泡沫铜相变蓄热器热性能试验研究

泡沫铜相变蓄热器热性能试验研究

1化学加整理材料在相变传热系统中的应用由于温度类似于设定温度，渗透蓄热能够稳定储存能力和解释能力，对应用具有广阔的前景。但是常用的相变材料导热系数很小,严重影响了其传热速率,难以满足相变蓄热影响了储能的效果。在强化相变储能方面,国内外学者做了大量理论和试验方面的研究,通过在相变材料中添加各种形态的金属、石墨、肋片等措施,强化相变材料的导热系数,从而达到提高相变蓄热效率的目的。高孔隙率泡沫金属具有密度小、孔隙率高、比表面积大的优点,是很好的强化换热材料,将其作为骨架填充到相变材料中,以改善相变传热装置的传热性能受到了越来越多的重视。本文以石蜡作为相变蓄热材料,泡沫铜作为填充材料加工制作相变储能装置,并搭建蓄热器热性能试验台,对填充泡沫铜和未填充泡沫铜的蓄热容器分别进行相变蓄热试验,并进行分析讨论。2co-keys2.1充填材料配比试验泡沫铜是一种在铜金属基体中均匀分布着大量连通和不连通的孔洞的新型轻质多功能材料,其结构如图1所示。为了在相变储能过程中利用泡沫铜的各种特性,同时考虑到相变材料的可填充问题和保证其充装量,试验中选用孔数为20PPI,孔隙率为96%,面密度为2000g/m2的通孔型泡沫铜作为填充材料。石蜡作为相变蓄热材料具有较高的相变潜热,无过冷及层析现象,性能稳定,无毒、无腐蚀性,价格便宜等优点而备受欢迎。本次试验中选用熔化温度为58～60℃,纯度为98%的石蜡作为相变材料。2.2调查过程设计试验装置和仪器主要包括:蓄热器、电加热器、水泵、水箱、风机盘管、涡轮流量计、T型热电偶、数据采集仪、控制柜以及计算机。蓄热器是试验的主要装置,设计为一环形圆筒体,环形腔体、换热管和端盖均采用不锈钢制成,腔体高315mm,外径为126mm,换热管内径为25mm,壁厚为3mm,上下端面直径为130mm。试验时,热水在换热管里流动,相变材料和泡沫铜在换热管和外筒形成的环形腔体中。在筒体的上端盖上钻有12个小孔,用来放置热电偶以测量相变材料的温度。在筒体的4个方向上均匀布置热电偶,每个方向上布置3个,这3个热电偶距离换热管外壁的长度分别为15mm、30mm、45mm。选取3个轴向界面,每个轴向界面上有4个热电偶,分别距上端面100mm、200mm、300mm。热电偶布置情况如图2和3所示。先将石蜡熔化然后在石蜡中加入一定量的泡沫铜,筒体四周和上端面设置了聚氨酯保温材料,经计算,良好的保温材料可能减少试验过程中的热损失,故热损失可以忽略不计。2.3型腔体的相变温度测定设定电加热器温度,启动水泵,调整好流量使热水在换热管中循环流动,将热量传递给环形腔体中的相变材料,相变材料吸收热量后温度不断升高,打开标定好的数据采集仪,记录PCM的温度,蓄热过程一直进行到PCM温度达到其相变温度时结束。本试验设定热媒水进口温度为70℃,流量为8L/min,得到了各点PCM温度随时间的变化情况。3热性能试验结果及分析3.1石蜡的相变温度图4和图5分别表示加热温度为70℃,加泡沫铜前、后同一深度不同截面位置处(以测点108,111,114为例),温度随时间的变化关系。由图4可见:(1)加热初期,同一个截面上的测点,温度基本相同。这是因为开始的时候石蜡温度在30℃左右,此时石蜡都是固态,传热方式以热传导为主,热量到达同一纵截面所需时间相近。(2)随着时间的进行,测点108处的石蜡温度逐渐高于测点111和测点114处的石蜡温度,并且测点108处的石蜡首先进入相变阶段,并先于测点111和测点114处的石蜡完成相变。这是因为靠近换热管壁的石蜡先熔化,然后在温差的作用下产生自然对流,液态石蜡向上流动,加大与上部固态石蜡的换热,自然对流影响的区域随着时间的增加逐渐向下移动。(3)测点108、111、114处的石蜡潜热蓄热阶段依次增长,这是因为随着时间的推移,熔化成液态的石蜡逐渐增多,而液态石蜡的导热系数低于固态石蜡,相当于热阻逐渐增大,热量传递时间较长。(4)当测点的温度达到57℃左右后,在很短的时间内石蜡的温度便上升到接近70℃。这是因为本试验采用的石蜡相变温度为57℃左右,当石蜡温度到达它的相变温度附近时开始熔化。随着时间增加,石蜡温度逐渐升高,由于液态石蜡的密度小于固态密度,并且液态密度随温度升高而降低。在温差和重力的作用下,石蜡发生对流和固体沉降现象,这种现象的发生给筒体内的液态石蜡造成了扰动的效果,大大加速了内部传热,从而使温度迅速上升。由图5可见:(1)加泡沫铜前后3个点的温度变化趋势相似,距离筒体顶部的石蜡温度最高,底部石蜡温度最低。但是加入泡沫铜后完成相变的时间比加泡沫铜前提前了1.5h左右。(2)测点108处的温度与测点114处的温度差异不大。这是因为在石蜡中添加了泡沫铜之后,整体的相变材料的等效导热系数比纯石蜡时大大提高,热量的传递方式以热传导为主,热量由上层石蜡传递给金属骨架,再由金属骨架传递给底层石蜡,整个热量传递速率很快,所以上下层石蜡温差不大。(3)石蜡的熔化顺序还是从筒体顶部开始,筒体底部的石蜡最后熔化,但是对比图5,这种趋势变得不是很明显。这是因为泡沫金属的存在一定程度上阻碍了液态石蜡的自然对流和固体沉降现象的发生。3.2泡沫铜前后温度的变化图6和图7分别表示加热温度为70℃,加泡沫铜前、后同一截面不同深度位置处(以测点113,114,115为例),温度随时间的变化关系。由图6可以看出:(1)加热初期,热量的传递以热传导为主,靠近换热管壁面的石蜡温度要高于距离换热管壁面稍远处的石蜡,并且将这种温度差异保持到了最后。(2)距离换热管壁面越远,纵截面之间的温差越大。这是因为随着熔化过程的进行,越来越多的石蜡熔化为液态,液态石蜡的导热系数低于固态,而在水平方向上,热量的传递方式以热传导为主,石蜡导热系数的降低相当于增加了导热热阻,热量传递的慢,导致温差增大。由图7可见:(1)加泡沫铜前后3个点的温度变化趋势相似,距离换热管壁面最近的石蜡温度最高,最远处石蜡温度最低。但是加入泡沫铜后完成相变的时间比加泡沫铜前提前了1.5h左右;(2)3个点的温度差异均匀,这是因为加入泡沫铜后,筒体内水平方向上的热量传递方式以热传导为主,自然对流的影响非常小,热量传递相同距离所需时间几乎相等,所以温差比较均匀。4加入泡沫铜的情况(1)在熔化初期,导热起主导作用,随熔化过程进行,自然对流和重力沉降作用造成靠近换热管上部的石蜡最先熔化,远离换热管底部的石蜡最后熔化;(2)蓄热过程中,添加泡沫铜后完成相变的时间比没有加入泡沫铜前提前了1.5h左右;(3)添加