于 航,劉 芳,孟二林,姚新玲

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料融化過程的換熱特性

于 航,劉 芳,孟二林,姚新玲

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201804)

為了研究強(qiáng)化相變蓄熱器的換熱情況,搭建了矩形腔體內(nèi)填充泡沫金屬/石蠟的實(shí)驗(yàn)臺(tái),在恒壁溫條件下,進(jìn)行了泡沫金屬/石蠟復(fù)合相變材料的融化蓄熱實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了不同加熱溫度下石蠟內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化曲線,分析了腔體內(nèi)自然對流對溫度分布的影響、傳熱溫差對蓄熱時(shí)間的影響。結(jié)果表明,泡沫金屬的高導(dǎo)熱性能強(qiáng)化了石蠟在腔體內(nèi)的融化過程,距離加熱面較近的石蠟融化后產(chǎn)生的自然對流加速了剩余固態(tài)石蠟的融化;而且傳熱溫差越大,自然對流越明顯,蓄熱時(shí)間越短。

泡沫金屬;石蠟;自然對流;傳熱溫差

近年來,能源緊缺、環(huán)境污染受到人們的普遍關(guān)注。蓄能可以緩解能量在供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度以及空間上的不匹配,是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑,也是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段。固-液相變儲(chǔ)能裝置有良好的恒溫性以及巨大的相變潛熱,在采暖蓄冷、太陽能利用、廢熱回收、以及航空航天、建筑等領(lǐng)域都得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。但是常用的相變材料普遍具有導(dǎo)熱率較低的缺點(diǎn),使得其利用效率較低,難以滿足現(xiàn)代越來越高的節(jié)能要求。人們開始對強(qiáng)化換熱的機(jī)理與技術(shù)開展比較深入的研究。泡沫金屬[2]是一種在金屬基體中均勻分布著大量連通和不連通的孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料,其結(jié)構(gòu)具有密度小、孔隙率高、比表面積大等特點(diǎn),將其作為填充材料運(yùn)用到相變儲(chǔ)能裝置中以提高裝置的整體熱性能,正越來越受到重視[3-5]。

A.g.Agwu Nanana[6]對多孔金屬內(nèi)相變材料相變過程中的局部熱不平衡現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)表明在相變早期金屬骨架和相變材料存在較大的溫差,熱不平衡明顯。運(yùn)用當(dāng)量導(dǎo)熱率法無法很好的描述相變過程中骨架和相變材料的溫差。Calmidi和W ahajan[7]對多孔泡沫金屬材料對流換熱性能進(jìn)行了理論計(jì)算。Boomsma等[8]就如何對泡沫金屬材料進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,介紹了一種對特定多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)情況建模的新方法。美國ORNL研究所[9]對于碳泡沫結(jié)構(gòu)的制備以及其在強(qiáng)化換熱中的應(yīng)用等方面做了相關(guān)的研究。Druma[10]等對于碳泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱導(dǎo)率數(shù)值分析方法進(jìn)行了探索,通過引入一種特定的有限元方法,作者分析了碳泡沫結(jié)構(gòu)與普通多孔結(jié)構(gòu)在不同孔隙率條件下數(shù)值模擬的可靠性,為泡沫結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬提供了一個(gè)合理的分析模型。東南大學(xué)彭冬華[11]建立了泡沫金屬內(nèi)融化相變傳熱的雙溫度模型,運(yùn)用顯熱容法模擬了泡沫鋁內(nèi)融化相變的溫度分布與流場,計(jì)算結(jié)果顯示,對比純相變材料加入泡沫鋁能顯著強(qiáng)化傳熱性能。固體骨架與儲(chǔ)能材料之間在其相變時(shí)有較大的溫差。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)程文龍[4]給出了較通用的高孔隙率泡沫金屬材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的估算公式,并利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法建立了復(fù)合相變材料在凝固過程的數(shù)值模型,對其凝固過程的傳熱特性進(jìn)行了理論分析。

筆者搭建了矩形腔體內(nèi)填充泡沫金屬/石蠟的實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了恒壁溫條件下,腔體內(nèi)自然對流對溫度分布的影響、傳熱溫差對蓄熱時(shí)間的影響。并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一定的理論分析。

1 實(shí)驗(yàn)描述

1.1 材料的選擇

所使用的石蠟有2個(gè)相變點(diǎn),一個(gè)在35℃左右,發(fā)生固-固相變,另外一個(gè)在52.5℃左右,發(fā)生固-液相變。相變潛熱為191.5 J/g。

使用的泡沫金屬為泡沫銅,尺寸為255 mm× 190 mm×90 mm,其外觀結(jié)構(gòu)見圖1,平均孔徑為2 mm左右,空隙率為97%。

實(shí)驗(yàn)腔體的一面是由銅底板制作而成,作為加熱面;其余各面均采用有機(jī)玻璃板做成,銅板采用1mm厚的紫銅板,有機(jī)玻璃厚度為8 mm。圖2為其實(shí)物圖。

圖1 泡沫銅微觀結(jié)構(gòu)圖片

圖2 實(shí)驗(yàn)腔體實(shí)物圖

1.2 測溫系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中用熱電阻對石蠟內(nèi)部溫度進(jìn)行測量,腔體中布置了12個(gè)直徑為2 mm的經(jīng)過標(biāo)定的Pt100熱電阻。并在有機(jī)玻璃筒上鉆了 12個(gè)直徑為2.5mm的小孔,將熱電阻頭部插入孔中,用粘合劑將其粘合固定在有機(jī)玻璃體上。

矩形腔體上選取了4個(gè)縱截面,布置了4組熱電阻。從加熱壁面起,每隔 10 mm為一組,編號(hào)1#-4#,每組布置3個(gè)熱電阻,每組熱電阻分布在矩形的對角線上,距離兩邊為25 mm和30mm。為明確表示各點(diǎn)位置,將腔體放平,上加熱面為試驗(yàn)中的左側(cè)。各點(diǎn)位置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終的示意圖見圖4。

圖3 測點(diǎn)布置及試驗(yàn)件尺寸三維立體圖

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)示意及測點(diǎn)編號(hào)示意圖

2 融化蓄熱實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

石蠟融化過程實(shí)驗(yàn)中,影響腔體內(nèi)溫度場分布的參數(shù)有：工質(zhì)的性質(zhì)、傳熱溫差及系統(tǒng)漏熱量等。該研究的對象為一密閉腔體,實(shí)驗(yàn)過程中不改變工質(zhì),只對不同的傳熱溫差進(jìn)行分析,所以工況只與換熱壁面溫度有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)中采用的石蠟的固液相變?nèi)邳c(diǎn)溫度在52.5℃左右,實(shí)驗(yàn)工況選擇如表1。針對每一工況,在相同的條件下進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn),以獲得重復(fù)性較好的測試值。

文中主要對融化實(shí)驗(yàn)中工況1進(jìn)行了具體分析。并與其他工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

表1 實(shí)驗(yàn)工況的選擇

2.1 工況1分析

圖5(a)、(b)、(c)分別是加熱壁面溫度為85℃的情況下,腔體內(nèi)填充泡沫銅/石蠟融化時(shí),腔體內(nèi)距下端面分別為30mm、60mm、90mm的橫截面溫度分布圖。每個(gè)截面上有4個(gè)熱電阻測點(diǎn),圖中的圖示數(shù)字分別對應(yīng)的是圖4中的熱電阻測點(diǎn)。

從圖5可以看出：

1)石蠟沒有固定的熔點(diǎn),相變過程發(fā)生在一個(gè)溫度范圍(50～60℃)之內(nèi);在這個(gè)溫度范圍內(nèi),石蠟發(fā)生相變,釋放出大量的潛熱,該過程持續(xù)較長。整體裝置的蓄熱包括3個(gè)階段：蓄熱初始固相的顯熱蓄熱、相變?nèi)诨A段的潛熱蓄熱、液相的顯熱蓄熱。

圖5 泡沫銅內(nèi)填充石蠟融化過程各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖

2)加熱初期,測點(diǎn)溫度曲線的斜率比較大,這是因?yàn)楣滔囡@熱蓄熱量比較小,傳熱溫差較大,使得傳熱速率很快。隨后曲線趨于平緩,進(jìn)入相變階段,由于石蠟在相變過程中需要吸收大量的潛熱,所以該階段石蠟溫度隨時(shí)間變化緩慢。

3)當(dāng)測點(diǎn)溫度上升到50℃左右時(shí),在很短的時(shí)間內(nèi)石蠟溫度便上升到70℃左右。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中采用的石蠟的固-液相變點(diǎn)在52.5℃左右,當(dāng)石蠟達(dá)到此溫度附近時(shí),開始融化。隨著加熱時(shí)間的增加,液態(tài)石蠟不斷增多,石蠟溫度不斷上升,其液體密度小于固體密度,且其液體密度隨著溫度的上升而降低。在加熱面和固-液相界面的溫差作用下,及浮升力作用下,液態(tài)石蠟出現(xiàn)自然對流現(xiàn)象。自然對流和固體沉降擾動(dòng)了腔體內(nèi)石蠟液體,大大加速了內(nèi)部傳熱,使得各相關(guān)測點(diǎn)溫度迅速上升。

4)每個(gè)橫截面測點(diǎn)溫度上升到70℃后開始趨于一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,腔體內(nèi)石蠟溫度基本相同,與加熱壁面溫差在5℃左右。這是由于隨著時(shí)間的增加,加熱壁面和石蠟之間傳熱溫差減小,傳熱速率降低,溫度上升緩慢。

5)分析不同橫截面的3張圖可知,腔體內(nèi)石蠟融化的順序?yàn)閺纳系较?這是因?yàn)槿诨跗诳拷訜岜诿娴氖炏仁軣崛诨?當(dāng)液態(tài)層達(dá)到一定厚度時(shí),產(chǎn)生自然對流,高溫石蠟液體向上流動(dòng),加大與上部固體石蠟的換熱。隨著時(shí)間的增加,自然對流影響的區(qū)域逐漸向下移動(dòng)。而且此過程移動(dòng)迅速,不同橫截面完成融化的間隔很短,不超過10min。這體現(xiàn)出了泡沫銅/石蠟復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)的增加,加快固態(tài)石蠟溫度升高的效果。再加上自然對流的強(qiáng)化作用,使得石蠟融化過程迅速完成。

圖6(a)、(b)、(c)、(d)分別是加熱溫度85℃的情況下,對石蠟加熱融化時(shí),腔體內(nèi)距加熱面分別為10mm、20mm、30mm、40mm的縱截面溫度分布圖。從圖中可以看出：

1)加熱初始階段導(dǎo)熱起主要作用,即離加熱面越近的縱截面導(dǎo)熱作用越明顯,同一個(gè)縱截面上的溫度基本相同?？梢酝茰y加熱初始階段腔體內(nèi)等溫線為多根近似豎直的平行線。

2)離加熱壁面越遠(yuǎn)的縱截面,測試面上3個(gè)熱電阻之間的溫差越大。這是由于實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)垂直方向的傳熱是以自然對流為主,而水平方向的傳熱則以導(dǎo)熱為主。自然對流作用下熱流體向上流動(dòng),冷流體向下運(yùn)動(dòng),使得上部石蠟先融化,同一縱截面上、下溫差加大。

3)泡沫銅的加入,加速了熱量從加熱面向內(nèi)部傳遞,使得石蠟融化速率加快,同時(shí)使得溫度場分布趨于均勻一致。但并未阻止自然對流的形成,反而加速了液態(tài)石蠟的流動(dòng),液態(tài)石蠟在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)包括自然對流和多孔滲流,且溫度越高自然對流流動(dòng)越劇烈,自然對流主要是Y軸方向的流動(dòng),多孔滲流加速了X軸方向的流動(dòng),自然對流占據(jù)主導(dǎo)地位。因此,加入泡沫金屬強(qiáng)化了內(nèi)部液態(tài)石蠟的流動(dòng),加速了融化過程。

4)由于采用的是高孔隙率,大孔徑的泡沫銅,不僅對自然對流沒有影響,反而泡沫銅的高導(dǎo)熱性加速了石蠟液體的升溫,使得自然對流更加強(qiáng)烈。進(jìn)而腔體內(nèi)部溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也縮短了?？傊?泡沫銅大大強(qiáng)化了相變換熱,加速融化過程。

圖6 泡沫銅內(nèi)填充石蠟融化過程各縱截面測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖

2.2 傳熱溫差對溫度場的影響

比較不同工況下測點(diǎn)5的溫度隨時(shí)間的變化(圖7),圖中的圖示數(shù)字表示的加熱工況的溫度,加熱初期,每個(gè)工況石蠟的溫度基本相同。但是當(dāng)溫度上升到52.5℃左右時(shí),不同工況之間的溫度變化差異增大。這是因?yàn)榍惑w內(nèi)一部分石蠟融化以后,腔體內(nèi)出現(xiàn)自然對流現(xiàn)象。由于溫差越大自然對流越強(qiáng)烈,所以不同工況下石蠟的融化速度不同。傳熱溫差大的工況,自然對流加劇,石蠟的融化速度加快,測點(diǎn)溫度上升快,大大縮短了蓄熱時(shí)間。而且溫度越低,相變區(qū)域越不明顯,這時(shí)候泡沫金屬的良好導(dǎo)熱性能發(fā)揮了關(guān)鍵作用,將融化所需要的潛熱快速傳遞到固-液相界面,使得石蠟融化速率保持一定,而自然對流作用影響較小。

圖7 不同加熱溫度下測點(diǎn)5的溫度隨時(shí)間變化曲線圖

2.3 傳熱溫差對蓄熱時(shí)間的影響

加熱溫度對石蠟的融化速度有較大的影響,加熱工況溫度越高,傳熱溫差越大,石蠟的融化速度越快。對不同工況下的蓄熱時(shí)間進(jìn)行比較和分析。

由于石蠟在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變,其起始相變點(diǎn)難以確定,特別是起始融化點(diǎn)很難判斷,但為了比較不同工況對蓄熱時(shí)間的影響,所以定義蓄熱時(shí)間為融化過程初始溫度場建立完成后開始到終止溫度場建立完成所需的時(shí)間。即從14℃開始,到測點(diǎn)10到達(dá)溫度60℃所經(jīng)歷的時(shí)間。

融化實(shí)驗(yàn)中5種不同工況的測試結(jié)果如表2所示。

表2 融化實(shí)驗(yàn)不同工況的測試結(jié)果

隨著傳熱溫差的增大,蓄熱時(shí)間縮短。5個(gè)測試工況之間的溫差在5℃左右,但是它們的蓄熱時(shí)間卻不是按等差比例變化。工況溫度70℃和75℃之間只有5℃的溫差,而蓄熱時(shí)間相差了將近70min。當(dāng)工況溫度為65℃時(shí),測點(diǎn)10的溫度在208m in后為55.2℃,未達(dá)到60℃;而且該工況下根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)溫度達(dá)到50℃后,石蠟溫度升高1℃需要30 min以上。從這里可得知,為了保證一定的傳熱速率,控制蓄熱所需時(shí)間,必須保證一定的傳熱溫差。這一點(diǎn)是設(shè)計(jì)相變蓄熱器的關(guān)鍵指標(biāo)。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到以下回歸曲線圖及蓄熱時(shí)間和傳熱溫差的關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式。

由于該數(shù)據(jù)曲線用線性擬合誤差比較大,此處采用非線性回歸擬合。

對于所采用的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)裝置和實(shí)驗(yàn)尺寸,蓄熱時(shí)間和傳熱溫差之間的關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖8 傳熱溫差對蓄熱時(shí)間影響的回歸曲線圖

式中,Y為蓄熱時(shí)間,min;X為傳熱溫差,℃。

擬合的相關(guān)系數(shù)：R2=0.980 8

3 結(jié) 論

1)由于所選泡沫銅具有較高孔隙率和連通性,在融化過程中,腔體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一定程度的自然對流,且加熱溫度越高,自然對流越強(qiáng)烈。自然對流對石蠟的融化起推動(dòng)作用,泡沫金屬的良好導(dǎo)熱性能加速的石蠟的導(dǎo)熱,并使得內(nèi)部溫差減小,整體溫度快速趨于均勻一致。

2)融化過程中,尤其是低溫加熱工況下,溫度隨時(shí)間分布的曲線圖上沒有明顯的相變區(qū)域,這是因?yàn)樽匀粚α髯饔帽容^小,以及泡沫銅的良好導(dǎo)熱性能,將融化所需的潛熱迅速傳遞到固液相界面處,使得融化過程快速完成。

3)傳熱溫差對融化過程有一定的影響,隨著傳熱溫差的增大,融化時(shí)間都將縮短,但是是非線性的,為了保證一定的傳熱速率,需要控制合理的蓄熱時(shí)間以及傳熱溫差。為了保證一定的傳熱速率,控制蓄熱所需時(shí)間,必須保證一定的傳熱溫差。

4)研究所采用的相變蓄熱裝置可廣泛應(yīng)用于各類需要蓄熱的場所,比如用于太陽能空調(diào)中,能夠保證為太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)提供恒定的熱源溫度,避免了以往太陽能空調(diào)系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定性和間斷性。太陽能相變蓄熱熱水器可有效儲(chǔ)存熱量,增加用戶的熱水使用時(shí)間。

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(編輯 胡英奎)

Heat Transfer Characteristics of the Melting Process of the Metal Foam/Paraffin Compound Material

YUHang,LIUFang,MENGEr-lin,YAOXin-ling

(College of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai201804,P.R.China)

In order to enhance the heat transfer in the phase change heat storage device,a rectangular cavity filled with metal foam/paraffin wax ism ade.The melting heat storage experiment of foam metal/wax com posite phase change m aterial was carried out in the transverse wall temperature conditions.The temperature change curve is drawn according to differentheating tem peratures.Both the effects of natural convection in rectangu lar cavity on temperature distribution and the impact of heat transfer temperature difference on the therm al storage time are analyzed.The results show that the melting process of the paraffin in the body cavity is reinforced by the high thermal conductivity of copper foam.The remaining solid paraffin is accelerated tomelt by the natural convection of the liquid paraffin formed near the heating surface;and the greater the heat transfer temperature difference is,the greater the natural convection is and the shorter the time for heat storage is.

metal foam;paraffin w axes;natural convection;heat transfer temperature difference

TK 512.3

A

1674-4764(2011)02-0112-05

2010-08-02

于航(1964-),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事空調(diào)節(jié)能新材料與新技術(shù)、蓄能空調(diào)理論與技術(shù)、生態(tài)建筑技術(shù)研究,(Email)yuhang@#edu.cn。