宋瀚文，王子龍，閆勤學(xué)，朱孟帥，張 華

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093；2. 南京汽輪電機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,南京 210000)

0 引 言

相變蓄熱材料利用潛熱儲(chǔ)能，具有能量密度高，儲(chǔ)能/放能過(guò)程近似等溫等優(yōu)點(diǎn)，是太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[1]。但是純相變蓄熱材料大多導(dǎo)熱率低，限制了其在工程上的應(yīng)用，提高相變材料的導(dǎo)熱率，強(qiáng)化其傳熱能力，是研究的重點(diǎn)。目前常用的方法有翅片管[2]，相變材料微膠囊[3]，添加金屬環(huán)，膨脹石墨[4]等以及將相變材料填充入多孔基質(zhì)，如泡沫金屬等。

加入泡沫金屬一般采用導(dǎo)熱率高的鋁、銅和鎳。Jourabian 等[5]使用Al2O3作為多孔基質(zhì)，結(jié)果表明，Al2O3作為基質(zhì)可以有效增強(qiáng)其導(dǎo)熱率。Xiao等[6]建立了考慮試樣與臨近表面接觸熱阻的試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了石蠟-泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料的有效導(dǎo)熱率。此外，Xiao等[7-8]對(duì)比了真空條件與非真空條件下，石蠟注入比例對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱率的影響。結(jié)果表明，真空注入條件下，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱率為純石蠟的3倍。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，泡沫金屬的加入，使相變溫度發(fā)生了輕微變化。于航等[9]搭建了填充石蠟-泡沫金屬的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行熔化蓄熱實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明傳熱得到明顯強(qiáng)化且傳熱溫差越大,自然對(duì)流越明顯,蓄熱時(shí)間越短。程文龍等[10]以石蠟-泡沫鋁復(fù)合材料為研究對(duì)象，提出了一種平衡儲(chǔ)能能力和傳熱性能的方法。

多孔基質(zhì)復(fù)合相變蓄熱材料的模擬常采用構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)的孔尺度法。Zhang等[11]建立了泡沫鋁中固液相變的三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)孔隙率由下至上線性變化的泡沫金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行數(shù)值研究。結(jié)果表明，泡沫金屬通過(guò)增強(qiáng)底部邊角的傳熱能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的蓄熱率。魏高升等[12]基于泡沫金屬基3D微觀結(jié)構(gòu)，采用W-P模型重點(diǎn)分析了泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料有效導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率和孔徑的關(guān)系。研究結(jié)果表明該模型能夠精確預(yù)測(cè)泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)。Hu等[13]建立了可視化的實(shí)驗(yàn)，研究了泡沫金屬對(duì)相變材料的強(qiáng)化效果，采用修正Kelvin模型對(duì)泡沫金屬進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明，泡沫金屬可以顯著提高相變材料的導(dǎo)熱率，熔化時(shí)間較純石蠟減少了45%，最大溫差減少了83.3%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Kelvin模型理論值吻合。Li等[14]建立了六面體金屬骨架模型，數(shù)值模擬了NaNO3與泡沫銅的復(fù)合相變蓄熱材料在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合材料仍為固態(tài)時(shí)，傳熱系數(shù)提高了28倍，當(dāng)復(fù)合材料為液態(tài)時(shí)，熱傳導(dǎo)及自然對(duì)流相結(jié)合，使復(fù)合材料的傳熱系數(shù)提高了3.1倍，復(fù)合材料的熔化和凝固時(shí)間都大大縮短。Feng等[15]建立了簡(jiǎn)化的十四面體的泡沫金屬三維模型，通過(guò)對(duì)稱簡(jiǎn)化，模擬分析了泡沫金屬對(duì)翅片的強(qiáng)化散熱作用。證明了泡沫金屬與相變材料之間溫差較小，可以采用單溫度熱平衡模型，并且模擬證實(shí)了自然對(duì)流的作用不可忽略。

由于相變蓄熱材料在熔化過(guò)程中，同時(shí)存在導(dǎo)熱與自然對(duì)流，且熔化過(guò)程大部分以導(dǎo)熱為主，底部尤為明顯，相關(guān)研究仍然不多。因此，本文建立了可視化的實(shí)驗(yàn)裝置，研究復(fù)合相變蓄熱材料在熔化過(guò)程中固液界面的變化過(guò)程。同時(shí)，分析了泡沫金屬對(duì)石蠟熔化過(guò)程的強(qiáng)化機(jī)理，并基于焓-多孔介質(zhì)模型，對(duì)復(fù)合相變蓄熱材料的熔化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，為進(jìn)一步研究多孔基質(zhì)復(fù)合相變材料熱特性提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)描述

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文研究的多孔基質(zhì)復(fù)合相變蓄熱材料由泡沫金屬銅和石蠟復(fù)合而成。石蠟填充在鋁制半圓柱空腔內(nèi)(R25 mm×90 mm，壁厚2 mm)，填充高度為65 mm。泡沫金屬銅孔徑為5PPI，高為10 mm，填充率為15%，與鋁制容器壁面緊密接觸，故不考慮接觸熱阻。

石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)由熱物性測(cè)試儀(hotdisk)獲得。差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)量曲線如圖1所示，測(cè)量過(guò)程由45 ℃加熱到110 ℃，加熱速率為5 ℃/min，得到了石蠟的相變溫度，比熱及相變潛熱。材料的熱物性如表1所示。

圖1 純石蠟差示掃描量熱儀(DSC)曲線Fig 1 Differential scanning calorimeter (DSC) curves of pure paraffin

表1 純石蠟的熱物性

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由直流電源、測(cè)試部分和數(shù)據(jù)獲取部分組成，如圖2所示。電加熱板(測(cè)量精度為±0.2 W)固定在鋁制空腔側(cè)面及底面，外部為聚四氟乙烯夾板(厚度50 mm)，用以固定電加熱板并減小熱損失。裝置正面為玻璃視窗，便于觀察熔化過(guò)程中固液界面的變化。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境的初始溫度為298 K。直流電源并聯(lián)連接電加熱板，以恒定熱流42 W加熱。實(shí)驗(yàn)中用鉑電阻對(duì)石蠟內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，腔體底部至上部依次布置測(cè)溫點(diǎn)1～4，分別距底面高度為10、30、50和60 mm安捷倫測(cè)試儀每1 s記錄一次溫度變化。

圖2 石蠟-泡沫金屬?gòu)?fù)合相變蓄熱材料性能測(cè)試裝置系統(tǒng)圖Fig 2 Performance testing device system diagram of paraffin/metal foam composite PCMs

1.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

溫度測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)溫傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和電腦組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差分析由Kline和Mcclintock提供的方法給出[16]。本實(shí)驗(yàn)采用PT-100鉑電阻作為測(cè)溫傳感器，精度為±0.15℃。使用的數(shù)據(jù)采集儀為Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀，測(cè)量精度為0.0004%。因此溫度的最大相對(duì)誤差為：

(1)

2 模型及研究方法

2.1 構(gòu)建泡沫金屬模型

模擬重建了復(fù)雜的泡沫金屬幾何模型，將泡沫金屬銅(圖3)簡(jiǎn)化以球體為中心的十四面體，模型采用三維軟件構(gòu)建。

圖3 泡沫金屬幾何模型(a)光學(xué)照片(b)理想單元幾何結(jié)構(gòu)模型Fig 3 Geometry model of metal foam: (a) optic image; (b) ideal element geometry model

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，考慮到模型在y方向?qū)ΨQ，取x>0區(qū)域?yàn)橛?jì)算域。在計(jì)算域內(nèi)，填充的泡沫金屬包含兩層金屬球，共計(jì)26個(gè)。圖4為該模型泡沫金屬的網(wǎng)格劃分，為了清晰圖4沒有顯示石蠟的網(wǎng)格。

圖4 石蠟-泡沫金屬?gòu)?fù)合相變蓄熱材料模型Fig 4 Paraffin/metal foam composite PCMs model

模擬計(jì)算域?yàn)槭炋畛洳糠郑雎詿彷椛涞挠绊?。聚四氟乙烯包裹腔體的底部、后部，僅考慮電熱板提供的恒定熱流，熱流邊界為5 200 W/m2。腔體內(nèi)石蠟液面與空氣接觸，設(shè)為對(duì)流邊界，對(duì)流系數(shù)為30 W/(m2·K)。模型采用對(duì)稱簡(jiǎn)化，側(cè)面為對(duì)稱邊界。正面玻璃與外部空氣自然對(duì)流換熱，對(duì)流系數(shù)為20 W/(m2·K)。模擬中做出以下假設(shè)：

(1)石蠟和泡沫金屬的熱物性不隨溫度改變，為常數(shù)。

(2)石蠟密度采用Boussinesq假設(shè)，忽略熔化過(guò)程體積膨脹

(3)研究溫度范圍內(nèi)，液態(tài)石蠟為不可壓縮的牛頓流體，且為層流流動(dòng)。

多孔介質(zhì)的相變傳熱由液相石蠟的連續(xù)方程和動(dòng)量方程以及相變材料的能量方程控制：

3.提高農(nóng)村幼兒園繪本閱讀活動(dòng)的多元化。農(nóng)村幼兒園老師應(yīng)靈活使用游戲式、表演式、親子式等多種繪本閱讀模式。幼兒園老師可以根據(jù)繪本閱讀教材內(nèi)容來(lái)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)一些趣味性和互動(dòng)性強(qiáng)的游戲，幫助幼兒更加準(zhǔn)確的理解和把握繪本閱讀材料角色的感情和特征，活躍幼兒繪本閱讀氛圍，提高幼兒繪本閱讀的注意力以及培養(yǎng)幼兒繪本閱讀的興趣愛好；幼兒園老師可以先讓幼兒獨(dú)立閱讀和了解繪本內(nèi)容，隨后讓幼兒扮演繪本材料中不同的角色，幼兒相互配合共同完成繪本所講述的故事，有利于鍛煉幼兒的語(yǔ)言表達(dá)能力、記憶力以及團(tuán)結(jié)合作能力等等。

(2)

(3)

(4)

式中：腳標(biāo)f表示相變材料；u為速度，m/s；k為導(dǎo)熱系數(shù)，Wm-1K-1；t為時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；Tm為相變溫度，K；ρ為密度，kg/m3；β為熱膨脹系數(shù)，1/K；μ為動(dòng)力粘度，Ns/m2；cp為比熱容，J/kgK；L為相變材料的潛熱，J/kg；fl是相變材料的液化分?jǐn)?shù)。

公式(3)中的系數(shù)A與液體分?jǐn)?shù)有關(guān)，表達(dá)式如下：

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(6)

C是一個(gè)非常大的數(shù)，S是一個(gè)避免分母為0的微小量。

模型中，動(dòng)量方程選擇三階格式，能量方程選擇二階迎風(fēng)格式。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間步長(zhǎng)的測(cè)試，在綜合考慮計(jì)算時(shí)間和準(zhǔn)確性后，時(shí)間步長(zhǎng)定為0.02s。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的連續(xù)性方程，動(dòng)量方程，能量方程的殘差收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)分別為10-5，10-5和10-6。選取290w，410w兩種數(shù)量不同的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，對(duì)比測(cè)溫點(diǎn)T2溫度隨時(shí)間的變化。如圖5所示，兩組網(wǎng)格的預(yù)測(cè)值均方根誤差分別為1.79%和1.95%，且290w的溫度曲線與實(shí)驗(yàn)相吻合。因此，本文選擇290w數(shù)量的網(wǎng)格模型。

圖5 網(wǎng)格獨(dú)立驗(yàn)證Fig 5 Mesh independency study

2.3 瑞利數(shù)(Ra數(shù))

以英國(guó)科學(xué)家Rayliegh命名的瑞利數(shù)是評(píng)價(jià)自然對(duì)流強(qiáng)度的重要參數(shù)。假設(shè)石蠟熔化過(guò)程中，密度不變，則瑞利數(shù)可由下式計(jì)算得出[17]：

(7)

式中：ρ為密度；g為重力加速度；α為體膨脹系數(shù)；W為腔體當(dāng)量邊長(zhǎng)，mm；Th為高溫壁面溫度；Tm為相變溫度；μ為動(dòng)力粘度；a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s。

2.4 誤差分析

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3 結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

純石蠟和復(fù)合相變蓄熱材料在熔化過(guò)程中的溫度變化如圖8所示。由圖1可知，石蠟的相變過(guò)程發(fā)生在一個(gè)溫度范圍內(nèi)(348～365 K)。在這個(gè)范圍內(nèi)，石蠟發(fā)生相變，釋放潛熱，整個(gè)過(guò)程包括固相的顯熱蓄熱、相變階段的潛熱蓄熱以及液相的顯熱蓄熱。當(dāng)溫度上升至350 K左右時(shí)，石蠟升溫速度加快，這是因?yàn)槭炄刍螅合嗍灣霈F(xiàn)自然對(duì)流，伴隨固體沉降擾動(dòng)加速了內(nèi)部傳熱，使得各測(cè)溫點(diǎn)溫度迅速上升。

對(duì)于純石蠟的熔化過(guò)程，t=640 s前傳熱過(guò)程以導(dǎo)熱主導(dǎo)，T1溫度高于T2、T3和T4，且T2、T3和T4溫度基本相同。640 s后，隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行，自然對(duì)流在傳熱過(guò)程中的影響逐步加劇。在浮升力的作用下，熱流體向上運(yùn)動(dòng)冷流體向下運(yùn)動(dòng)，形成自然對(duì)流，進(jìn)而加速上部石蠟熔化。測(cè)溫點(diǎn)T4、T3、T2的溫度依次超過(guò)T1，頂部溫度高于底部且上下溫差逐漸增大，對(duì)流強(qiáng)度增大。t=901s時(shí)熔化結(jié)束，T4溫度為418 K，高于其余各點(diǎn)，上下部溫差為31 K。

同純石蠟實(shí)驗(yàn)相比，泡沫金屬的加入，加速了熱量從加熱面向內(nèi)部傳遞速率，強(qiáng)化了底部導(dǎo)熱作用，進(jìn)而提高了石蠟熔化速率。由圖6可知，泡沫金屬銅使腔體底部對(duì)流受阻，T1受到的對(duì)流影響減弱，溫度未出現(xiàn)明顯振蕩。腔體底部導(dǎo)熱為主導(dǎo)，強(qiáng)化效果顯著，T1溫度明顯升高。熔化結(jié)束時(shí)，T1溫度為402 K，同純石蠟相比上升15 K。T2、T3位于中部，同時(shí)存在導(dǎo)熱與對(duì)流作用。600 s后，T2、T3溫度均略高于純石蠟，表明整體仍呈現(xiàn)強(qiáng)化效果。T4位于頂部，對(duì)流為主導(dǎo)，因?yàn)榧兪瀸?duì)流強(qiáng)度更高，故700 s前純石蠟T4溫度更高。700 s后，泡沫金屬實(shí)驗(yàn)T4溫度略高，由下述原因所致：一方面由于固/液界面下降，純石蠟實(shí)驗(yàn)由重力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流相應(yīng)地減少；另一方面復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)熔化速率更快，中下部液態(tài)石蠟溫度更高，導(dǎo)熱作用加強(qiáng)了復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)上部溫度。t=700 s時(shí)，T4、T3、T2溫度依次超過(guò)T1，表明液相區(qū)內(nèi)自然對(duì)流已經(jīng)形成，較純石蠟延遲約60 s。泡沫金屬的加入，使得內(nèi)部溫度分布趨于一致，上下部溫差減小。t=870 s時(shí)，熔化結(jié)束，熔化時(shí)間減少了3.44%，上下部溫差為16 K，較純石蠟減少48.39%，即泡沫金屬能有效減少熱量不均的問題。

圖6 純石蠟與復(fù)合相變蓄熱材料在熔化過(guò)程中的溫度變化Fig 6 Temperature change of pure paraffin and composite PCMs during melting

3.2 數(shù)值模擬

圖7和圖8示出了實(shí)驗(yàn)與模擬熔化過(guò)程的固/液界面變化對(duì)比。在Boussinesq假設(shè)下，液態(tài)石蠟雖忽略體積膨脹，但是仍考慮了密度差所產(chǎn)生的浮升力。由圖可知，t=600 s時(shí)，靠近加熱壁面的底部與側(cè)面石蠟首先熔化，固液界面與加熱面近似垂直。在固態(tài)與液態(tài)密度差的影響下，液態(tài)石蠟體積膨脹，加熱壁面附近高溫的液態(tài)石蠟向上流動(dòng)，固液界面處低溫液態(tài)石蠟向下流動(dòng)，在重力作用下形成自然對(duì)流。隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行，液態(tài)石蠟沿著上界面向容器的中心移動(dòng)，液相區(qū)逐漸增大。腔體內(nèi)上部熔化速率大于下部熔化速率，相變界面逐漸傾斜，石蠟液化速率加快。t=780 s時(shí)，上部液態(tài)石蠟完全包裹固態(tài)石蠟并呈三角狀，表明右上方形成渦流區(qū)。

圖7 純石蠟熔化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析Fig 7 Experimental and numerical analysis of the melting process of pure paraffin

圖8 復(fù)合相變蓄熱材料熔化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析Fig 8 Experimental and numerical analysis of melting process of composite PCMs

模擬結(jié)果顯示t=882 s時(shí)，純石蠟?zāi)Ｐ腿刍Y(jié)束，較實(shí)驗(yàn)結(jié)果快了19s。t=842 s時(shí)，復(fù)合相變材料模型熔化結(jié)束，較實(shí)驗(yàn)結(jié)果快了28 s，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。與純石蠟?zāi)Ｐ拖啾?，在同一時(shí)間，復(fù)合相變蓄熱材料模型的熔化速率更高，且底部固液界面上升。這表明泡沫金屬能顯著強(qiáng)化底部導(dǎo)熱，底部溫度高于純石蠟。兩者模擬的過(guò)程均快于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原因是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，絕熱材料會(huì)吸收一部分熱量，產(chǎn)生一部分熱損失。且模擬計(jì)算中材料熱物性的數(shù)值與真實(shí)值有偏差，如粘度、熱膨脹系數(shù)等，特別是忽略了液態(tài)石蠟的體積膨脹，會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成一定程度的影響。

圖9為模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)2的誤差對(duì)比，由圖可知，實(shí)驗(yàn)的終溫均高于模擬終溫。原因是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至800 s后，中上部石蠟熔化為液態(tài)，對(duì)流占主導(dǎo)地位，處于由層流至湍流的過(guò)渡狀態(tài)，因此會(huì)有誤差。RMSE均方根誤差分別為0.0223和0.0179。

圖9 純石蠟與復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)和模擬溫度對(duì)比曲線Fig 9 Experiment and simulation contrast curves of pure paraffin and composite PCMs

3.3 自然對(duì)流強(qiáng)度分析

基于瑞利數(shù)，本文對(duì)石蠟在融化過(guò)程中自然對(duì)流的強(qiáng)弱變化進(jìn)一步分析。

如圖10所示，實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)稱剖面為矩形腔體，底部填充泡沫金屬，內(nèi)部充滿相變材料。底部與左側(cè)為熱流邊界。泡沫金屬孔徑小，故內(nèi)部的自然對(duì)流可以忽略。Tm為相變材料的相變溫度，Th為加熱面溫度，Tc為冷源溫度。對(duì)于泡沫金屬實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榕菽~具有高導(dǎo)熱率，所以認(rèn)為泡沫金屬溫度為壁面溫度，即Th由監(jiān)測(cè)點(diǎn)1測(cè)得；對(duì)于純石蠟實(shí)驗(yàn)，Th為壁面溫度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。熔化時(shí)Tc和Th滿足不等式Tc

圖10 固液界面示意圖Fig 10 Schematic diagram of solid-liquid interface

圖11所示為純石蠟與復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)瑞利數(shù)對(duì)比與理論計(jì)算值對(duì)比。從圖中可以看出，純石蠟實(shí)驗(yàn)的瑞利數(shù)更大，因此其自然對(duì)流更加強(qiáng)烈。隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行，兩者瑞利數(shù)之差呈先增大后減小的趨勢(shì)，在t=650 s時(shí)，兩者之差最大為9.4×107。文獻(xiàn)[18]采用理論N-S方程對(duì)三維方腔內(nèi)自然對(duì)流從過(guò)渡狀態(tài)到湍流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了數(shù)值研究，提出當(dāng)瑞利數(shù)達(dá)到108時(shí)，將會(huì)使得層流向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因此，當(dāng)t=497 s和t=814 s時(shí)，純石蠟實(shí)驗(yàn)和復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)分別向湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變，過(guò)渡狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)分別占熔化過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)的44.8%和6.4%。泡沫金屬的加入，減弱了石蠟在熔化過(guò)程中的自然對(duì)流強(qiáng)度，但增強(qiáng)了其底部導(dǎo)熱，總體上呈強(qiáng)化效果，強(qiáng)化導(dǎo)熱可以有效提高石蠟在相變過(guò)程中的蓄/釋熱速率，進(jìn)而提高蓄熱裝置熱特性。

圖11 純石蠟與復(fù)合相變蓄熱材料實(shí)驗(yàn)的自然對(duì)流對(duì)比曲線Fig 11 Comparison curves of natural convection between pure paraffin and composite PCMs

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)復(fù)合相變蓄熱材料熔化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，分析了石蠟-泡沫金屬銅復(fù)合相變蓄熱材料強(qiáng)化傳熱機(jī)理，并進(jìn)一步研究了泡沫金屬銅對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能及對(duì)流強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：

(1)泡沫金屬銅強(qiáng)化了復(fù)合相變蓄熱材料的導(dǎo)熱性能。純石蠟完全熔化需901 s，復(fù)合相變蓄熱材料的熔化時(shí)間為870 s，較之縮短了3.44%。與純石蠟熔化過(guò)程相比，復(fù)合相變材料底部溫度升高更快，終溫升高15K，且內(nèi)部溫度分布趨于一致，上下部溫差為16 K，較純石蠟減少48.39%。

(2)泡沫金屬的加入減小了復(fù)合相變材料的瑞利數(shù)，純石蠟和復(fù)合相變蓄熱材料的瑞利數(shù)之差呈先增大后減小的趨勢(shì)，t=650 s時(shí)兩者之差最大為9.4×107。泡沫金屬減弱了石蠟在熔化過(guò)程的自然對(duì)流強(qiáng)度，但強(qiáng)化了底部導(dǎo)熱能力，縮短了整體熔化時(shí)間。過(guò)渡狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)分別占熔化過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)的44.8%和6.4%。

(3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果，純石蠟與復(fù)合相變材料模型熔化時(shí)間分別快于實(shí)驗(yàn)結(jié)果19和28 s。RMSE均方根誤差分別為0.0223和0.0179。

通過(guò)復(fù)合相變蓄熱材料相變過(guò)程的研究，可以進(jìn)一步了解泡沫金屬銅對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能及對(duì)流強(qiáng)度的影響，為熱能儲(chǔ)存裝置的設(shè)計(jì)提供參考。