楊佳霖，杜小澤，楊立軍，楊勇平

（華北電力大學電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京 102206）

引 言

蓄熱技術是太陽能熱利用時解決能量數(shù)量性與時域性差異的最佳手段。目前主要的蓄熱方式包括：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學能蓄熱[1]。較之顯熱蓄熱、化學能蓄熱，潛熱蓄熱具備蓄放熱過程能量密度高、溫度穩(wěn)定、相變材料價格低廉的優(yōu)勢，但相變材料的低熱導率一直是限制潛熱蓄熱廣泛應用和發(fā)展的最大障礙[2]。提高相變材料的熱導率，強化相變材料的換熱性能也成為潛熱蓄熱研究領域的熱門問題。分析潛熱蓄熱系統(tǒng)強化換熱技術，提高潛熱蓄熱系統(tǒng)換熱性能的方法大體包括：①增加擴展表面[3-4]；②多種相變材料共用[5]；③填充高導材料[6-7]；④相變材料微囊化技術[8]。

將相變材料填充入大孔隙率泡沫金屬中，金屬的高熱導率使復合材料較純相變材料的熱導率得到了提升；同時泡沫金屬是一種高孔隙率的多孔介質，大面體比也發(fā)揮了強化換熱性能的作用[9]。Calmidi等[10-12]提取出高孔隙率泡沫金屬的組成單元，在 結構角度給出了泡沫金屬的有效熱導率、滲透率、內部阻力系數(shù)的計算方法，對比計算結果與實驗數(shù)據(jù)，吻合度較好。Zhao等[13-16]采用非等溫熱平衡方程對泡沫金屬中相變材料的熔化和凝固過程進行模擬研究，計算出自然對流影響下相界面的位置并分析了孔隙率、孔密度、材料物性等參數(shù)對相變過程的影響。Li等[17-20]將相變材料填充入泡沫金屬中，對混合材料進行實驗研究，結果表明：盡管泡沫金屬對液相的自然對流存在阻礙作用，但復合材料的導熱性能明顯好于純相變材料，蓄放熱時間顯著 縮短。

縱觀近期泡沫金屬強化相變材料蓄熱的實驗，其內容主要集中于對方腔內蓄熱過程的研究，邊界條件一般為定熱流邊界條件，其實驗目的主要是為模擬過程提供驗證。本文對管殼式潛熱蓄熱結構的泡沫金屬強化相變材料蓄熱過程進行了實驗研究，以流動熱水作為載熱流體，為相變材料蓄熱提供熱源。蓄熱過程中，對固-液相界面進行可視化追蹤，得到清晰的相界面發(fā)展圖像。同時在相變材料內布置熱電偶，能夠準確獲得材料內部的溫度分布。實驗結果為探討泡沫金屬強化相變換熱過程的作用機制提供實驗基礎，也可為后續(xù)采用泡沫金屬強化換熱的管殼式蓄熱結構的優(yōu)化設計提供充分有效的 驗證。

1 材料制備及熱物性測量

1.1 泡沫金屬填充石蠟復合材料的制備

采用真空注入法[21-22]制備泡沫金屬填充石蠟復合材料，填充系統(tǒng)包括真空泵(上海飛魯泵業(yè)旋片式真空泵)、真空表(上海儀川壓力真空表)、真空閥（KF型手動擋板閥），所用材料為泡沫金屬銅，孔隙率為0.92，孔密度為20 PPI；純石蠟（熔點48～50℃，國藥集團化學試劑有限公司），石蠟固體狀態(tài)密度為914 kg·m-3。將足量的固體石蠟置于不銹鋼真空罐底部，切割成型的實驗件連同支架置于固體石蠟上部。封裝真空罐，連接抽真空管路，開啟真空泵，控制真空表示數(shù)在-0.08 MPa以下，擰緊管路真空閥門，關閉真空泵，維持真空。真空罐置于90℃水浴中加熱。隨著石蠟熔化，泡沫金屬和支架逐漸下沉，熔化的石蠟液體進入泡沫金屬中。待石蠟完全熔化，泡沫金屬完全沉沒于液體石蠟，停止加熱。將真空罐置于自然溫度水浴中冷卻，直至石蠟完全凝固，開啟真空閥門。微熱分離石蠟與壁面，取出實驗件樣品，并去除多余石蠟。填充石蠟前后的照片對比如圖1所示。

圖1 泡沫金屬銅填充石蠟前后的圖像 Fig.1 Metal foam copper (a) and composite of metal foam copper and paraffin (b)

以注入比α來表征真空填充程度，即填充相變材料體積占孔隙體積的大小，其計算式如下

式中，VPCM為填充入泡沫金屬中相變材料的體積，Vpore為泡沫金屬孔隙體積，Vtotal為泡沫金屬總體積，mt-mcu為填充后與填充前實驗件的質量差，ρPCM為相變材料密度，ε為泡沫金屬孔隙率。通過測量質量差及泡沫金屬總體積，可得到注入比為96.7%。由于降溫過程中石蠟存在收縮，故注入比不能達到100%，從注入比的數(shù)值可以看出，材料復合較好，石蠟和泡沫金屬具有較好的相容性。

1.2 石蠟的相變特性

為探討石蠟的相變特性，對石蠟進行DSC分析，其DSC曲線如圖2所示。可以看到，石蠟相變是個持續(xù)的升溫過程，并在熔化過程中在溫度為34.0℃和56.0℃出現(xiàn)兩個相變吸熱峰，存在明顯的固-固相變過程和固-液相變過程，其吸收潛熱分別為44.8 kJ·kg-1和136.4 kJ·kg-1。固-液相變的起始點為48.2℃，終止點為60.5℃，相變潛熱為固-固相變與固-液相變潛熱之和，為181.2 kJ·kg-1。

2 實驗裝置及實驗方法

圖2 石蠟的DSC相變特性曲線 Fig.2 Phase change characteristic of paraffin measured by DSC

圖3 實驗測試系統(tǒng)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

圖4 實驗件及熱電偶測溫系統(tǒng)布置位置 Fig.4 Test section and location of thermal couple test point

圖3為實驗測試系統(tǒng)示意圖，整個系統(tǒng)可分為3個模塊：熱源模塊，實驗件模塊及數(shù)據(jù)采集模塊。熱源模塊由恒溫水箱、壓力泵、流動管路及調節(jié)閥組成，其功能是為實驗件提供恒定流量、恒定進口溫度的載熱流體，實驗中載熱流體為水。實驗件模 塊由PE箱體，高透有機玻璃蓋板及蓄熱材料組成，如圖4 (a)所示，PE箱體板和有機玻璃蓋板厚度均為20 mm，并在外側包裹橡塑保溫棉，以實現(xiàn)近似絕熱的效果，蓄熱材料形狀為帶有半圓形槽的 長方體，其尺寸為240 mm×120 mm×60 mm，在 240 mm×120 mm截面中心位置開20 mm直徑的半圓形槽，半圓槽與加熱管管徑過盈配合，箱體與觀察窗采用螺栓壓緊并以固體硅酮膠黏合密封，此模型為管殼式蓄熱單元的一半，用以觀察蓄熱單元內相變過程相界面沿徑向方向的演化進程。數(shù)據(jù)采集模塊由熱電偶（Omega T型熱電偶），PT100溫度變送器、高清數(shù)碼相機（Nikon D7000）、渦輪流量計及安捷倫數(shù)據(jù)采集器（34970A）組成，PT100用以采集實驗件進出口載熱流體的溫度，最小分辨率為0.1℃，熱電偶布置在如圖4 (b)所示截面，標定后其測量的精度為0.1℃，布置位置如圖4 (c)所示。

實驗中，先開啟恒溫水浴箱，設定所需溫度，待達到后，開通流量調節(jié)旁路及蓄熱單元旁路，恒溫水浴箱中熱水經(jīng)壓力泵增壓，克服管道阻力，實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)。待載熱流體溫度及流量穩(wěn)定后，扳動實驗件兩端T型換向閥，改變水流通道，由蓄熱單元旁路迅速切換至蓄熱單元管路，保證了蓄熱單元準確、穩(wěn)定的初始條件。分別對純石蠟和復合材料進行蓄熱全過程測量并進行對比，其基本條件是：①保證純石蠟的質量與復合材料中石蠟的質量相等；②保證恒溫水浴提供給實驗件相同的載熱流體進口水溫和流動速度，恒溫水浴溫度設定為70℃，流速為0.1 m3·h-1。

3 實驗結果與討論

3.1 相變界面的演化進程

圖5 純石蠟相變界面演化過程 Fig.5 Evolution of solid-liquid interface for pure paraffin

圖5所示為純石蠟相變過程固-液界面隨時間 的演化過程，由于實驗件沿圓管中軸線對稱，截取左側部分對相界面變化進行分析。30 min時，石蠟在貼近管壁位置已經(jīng)熔化，由于液相狀態(tài)的石蠟較少，自然對流尚未表現(xiàn)明顯作用，固-液相界面形狀為與加熱管壁同軸的圓柱面。直到90 min時，自然對流作用逐漸體現(xiàn)，在液相區(qū)近壁側上升，溫度升高，在固-液界面?zhèn)葲_刷界面并將熱量傳遞給界面，可以看到實驗件的中上部分相界面呈錐形。錐形出現(xiàn)在實驗件中上部而非頂端，主要原因是制備實驗件過程中，石蠟以液相注入實驗箱體并豎直放置冷卻，石蠟凝固后會在頂部形成洼陷和內部空穴，因此在頂部與管壁接觸的石蠟熔化后會倒灌入洼陷和空穴中。隨著液相石蠟的逐漸增多，加之石蠟熔化體積膨脹，洼陷和空穴逐漸被液相石蠟填滿，圖中210 min后，液相石蠟已充滿實驗件箱體上部。而后液相石蠟區(qū)域由上至下逐漸增多，但底部形成的圓柱型流道幾乎沒有擴大，該現(xiàn)象表明自然對流在相變過程中占據(jù)主導，主要的換熱界面為錐面區(qū)域的固-液界面，下部圓柱型的固-液界面處換熱微弱。綜合整個熔化進程可以看到，石蠟區(qū)域可按顏色分成3個區(qū)域：暗白色的固相區(qū)，亮白色的模糊區(qū)和透明略黃的液相區(qū)，隨著相變進行，液相區(qū)增多，模糊區(qū)域寬度增大，固相區(qū)減小，但液相區(qū)的增長速度逐漸變慢，熔化速度降低，810～930 min的界面對比可以看到液相區(qū)體積基本沒有變化。實驗件底部除與管壁接觸處形成液相石蠟薄層，大部分區(qū)域并未發(fā)生變化，充分印證了管殼式蓄熱器相變材料出現(xiàn)局部過熱且相變材料不能充分熔化蓄熱的 狀況。

圖6 復合材料相變界面演化過程 Fig.6 Evolution of solid-liquid interface for metal foam and paraffin composite

在相同的蓄熱材料量，相同的加熱溫度，相同載熱流體流速條件下，同樣截取左側部分進行對比觀察，較之純石蠟相變過程，將石蠟填充入高孔隙率泡沫金屬銅中制備的復合材料的熔化時間明顯縮短，熔化速度顯著加快，圖6顯示，165 min時， 整個復合材料區(qū)域，石蠟已完全呈現(xiàn)液相狀態(tài)。藍色線為固相區(qū)與模糊區(qū)分界線，紅色線為液相區(qū)與模糊區(qū)分界線，可以看到隨著熔化的進行，固相區(qū)逐漸減少并很快消失，模糊區(qū)面積增長較快。自然對流作用在復合材料的相變過程中依然存在，使界面呈現(xiàn)錐形，但錐角明顯小于純石蠟界面，下部的熔化近程略慢于上部，但未形成圓柱形液相石蠟流道，說明自然對流流動受到泡沫金屬孔隙抑制作用。模糊區(qū)域沿熱量傳遞方向變寬證明，復合材料的有效熱導率顯著高于純石蠟的熱導率。

3.2 相變過程溫度分布

圖7～圖9為各測點在熔化過程中溫度隨時間變化的曲線?？梢钥吹?，純石蠟相變過程中，測點溫度曲線在48～56℃之間升溫緩慢，表明在整個熔化升溫過程中，該溫度區(qū)內吸熱明顯，與DSC測量結果吻合。豎直方向上，各測點溫差較大，頂部測點由于強烈的自然對流作用，升溫速度較快，迅速完成相變過程，而底部測點在整個過程中均未達到相變溫度，內部溫度分布極其不均勻。復合材料內部測點的溫度分布則較為均勻，豎直方向上，各測點升溫曲線相對同步，均能較快達到熔化溫度，側面驗證了泡沫金屬的多孔結構抑制了自然對流流動，導熱過程占據(jù)主導作用。復合材料內測點升溫快速，也表明泡沫金屬的高導熱性能使復合材料有效熱導率得到明顯提高。近距離觀察界面位置可以看到，孔隙內沿孔隙骨架形成一層液相石蠟層，相變材料在孔隙尺度上形成液相區(qū)、模糊區(qū)及固相區(qū)，與孔隙結構接觸位置的石蠟先熔化，逐漸向孔隙內石蠟擴散。表明由于金屬骨架與相變材料的熱導率存在數(shù)量級上的差別，金屬骨架的溫度將高于相變材料，導熱作用可迅速將管壁或液相高溫區(qū)域的熱量通過金屬骨架傳遞至模糊區(qū)乃至固相區(qū)相變材料內部，一方面使得相變過程并未表現(xiàn)出明顯的吸熱 區(qū)間，同時泡沫金屬的高熱導率也強化了復合材料內部換熱過程。

圖7 內層測點熔化過程溫度變化對比 Fig.7 Temperature distribution of test points 1#, 4#, 7#, 10#, 13#

圖8 中間層測點熔化過程溫度變化對比 Fig.8 Temperature distribution of test points 2#, 5#, 8#, 11#, 14#

圖9 外層測點熔化過程溫度變化對比 Fig.9 Temperature distribution of test points 3#, 6#, 9#, 12#, 15#

3.3 相變過程中蓄熱熱通量的變化

圖10 所示為蓄熱熱通量曲線，定義蓄熱熱通量為

式中，cf為載熱流體換熱溫度下平均比熱容，mf為載熱流體質量流速，ΔT為載熱流體進出口溫差，At為換熱面積。熱通量的不確定度由式(3)計算

圖10 蓄熱熱通量隨時間變化曲線 Fig.10 Variation of heat flux of thermal energy storage with time

計算可得蓄熱熱通量的不確定度為2.36%，在允許范圍內。實驗中保持石蠟的質量相同，則復合材料的體積由于金屬骨架和填充率的影響，復合材料條件的換熱面積大于純石蠟條件。由圖10可以看到，在熔化初始階段載熱流體與實驗材料溫差較大，換熱強烈，蓄熱熱通量大，隨著實驗材料溫度升高并發(fā)生相變，盡管在界面與換熱壁面間導熱熱阻增大，但自然對流的促進作用強化了換熱過程，致使換熱趨于穩(wěn)定，蓄熱熱通量也趨于穩(wěn)定。實驗材料為復合材料時，載熱流體的熱通量明顯高于純石蠟條件下，表明復合材料的換熱較強，泡沫金屬顯著強化了相變材料的換熱過程。

4 結 論

通過對泡沫金屬強化石蠟相變過程的實驗研究，得到如下結論。

（1）以真空注入法制備的石蠟填充泡沫金屬銅的復合材料，相變材料填充充分，填充后的復合材料注入比可達96.7%。

（2）搭建的可視化相界面演化進程實驗平臺，清晰記錄了純石蠟和復合材料熔化過程的相界面位置及形狀，液相區(qū)、模糊區(qū)和固相區(qū)具有明顯的分層特征。

（3）自然對流作用加快材料上部熔化，形成類圓錐形界面，純石蠟條件液相界面錐角遠大于復合材料條件表征泡沫金屬的多孔結構對液相區(qū)自然對流有抑制作用。

（4）自然對流作用在純石蠟底部形成圓柱形流道，熱量隨高溫液相石蠟上移，內部溫度不均勻，出現(xiàn)頂部過熱和底部不熔化現(xiàn)象，有明顯的相變恒溫區(qū)間；復合材料熔化過程中，多孔結構抑制自 然對流，導熱占據(jù)主導，內部溫度分布均勻，上、下部熔化進程趨于同步，且未出現(xiàn)明顯的相變恒溫 過程。

（5）泡沫金屬可顯著提高復合材料的有效熱導率，復合材料的蓄熱熱通量可達純石蠟條件的8倍，顯著縮短了蓄熱時間。

符 號 說 明

At——加熱管表面積，m2

cf——載熱流體比熱容，J·kg-1·K-1

mcu——泡沫金屬質量，kg

mt——填充相變材料后質量，kg

q——蓄熱熱通量，W·m-2

ΔT——載熱流體溫度進出實驗件溫差，K

VPCM,Vpore,Vtotal——分別為填充后相變材料體積、空隙體積和材料總體積，m3

α——注入比

ε——孔隙率

ρPCM——相變材料密度，kg·m-3

[1] Gil A, Medrano M, Martorell I, et al.State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation (Ⅰ): Concepts, materials and modellization [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14 (1): 31-55

[2] Jegadheeswaran S, Pohekar S D.Performance enhancement in latent heat thermal storage system: a review [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13 (9): 2225–2244

[3] Xia Li (夏莉), Zhang Peng (張鵬), Wang Ruzhu (王如竹).Heat transfer enhancement in shell and tube latent thermal energy storage unit [J].CIESC Journal(化工學報), 2011, 63 (S1): 37-41

[4] Sharifi N, Bergman T L, Faghri A, Enhancement of PCM melting in enclosures with horizontally-finned internal surfaces [J].Int.J.Heat Mass Transf., 2011, 54: 4182–4192

[5] Yang Lei (楊磊), Zhang Xiaosong (張小松).Charge performance of packed bed thermal storage unit with phase change material having different melting points [J].CIESC Journal(化工學報), 2012, 63 (4): 1032-1037

[6] Zhong Y, Guo Q, Li S, Shi J, Liu L.Heat transfer enhancement of paraffin wax using graphite foam for thermal energy storage [J].Sol.Energy Mater.Sol., Cells., 2010, 94: 1011–1014

[7] Hu Xiaodong (胡小冬), Gao Xuenong (高學農), Li Delun (李得倫) Chen Siting (陳思婷).Performance of paraffin/expand graphite composite phase change materials [J].CIESC Journal(化工學報), 2013, 64 (10): 3831-3837

[8] Languri E M, Aigbotsua C O, Alvarado J L.Latent thermal energy storage system using phase change material in corrugated enclosures [J].Appl.Therm.Eng., 2013, 50: 1008-1014

[9] Yang Xiaoping (楊小平), Yang Xiaoxi (楊曉西), Ding Jing (丁靜).The thermal analysis of porous medium for high-temperature thermal storage [J].Journal of Engineering Thermophysics(工程熱物理學報), 2012, 33 (3):477-480

[10] Calmidi V V, Mahajan R L.The effective thermal conductivity of high porosity fibrous foams [J].ASME Journal of Heat Transfer, 1999, 121: 466-471

[11] Bhattacharya A, Calmidi V V, Mahajan R L.Thermophysical properties of high porosity metal foams [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45 (5): 1017-1031

[12] Fourie G J, Du Plessis P J.Pressure drop modelling in cellular metallic foams [J].Chemical Engineering Science, 2002, 57 (14): 2781-2789

[13] Zhao C Y, Li S, Wei X, et al.Heat transfer enhancement of high temperature thermal energy storage using metal foams and expanded graphite [J].Sol.Energy Mater.Sol.Cells, 2011, 95 (2): 636-643

[14] Shankar Krishnan, Jayathi Y Murthy, Suresh V Garimella.A two-temperature model for solid-liquid phase change in metal foams [J].J.Heat Transfer, 2004, 127 (9): 995-1004

[15] Yang J L, Du X Z, Yang L J, Yang Y P.Numerical analysis on the thermal behavior of high temperature latent heat thermal energy storage system [J].Sol.Energy, 2013, 98: 543-552

[16] Peng Donghua (彭冬華), Chen Zhenqian (陳振乾), Shi Mingheng (施明恒).Numerical simulation of phase change material thawing process in metallic foams [J].Journal of Engineering Thermophysics(工程熱物理學報), 2010, 30 (6): 1025-1028

[17] Li W Q, Qu Z G, He Y L, et al.Experimental and numerical studies on melting phase change heat transfer in open-cell metallic foams filled with paraffin [J].Applied Thermal Engineering, 2012, 37: 1-9

[18] Wu Zhigen (吳志根), Zhao Changying (趙長穎), Gu Qingzhi (顧清之).Heat transfer enhancement of high temperature thermal energy storage using porous materials [J].CIESC Journal(化工學報), 2012, 63 (S1): 119-123

[19] Zhao C Y, Lu W, Tian Y.Heat transfer enhancement for thermal energy storage using metal foams embedded within phase change materials (PCMs) [J].Sol.Energy, 2010, 84 (8):1402-1412

[20] Chen Z Q, Gao D Y, Shi J.Experiment and numerical study on melting of phase change materials in metal foams at pore scale [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 72:646-655

[21] Xiao Xin (肖鑫), Zhang Peng (張鵬).Thermal characterization of graphite foam/paraffin composite phase change material [J].Journal of Engineering Thermophysics(工程熱物理學報), 2013, 34 (3): 530-533

[22] Sheng Qiang (盛強), Xing Yuming (邢玉明), Wang Ze (王澤).Preparation and performance analysis of metal foam composite phase change material [J].CIESC Journal(化工學報), 2013, 64 (10): 3565-3570