喻家?guī)?牛朝陽(yáng),韋攀,羅濤,楊肖虎,3,劉艷華

(1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安;2.劍橋大學(xué)工程學(xué)院,CB2 1PZ,英國(guó)劍橋;3.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,全球能源消費(fèi)迅速增長(zhǎng),已經(jīng)出現(xiàn)了如能源枯竭、環(huán)境污染和全球變暖等多種問(wèn)題,急需開(kāi)發(fā)可再生能源[1]。太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)的清潔能源,具有無(wú)污染、零排放的特點(diǎn)。在太陽(yáng)能熱利用方面,太陽(yáng)能熱水器技術(shù)日趨成熟,應(yīng)用領(lǐng)域已從生活熱水?dāng)U大到采暖、制冷空調(diào)、海水淡化、工業(yè)加熱、熱發(fā)電等,具有廣闊的前景[2]。然而,由于太陽(yáng)能存在間歇性和隨機(jī)性,往往需要集成蓄熱裝置協(xié)同使用[2-3]。

工程上廣泛使用的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低(石蠟約為0.2 W·m-1·K-1[4-6])、相變儲(chǔ)能效率低,為了提高石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)以加強(qiáng)其在蓄熱領(lǐng)域的可行性,研究者主要從蓄熱設(shè)備的改進(jìn)出發(fā),比如采用翅片、蜂窩、多孔介質(zhì)等[3,7-10],或是在石蠟中添加金屬粉末、金屬網(wǎng)、石墨等[3-6]。

康海軍等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)9種平直翅片管的傳熱與阻力特性進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)翅片間距對(duì)傳熱的影響依賴于臨界雷諾數(shù),對(duì)于層流,翅片間距增加,換熱下降,阻力減小[11]。Yang等對(duì)環(huán)形翅片/石蠟復(fù)合相變材料的熔化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)在相變材料中插入環(huán)形翅片,完全熔化時(shí)間可以最大限度地減少65%[12]。

往石蠟中添加高導(dǎo)熱材料可以顯著提高其導(dǎo)熱系數(shù),如石蠟與膨脹石墨、碳纖維等復(fù)合時(shí),復(fù)合物的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到4～70 W·m-1·K-1[3-6]。張正國(guó)等制備出粉末狀的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,并對(duì)其儲(chǔ)放熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明當(dāng)石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí),復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)放熱時(shí)間分別比純石蠟縮短了69.7%和80.2%[5]。Jiang等使用石蠟和碳纖維制備了復(fù)合相變材料,根據(jù)石蠟/碳纖維復(fù)合相變材料的密度,發(fā)現(xiàn)其面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)比純石蠟高18～57倍,面外導(dǎo)熱系數(shù)也提高了3.7～5.5倍[6]。此外,導(dǎo)熱系數(shù)的提高與復(fù)合相變材料中碳纖維的體積分?jǐn)?shù)幾乎呈線性關(guān)系。

使用多孔泡沫材料也可以有效提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù),使其達(dá)到原有的數(shù)十倍[3,10,13-16]。Yang等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了純石蠟、底部添翅片和不添翅片的泡沫銅/石蠟等3種相變材料的溫度變化和固液相界面移動(dòng),結(jié)果表明在相同條件下,復(fù)合相變材料的完全熔化時(shí)間比純石蠟短了1/3[17]。馬預(yù)譜等通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了鋁翅片和泡沫金屬銅對(duì)石蠟蓄熱性能的影響,結(jié)果表明,加裝鋁翅片和填充泡沫金屬銅能使散熱器與石蠟的平均溫差分別降低76%和18%,同時(shí)導(dǎo)致整體蓄熱密度分別減少40.3%和4.2%,加裝鋁翅片增強(qiáng)石蠟儲(chǔ)熱性能強(qiáng)于填充泡沫金屬銅,但從儲(chǔ)熱密度方面考慮泡沫金屬銅明顯優(yōu)于鋁翅片[18]。Chen等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究探討了金屬泡沫結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)交錯(cuò)管束傳熱和流動(dòng)特性的影響,結(jié)果表明,隨著金屬泡沫孔隙率的增加,換熱管束努塞爾數(shù)因滲透能力的增強(qiáng)而增加,熱對(duì)流主導(dǎo)傳熱,在低雷諾數(shù)下,高孔密度金屬泡沫的努塞爾數(shù)較低,保溫效果較差[19]。

泡沫金屬可以強(qiáng)化固液相變主要是利用了其豐富的比表面積和較高的骨架熱導(dǎo)率,但是對(duì)相變材料整體儲(chǔ)熱性能的增強(qiáng)有限;翅片可顯著增強(qiáng)導(dǎo)熱能力,將換熱界面的熱量傳遞到相變材料內(nèi)部。由此,將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)有望充分利用泡沫豐富的比表面積和翅片高效的熱傳導(dǎo)性能,更好地強(qiáng)化換熱。目前的研究主要集中在翅片管和泡沫金屬管的相變蓄熱,關(guān)于泡沫金屬管和泡沫金屬/翅片管相變蓄熱性能的對(duì)比研究較少。為此,本文建立了圓柱形復(fù)合相變材料蓄熱裝置的測(cè)試系統(tǒng),研究了在不同流速工況下相變材料的溫度響應(yīng)和溫度場(chǎng)均勻性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩者的傳熱性能進(jìn)行了系統(tǒng)比較。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)試件

本文使用環(huán)形泡沫銅,其孔密度為3.94 cm-1,孔隙率為0.97,外徑為83 mm,內(nèi)徑為22.5 mm。泡沫銅試件如圖1所示,采用真空注蠟法將熔融的石蠟注入到泡沫銅中,待石蠟?zāi)毯笕〕鲂纬傻氖?泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩種復(fù)合相變材料填充換熱管的固液儲(chǔ)熱性能,一種為石蠟/泡沫金屬?gòu)?fù)合材料填充管,另一種是在泡沫金屬間隙中每隔50 mm填充2 mm厚的圓環(huán)銅片。

(a)填充前

(b)填充后圖1 泡沫金屬填充石蠟前后照片

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)為了研究泡沫金屬填充管、泡沫金屬/翅片填充管對(duì)蓄熱過(guò)程的強(qiáng)化作用,搭建了一套相變換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖2所示,主要由換熱流體循環(huán)系統(tǒng)、蓄熱換熱管測(cè)試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。換熱流體循環(huán)系統(tǒng)主要由恒溫水箱、流量計(jì)、硅膠管和閥門組成;測(cè)試系統(tǒng)主要由有機(jī)玻璃外管和紫銅內(nèi)管組成的環(huán)形蓄熱換熱管以及環(huán)形間隙中填充的復(fù)合相變材料組成;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀Agilent 34970A組成,其中熱電偶的采集精度為0.1 ℃,恒溫水箱的溫控精度為0.1 ℃,流量計(jì)的測(cè)量誤差為±1%。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

選用恒溫水箱產(chǎn)生的70 ℃純水作為換熱流體,從銅管頂部注入。選用石蠟為相變儲(chǔ)熱材料,其熱物性參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)同心圓柱式蓄熱管,高度為300 mm,管外徑為100 mm,內(nèi)徑為90 mm。本文設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的換熱管用于實(shí)驗(yàn):一個(gè)是環(huán)形間隙填充泡沫金屬的換熱管;另一個(gè)是環(huán)形間隙填充泡沫金屬和翅片的換熱管,在300 mm的高度方向等間距分布有5片環(huán)形翅片,將其焊接在銅管上,間隔為50 mm,如圖3所示。在兩種換熱管制備過(guò)程中為了降低泡沫金屬與銅管的接觸熱阻,采用導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱系數(shù)為25 W·m-1·K-1)作為粘接劑,均勻涂抹于泡沫金屬與銅管之間的接觸面上。由于石蠟類材料相變吸熱后體積的膨脹率在10%左右,因此從換熱管底面至270 mm高度處填充滿泡沫銅,上部留有30 mm的空腔用于石蠟膨脹。數(shù)據(jù)采集段的測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示,用20根T型熱電偶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度,其中2根分別布置在銅管的入口處和出口處,其余均布置在蓄熱管內(nèi)。表2給出了每根熱電偶的徑向距離R與垂直高度H。

表1 石蠟的熱物性參數(shù)

圖3 泡沫金屬/翅片填充管熱電偶分布圖

H/mm位置點(diǎn)R=11 mmR=25 mmR=40 mm25a6b6c675a5b5c5125a4b4c4175a3b3c3225a2b2c2275a1b1c1

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將石蠟冷卻至室溫附近,并且為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,還應(yīng)檢查凝固石蠟的上表面是否水平,如若有明顯的凸起或凹陷,則應(yīng)將其處理至近似水平。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將整個(gè)測(cè)試段包裹在保溫棉(導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W·m-1·K-1)中,以減少熱量損失。恒溫水箱采用純水作為換熱流體,提供70 ℃的高溫?fù)Q熱邊界。平均入口流速保持恒定且小于0.1 m/s,對(duì)應(yīng)的換熱管雷諾數(shù)低于2 000,因此該流動(dòng)為層流。

實(shí)驗(yàn)裝置啟動(dòng)前,關(guān)閉閥門2和3,開(kāi)啟閥門1。開(kāi)啟恒溫水箱使溫度上升至70 ℃,待水箱溫度穩(wěn)定后打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器開(kāi)始采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)(時(shí)間間隔10 s),此時(shí)打開(kāi)閥門2和3,關(guān)閉閥門1,使換熱流體從銅管頂部送入。

2 結(jié)果討論

2.1 相同流速下泡沫管和泡沫/翅片管的軸向溫度響應(yīng)

在這兩種換熱管中,相變材料的熔化趨勢(shì)基本一致。相變蓄熱主要分為3個(gè)階段:第1階段為固態(tài)純導(dǎo)熱階段,由換熱流體傳遞的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)被固體石蠟吸收,由于石蠟的顯熱較小,所以其溫升較快;第2階段為相變階段,此階段石蠟開(kāi)始由固態(tài)熔化為液態(tài),由于其潛熱較大,所以石蠟溫度上升較為平緩;第3階段為液態(tài)導(dǎo)熱階段,液態(tài)石蠟再次進(jìn)入顯熱蓄熱狀態(tài),所以該階段石蠟溫度上升也較快。完成上述3個(gè)階段后,換熱管內(nèi)的測(cè)點(diǎn)溫度逐漸穩(wěn)定趨于定值,表明此測(cè)點(diǎn)附近完成蓄熱。如圖4所示,因?yàn)閍點(diǎn)緊貼換熱管,所以熱傳導(dǎo)占主導(dǎo)地位,c點(diǎn)離管外壁面最近,容易受到外界環(huán)境的影響。因此,為了準(zhǔn)確研究不同換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的影響,選取bi點(diǎn)(第i層的中間位置)作為代表,對(duì)其溫度變化情況進(jìn)行分析。

(a)泡沫管

(b)泡沫/翅片管圖4 入口流速為0.07 m/s時(shí)石蠟熔化過(guò)程bi點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度

圖5 入口流速為0.07 m/s時(shí)泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點(diǎn)的熔化時(shí)間比較

如圖5所示,對(duì)于泡沫管,位于上層相變材料的b2點(diǎn)熔化時(shí)間比最下層b6點(diǎn)快1 300 s(0.36 h),差別很小。從圖4a可以觀察到,在第1階段內(nèi)的導(dǎo)熱階段和第2階段內(nèi)的對(duì)流階段前期,bi點(diǎn)之間的溫差很小,溫度變化曲線幾乎重疊。這主要有兩個(gè)方面的原因:首先水的比熱容較大,換熱管進(jìn)出口水溫相差很小,整根管子的管壁近似于恒溫壁面,所以每層熱傳導(dǎo)能力幾乎一致;其次,此階段環(huán)形間隙的石蠟熔化量很少,對(duì)流作用微弱。綜合這兩方面原因,該階段的溫度曲線幾乎重疊,然而在后期,隨著石蠟熔化量增加,對(duì)流作用越來(lái)越強(qiáng),bi點(diǎn)之間的溫差逐漸擴(kuò)大,故溫度曲線逐漸分散開(kāi),但是總體來(lái)說(shuō)泡沫金屬填充管內(nèi)部的溫度均勻性非常好。如圖5所示,對(duì)于泡沫/翅片管,位于上層相變材料的b2點(diǎn)熔化時(shí)間比最下層b6點(diǎn)快2 740 s(0.76 h),相比泡沫管熔化間隔增加了1 440 s。從圖4b可以觀察到,在第1階段內(nèi)的導(dǎo)熱階段,bi點(diǎn)的溫度隨i的增大而降低,且垂直方向越靠下,溫度越低。泡沫/翅片管相比泡沫管溫度曲線間距拉大,是由于翅片的加入增大了管內(nèi)的局部導(dǎo)熱能力,使得進(jìn)出口水的溫差進(jìn)一步擴(kuò)大,此時(shí)不能再看作是恒溫壁面,換熱管的導(dǎo)熱能力在垂直高度由上至下是逐漸減弱的。此外,因?yàn)槲挥阢~管上方的換熱流體流動(dòng)的努塞爾數(shù)較大,銅管下方的換熱流體流動(dòng)的努塞爾數(shù)較小,所以換熱流體在銅管上方能更好地?fù)Q熱。因此,位于上方的測(cè)點(diǎn)溫度要高于下方的測(cè)點(diǎn)溫度。此外,隨著時(shí)間的推移,各層之間的溫差逐漸擴(kuò)大。除了上述因素,局部自然對(duì)流也使得溫度均勻性下降。

2.2 相同流速下泡沫管和泡沫/翅片管的軸向各層相變時(shí)間

從拍攝結(jié)果可以看出,泡沫管完全熔化時(shí)間約為120 min,泡沫/翅片管完全熔化時(shí)間約為100 min,縮短了將近16.7%。從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn),在第2階段內(nèi),泡沫管和泡沫/翅片管在相變時(shí)間上存在較大差異,雖然兩者從上至下每層的相變時(shí)間都在逐漸擴(kuò)大,但可以發(fā)現(xiàn)泡沫管b2點(diǎn)的相變時(shí)間約為3 240 s,泡沫/翅片管b2點(diǎn)的相變時(shí)間約為2 390 s,前者比后者慢了850 s,然而對(duì)于b6點(diǎn),泡沫管的相變時(shí)間約為4 560 s,泡沫/翅片管的相變時(shí)間約為4 040 s,前者比后者慢了520 s。分析如下:在垂直方向上,自然對(duì)流是由下至上進(jìn)行熱傳遞的,b2點(diǎn)位于翅片上方,b6點(diǎn)位于翅片下方,因此對(duì)于b2點(diǎn),翅片的加入有助于增強(qiáng)對(duì)流傳熱,縮短相變時(shí)間;對(duì)于b6點(diǎn),翅片的加入對(duì)增強(qiáng)對(duì)流傳熱微弱,反而在空間上一定程度地限制了自然對(duì)流,所以延長(zhǎng)了局部石蠟的相變時(shí)間,同時(shí)也導(dǎo)致底部石蠟不易熔化,內(nèi)部溫度分布不均勻性增大。

圖6 入口流速為0.07 m/s時(shí)泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點(diǎn)的溫度變化比較

圖7 入口流速為0.07 m/s時(shí)泡沫管和泡沫/翅片管相同位置點(diǎn)的相變時(shí)間比較

通過(guò)比較兩種情況,可以觀察到環(huán)形翅片的參與可以有效地增強(qiáng)相變傳熱,縮短整體完全熔化時(shí)間,但是翅片的加入會(huì)破壞泡沫管溫度場(chǎng)的均勻性,各層之間溫差擴(kuò)大,而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,翅片不可隨意布置,在泡沫管底部布置翅片不僅不會(huì)增加底部石蠟的熔化量,反而會(huì)削弱熱傳遞,這對(duì)工程實(shí)際有一定借鑒意義。

2.3 換熱流體流速對(duì)相變材料熔化過(guò)程的影響

(a)泡沫管

(b)泡沫/翅片管圖8 不同流速下?lián)Q熱管b4測(cè)點(diǎn)溫度變化圖

圖8為不同流速下?lián)Q熱管b4測(cè)點(diǎn)溫度變化圖,可以看出,流速對(duì)相變材料的溫度改善有影響,隨著流速的增加,石蠟的熔化過(guò)程會(huì)加快。對(duì)于泡沫管,當(dāng)流速為0.06 m/s時(shí),b4點(diǎn)的完全熔化時(shí)間約為6 020 s,最終的穩(wěn)定溫度為61.89 ℃;當(dāng)流速為0.1 m/s時(shí),b4點(diǎn)的完全熔化時(shí)間約為4 730 s,最終的穩(wěn)定溫度為64.95 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn),通過(guò)提高流速,泡沫管完全熔化時(shí)間縮短21.4%,最終的穩(wěn)定溫度提高4.94%。對(duì)于泡沫/翅片管,當(dāng)流速為0.06 m/s時(shí),b4點(diǎn)的完全熔化時(shí)間約為4 630 s,最終的穩(wěn)定溫度為63.93 ℃;當(dāng)流速為0.1 m/s時(shí),b4點(diǎn)的完全熔化時(shí)間約為3 550 s,最終的穩(wěn)定溫度為65.83 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn),通過(guò)提高流速,泡沫/翅片管完全熔化時(shí)間縮短23.3%,最終的穩(wěn)定溫度提高2.97%?？傮w來(lái)說(shuō),無(wú)論是對(duì)泡沫管還是泡沫/翅片管,換熱流體流速?gòu)?.06 m/s升至0.1 m/s可以明顯提高蓄熱裝置的蓄熱速度和最終的穩(wěn)定溫度。這是由于石蠟側(cè)填充泡沫金屬和翅片之后,導(dǎo)熱能力明顯增強(qiáng),從而其所占整個(gè)系統(tǒng)熱阻的比重相應(yīng)減小,換熱流體側(cè)的熱阻所占比重就相對(duì)上升,這時(shí)提高流速可以明顯減小換熱流體側(cè)熱阻,增強(qiáng)裝置的蓄熱能力。然而,提高流速會(huì)增大系統(tǒng)的泵功消耗,同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)管路提出更高的要求,這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗和初投資是不利的,所以需要權(quán)衡考慮。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)相變材料內(nèi)嵌通孔泡沫金屬和翅片的熔化過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,記錄了在不同流速下石蠟熔化過(guò)程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度,討論了不同換熱結(jié)構(gòu)(泡沫管和泡沫/翅片管)對(duì)熔化過(guò)程的影響,以及換熱流體流速對(duì)相變傳熱的影響。通過(guò)分析,得出以下結(jié)論。

(1)泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料的溫度分布比泡沫銅+翅片/石蠟復(fù)合相變材料的溫度分布更均勻,但泡沫/翅片管具有更好的傳熱性能,蓄熱速度更快。

(2)在泡沫金屬管中不可隨意布置翅片,在泡沫管底部布置翅片不會(huì)促進(jìn)位于翅片之下石蠟的熔化,反而會(huì)削弱自然對(duì)流,延長(zhǎng)底部石蠟的相變時(shí)間。

(3)對(duì)于泡沫管和泡沫/翅片管,流速對(duì)相變材料的溫度改善有顯著影響。隨著流速的增加,石蠟的熔化過(guò)程會(huì)加快,最終的穩(wěn)定溫度會(huì)提高。