基于通孔泡沫铜金属材料增强相变材料导热系数的研究

基于通孔泡沫铜金属材料增强相变材料导热系数的研究

0复合石蜡材料的实验研究由于高储热密度、性能稳定、接近加热，pcm广泛应用于蓄热应用和建筑节能领域。PCM最大的缺点是导热系数低,从而导致了相变蓄热系统的热响应较慢。大部分的有机PCM的导热系数为0.15~0.30W/(m·K),无机PCM的导热系数为0.4~0.7W/(m·K)。Eman等人通过在石蜡中添加不同质量分数的铝粉,对整体式太阳能集热蓄热器的性能进行实验研究,在铝粉质量分数为0.5时,石蜡最大熔化时间比纯石蜡时减小了40%。Mesalhy等人对泡沫铝材料不同孔隙率和孔径对潜热蓄热系统传热的影响进行了实验研究,表明孔隙率和孔径影响自然对流效果,但是不能只选择较大的孔隙率,因为这会导致导热性能减弱。因此,在这两者之间应该选择一个最优值。崔海婷等人通过数值模拟研究了填充高孔隙率泡沫铝后对石蜡导热系数的影响,结果表明加入泡沫铝能使温度分布均匀,缩短相变时间,提高储热效率。刘晓丹等人通过实验和模拟对泡沫金属矩形通道中气体的对流换热进行了研究,结果表明泡沫金属的换热强度和气体的流动阻力均随孔径的减小而增大;气体流速的增加有利于强化换热。综上所述,很多学者对增强PCM导热系数的方法做过很多研究,但是对于换热流体(HTF)为水的管壳式相变蓄热器形式内添加泡沫材料增强换热方法的实验研究还有待深化。本文通过搭建内通水外充PCM的管壳式相变蓄热器实验台,使用泡沫铜金属材料作为增强PCM导热系数的方法,研究了泡沫铜的加入对PCM熔化过程的影响。1实验系统及设备建立了一个单管壳管式相变蓄热实验系统来研究添加泡沫铜材料前后系统PCM的熔化过程,实验装置主要由恒温水箱、循环水泵、涡轮流量计、蓄热器及换热铜管、数据采集仪与电脑,以及管道阀门附件组成。图1为本实验的系统图。蓄热器结构和热电偶布置如图2所示。换热铜管内通水,水流方向为从底部流向顶部。铜管外填充PCM或PCM/泡沫铜的复合相变材料,构成一个壳管式相变换热器的形式。温度测温元件采用经过标定的铜-康铜热电偶,换热铜管分别在进出口处和蓄热器内部共布置4个热电偶;蓄热器横截面共布置4组热电偶,每个横截面由4个等间距为13mm的热电偶组成,用于测量PCM径向和轴向的温度变化,横截面从下到上编号为横截面1、2、3、4。2实验过程2.1升温/降温速率实验选用由两种脂肪酸组成的低共熔相变材料,质量百分比为十六酸(60%)、十八酸(40%)。物性参数见表1。使用美国TA公司的综合热分析仪Q100对其进行DSC测试,得出相变材料的相变温度和相变潜热。测试试样质量为3.63mg,升温/降温速率为10℃/min。DSC测试分析表明,所选脂肪酸低共熔物是一种性能优异的相变材料,无过冷现象,相变温度低于其两种组成成分脂肪酸的相变温度,相变潜热仍然保持较大值,具有较好的应用前景。根据ISO11357—3:1999规定和GulserenBaran等人的研究,PCM相变温度为DSC曲线外推起始温度,即外推基线与对应于转变开始的曲线最大斜率处所作切线的交点所对应的温度,相变潜热为峰值与基线之间所围的面积。而反应结束点温度,目前在热分析工作者间尚未取得一致的认识。根据分析,熔化过程的相变温度为54.98℃,相变潜热为167.2J/g;凝固过程的相变温度为52.72℃,峰值温度为50.59℃,相变潜热为166.6J/g。DSC测试结果如图3所示。2.2稳定剂pcm与泡沫铜复合相变材料的制备为了研究本蓄热器内添加泡沫铜对脂肪酸熔化/凝固过程的影响,首先对纯蓄热器内填充纯PCM的熔化过程进行了实验研究,建立PCM初始温度场为20℃,HTF温度为80℃,流量为0.4m3/h,PCM填充量为3kg。恒温水通过换热铜管与PCM换热,当所有温度测点温度都高于相变温度时,认为完成了熔化过程。针对PCM导热系数低,PCM熔化过程缓慢的缺点,在PCM中添加孔隙率为96.3%、孔径为30PPI的圆环状通孔泡沫铜材料,在整个蓄热器内制备PCM/泡沫铜复合相变材料。对PCM/泡沫铜复合相变材料的蓄热器建立起与纯PCM相同的初始温度场,各温度测点初始温度为20℃,在相同HTF温度和流量下进行熔化实验,将两个工况下的实验结果进行比较。3结果3.1加热过程中加热对各测点温度上升的影响图4~7表示的是纯PCM熔化过程横截面温度分布。从图中可以看出,各横截面PCM温度分布趋势都是一致的,同一横截面处离换热铜管越近的测点温度越高,且温度远高于同一轴向上其余测点处温度,最先开始相变过程,相变界面都从换热铜管外壁面向蓄热器内壁面移动。以横截面2为例,在实验未开始之前,5~8测点处温度均处于初始温度场,为20℃左右。随着高温换热水通过换热铜管,各测点温度上升速率较快,表现为一条较陡的曲线,并且温度变化率为TC5>TC6>TC7>TC8。这是因为在加热初始阶段,由于HTF与PCM之间的较大温差驱动力造成各测点温度上升速率较大,升温曲线较倾斜。随着时间的进行,TC5在257min时最先达到相变温度,而且测点5处温度与测点6处温差较大,达到10.15℃,远高于其余相邻测点之间的温差(分别为4.3℃和2.8℃)。这是因为5处此时达到相变温度,需要吸收大量的相变潜热来发生熔化过程,使得传到其余测点处的热量很少,再者由于PCM导热系数较小,使得PCM中热堆积现象比较明显,因此,5处温度比其余测点处温度高,各相邻测点间温差相差很大。对比图4~7可知,1~4截面所有测点达到相变温度所需时间分别为712min、505min、343min、174min。各截面达到此温度的顺序是从蓄热器顶部到底部依次完成。这是由于熔化的液态PCM温度升高,密度减小,由此产生浮升力效果,在上部产生自然对流作用,强化了上部液态PCM与固态PCM之间的传热,使得横截面熔化完全的顺序依次向下。这与Sari等人得出的结果是一致的。3.2u3000利用泡沫金属的加入,最终达到经济效益所需时间蓄热器各横截面PCM温度随时间的变化趋势如图8~11所示。实验表明,各横截面PCM温度分布趋势都是一致的,同一横截面处离换热铜管越近的测点温度越高,最先开始相变过程,相变界面都从换热铜管外壁面向蓄热器内壁面移动。以横截面2为例,在实验未开始之前,5~8测点处温度均处于初始温度场,为20℃左右。随着高温换热水通过换热铜管,各测点温度上升速率较快,表现为一条较陡的曲线,并且温度变化率为TC5>TC6>TC7>TC8。这是因为在加热初始阶段,由于HTF与PCM之间的较大温差驱动力造成各测点温度上升速率较大,升温曲线较倾斜。随着时间的进行,5测点在41min时最先达到相变温度。与纯PCM熔化过程不同的是,同一截面处各测点之间温度差距减小,各相邻两测点之间的温差在此时分别为3.1℃、3℃、1.6℃。这是因为泡沫金属的加入提高了PCM的导热系数,加快了PCM之间的传热,减缓了热堆积现象的发生。对比图8~11可知,1~4截面所有测点达到相变温度所需时间分别为162min、161min、160min、109min,各截面达到此温度的顺序是从蓄热器顶部到底部依次完成,相比纯PCM实验,各截面达到此温度所需要的时间得到了很大程度的缩短,这是泡沫铜材料的高导热系数强化传热所产生的结果。但是除了截面4外,其余截面达到相变温度所需时间相差很小。这是由于泡沫金属材料的加入,一方面提高了PCM的导热系数,内部PCM传热速率增大,蓄热器内各处PCM温差减小,所需时间滞后性减弱;另一方面,熔化的液态PCM由于产生浮升力效果,在上部产生自然对流作用,强化了上部液态PCM与固态PCM之间的传热,所以,熔化顺序还是从顶部到底部依次完成。但是由于泡沫铜孔隙率为96.3%,平均孔径为1mm左右,根据刘伟等人研究结果表明,多孔材料也从一定程度上限制了液态PCM的自然对流作用,对颗粒直径不超过4~6mm的多孔介质,在Gr·Pr<103时,其空隙中流体的自然对流换热贡献作用比较微弱,此时系统内部传热既有导热作用,也有自然对流作用,但是不再是以自然对流为主,而是以热传导为主的换热过程,因此,虽然熔化顺序是从顶部到底部依次完成,但是各截面所需时间差距减小。3.3复配体系添加实验以各个测点作为比较位置,以测点达到PCM相变温度所需要的时间作为比较对象。以测点4和12为例,图12、13表示的是这两个测点处,纯PCM与PCM/泡沫铜复合相变材料温度随时间的变化关系比较。从图中可以看出,测点4处纯PCM温度达到PCM相变温度需要的时间为712min,而PCM/泡沫铜复合相变材料温度达到此温度需要的时间仅为160min,所需时间后者仅为前者的22.5%。测点12处纯PCM温度达到PCM相变温度需要的时间为343min,而PCM/泡沫铜复合相变材料温度达到此温度需要的时间仅为160min,所需时间后者为前者的46.6%。因为在两种工况下,测点4都是最后达到相变温度,最晚完成相变过程的,所以,如果以测点4达到相变温度得时间作为整个蓄热器内PCM达到相变温度的总时间,那么对于实验用蓄热器,在HTF温度为80℃,流量为0.4m3/h的实验工况下,由于泡沫铜材料的加入,整个蓄热器内PCM达到此温度所需的时间为纯PCM熔化实验的22.5%。图14表示的是两种工况下测点1~20处温度达到相变温度所需时间的对比。从图中可以看出,添加泡沫铜材料后,由于增大了PCM的导热系数,增强了系统的换热性能,各个测点PCM达到相变温度的时间得到了不同程度的减少。并且加入泡沫铜前后两种工况下,下层截面各测点达到相变温度所需时间差距更大,时间减少的相对比例更大。这是因为在纯PCM实验时,蓄热器内液态PCM与固态PCM之间的自然对流换热作用效果明显,上下截面之间各测点达到相变温度所需时间相差较大,而加入泡沫铜后系统主要以导热为主,自然对流作用不再占主导地位,各截面相同径向位置处的测点PCM达到相变温度所需时间基本相同,因此,对于下层截面达到相变温度所需时间的相对减少量更大。4复合材料在pcm体系中的应用本文通过选择质量分数百分比为十六酸(60%)和十八酸(40%)的二元低共熔混合物作为相变蓄热系统的蓄热介质。对其进行DSC测试分析,并应用于潜热蓄热系统中,建立管壳式相变蓄热器实验系统,对纯PCM蓄热过程进行实验研究,并针对其导热系数低的缺点,通过在PCM中添加泡沫铜金属材料增强换热,对两种工况熔化过程进行实验研究与对比,得出以下结论:(1)DSC测试分析表明,所选脂肪酸低共熔相变材料是一种性能优异的相变材料,无过冷现象,相变温度低于其两种组成成分脂肪酸,相