純石蠟組P4測點溫度最高,為65.03 ℃;翅片-銅泡沫組P4測點的溫度次之,為64.96 ℃;銅泡沫組最低,為62.74 ℃。這個現象的主要原因在于純石蠟組熔化時間最長,大部分區域熔化完成后熔化區域溫度繼續升高,而翅片-銅泡沫由于翅片存在升溫較快,在幾乎相同的時間內率先完成相變,石蠟液相升溫時間段長,且升溫速率也較快,因此溫度高于銅泡沫組。

2.2.3 右側翅片溫度對比 位于方形相變蓄熱裝置內部右側的翅片可反映內部溫度變化和傳熱過程,P5測點位于距觀察窗壁面20 mm、距底板15 mm的翅片表面,其溫度T5曲線如圖8所示。對于其余兩組沒有翅片的蓄熱結構而言,熱電偶布置固定在相同位置。

圖8 蓄熱裝置右側翅片中間位置溫度對比Fig.8 Temperature comparison among three cases on the fin surface on the right side of the energy storage unit

3組實驗對象在P5測點的溫度變化規律與測點P4處相近,其中純石蠟組基本沒有變化,熔化結束時P5測點溫度為65.30 ℃,與P4點溫度僅相差0.27 ℃。翅片-銅泡沫組與銅泡沫組顯示出了類似的變化規律,呈現出溫差先增大,至690 s時達到最大值7.94 ℃,而后溫差在3.10～6.20 ℃內波動的變化規律。在初始的固相升溫階段,翅片-銅泡沫組由于翅片的存在升溫快于銅泡沫組,溫差逐漸增大;在進入相變階段時,石蠟相變吸收大量熱量使得升溫速率減緩,兩者溫差減小。在相變完成后,繼續升溫,此時由于翅片的作用翅片-銅泡沫組升溫速率呈現先快后慢的規律,在2 730 s時達到最值6.19 ℃,后受到加熱溫度的限制而減慢。在熔化結束時,翅片-銅泡沫與銅泡沫組P5測點溫度分別為64.80和62.46 ℃,與P4點相比差別不大。

2.2.4 側壁溫度對比P6測點位于觀察窗壁面的對側面,距底板為15 mm,其溫度T6曲線如圖9所示。由圖可知,純石蠟組P6測點的變化趨勢與P4、P5兩點相同,均在5 500 s左右開始出現升溫加快的趨勢,在熔化結束時的溫度為65.24 ℃,3個測點溫差不超過0.3 ℃,可見對于純石蠟的熔化來說,在距離底板同樣的位置,垂直于重力方向的溫度是處處均勻的,幾乎不受其與壁面距離的影響。對于翅片-銅泡沫和銅泡沫組來說,溫差也保持著先增大后減小的趨勢。在570 s時溫差達到最大值,為8.15 ℃,之后進入相變階段溫差逐漸減小,直到相變結束時,P6點受到翅片影響升溫速率加快,但增幅較小,在2 580 s時達到最值5.19 ℃,此后兩組溫度逐漸趨向相同,溫差在2.30～5.20 ℃間波動。可見,雖然P6測點與翅片存在一定間隔17 mm,但仍然會受到翅片強化導熱作用的影響,從而使得在初始固相升溫和相變結束后升溫速率快于僅使用銅泡沫的情況。

圖9 側壁面溫度對比Fig.9 Temperature comparison among three cases on the side surface of the energy storage unit

3 結 論

本文對純石蠟、銅泡沫與石蠟復合材料、嵌有翅片的銅泡沫和石蠟的復合相變材料在70 ℃加熱壁溫下的熔化過程進行了實驗研究,記錄了3組石蠟熔化的相界面變化和各測點的實時溫度響應,討論了純石蠟、銅泡沫與翅片-銅泡沫組在實驗中不同測點(加熱壁面測點、近壁面翅片測點、遠壁面翅片測點)的溫度變化規律及對石蠟熔化的影響,根據結果分析得出以下結論。

(1)金屬泡沫的加入對固液相變傳熱起主導作用。以純石蠟組完全熔化時間為基準,銅泡沫的加入可以減少43.47%的完全熔化時間,而翅片的額外加入對完全熔化時間產生的影響較小,翅片-銅泡沫組可以減少47.82%的完全熔化時間。

(2)翅片的存在可以使得內部溫度升高更快,這種影響存在于整個方形相變蓄熱裝置內部。翅片-銅泡沫組的相界面是以翅片為中心移動,而其余兩組呈現傾斜界面,上部受自然對流影響熔化較快。

(3)翅片與金屬泡沫復合結構強化固液相變傳熱優勢明顯:一方面可以加快蓄熱速率,節省時間;另一方面可以提升熔化過程蓄熱器內部的溫度均勻性。這對于蓄熱器高效蓄熱、長期安全穩定運行提供了設計參考和工程指導。