張浩，王姣，馬挺，李馨怡，劉軍，王秋旺

（1 中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900；2 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，陜西西安 710049；3 中國(guó)工程物理研究院高能激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621900）

引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，飛行器上搭載的脈動(dòng)工作式大功率電子設(shè)備逐漸增多，一般情況下該類裝置對(duì)于溫度控制的精度要求較高，并且工作時(shí)散熱量大，但放熱時(shí)間較短。航天器自帶的散熱器可連續(xù)工作，但散熱功率較小，為了使這兩種設(shè)備協(xié)調(diào)工作，需要使用蓄冷器將脈動(dòng)式大功率設(shè)備短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量蓄積起來(lái)，通過(guò)航天器自帶散熱設(shè)備逐漸散發(fā)到宇宙空間。多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱的相變蓄冷技術(shù)利用相變材料潛熱實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，是緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度和地點(diǎn)上不匹配的有效方式，具有熱容量大、換熱效率高、控溫穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。相變儲(chǔ)熱技術(shù)的核心在于相變材料[4-7]，固-液相變材料熱容量大且相變溫度較恒定，是理想的儲(chǔ)能材料。然而，相變材料（如石蠟等）普遍熱導(dǎo)率較小，導(dǎo)致蓄冷器吸熱和放熱過(guò)程中面臨熱阻較大且換熱效率低下等問(wèn)題，削弱了蓄冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)上述問(wèn)題，近些年來(lái)國(guó)際上發(fā)展了多種相變蓄熱裝置強(qiáng)化傳熱的方法[8-12]，其中以高導(dǎo)熱多孔介質(zhì)材料復(fù)合相變蓄熱材料的設(shè)計(jì)應(yīng)用最為廣泛[13-19]，通常在蓄冷器內(nèi)放置泡沫金屬或多孔石墨等高熱導(dǎo)率的多孔材料骨架，強(qiáng)化蓄冷器內(nèi)部的換熱過(guò)程并降低吸熱和放熱時(shí)界面溫度變化[20]。

以往研究表明，由于相變介質(zhì)在固態(tài)和液態(tài)條件下存在一定的密度差，多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)固相與骨架間的相對(duì)位置與重力密切相關(guān)[21]，同時(shí)在重力的作用下，蓄冷器內(nèi)將發(fā)生較為明顯的自然對(duì)流。目前尚未見(jiàn)超重條件下多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱的固-液相變換熱特性相關(guān)的報(bào)道。在常重力條件下，Zhang等[22]基于泡沫銅復(fù)合石蠟相變蓄冷器，研究獲得石蠟熔化過(guò)程中固-液相界面變化特征。Zhang等[23]基于泡沫鋁復(fù)合石蠟相變蓄冷器，研究得到石蠟熔化過(guò)程固-液相界面黏糊狀區(qū)特征，熱流方向上界面換熱速率不同。陳振乾等[24-25]進(jìn)行了泡沫鋁復(fù)合石蠟相變蓄冷器實(shí)驗(yàn)研究，由于泡沫鋁的強(qiáng)化傳熱作用，固-液相變界面遷移特征相比純石蠟相變蓄冷器內(nèi)遷移特征要更加均勻，同時(shí)基于LBM 計(jì)算方法獲得了孔隙尺寸下多孔介質(zhì)內(nèi)相變材料熔化特性。屈治國(guó)等[26-27]基于泡沫銅復(fù)合石蠟相變蓄冷器研究得到，當(dāng)重力方向與熱流方向垂直時(shí)，固-液相變過(guò)程出現(xiàn)了明顯的自然循環(huán)對(duì)流渦旋，沿?zé)崃鞣较虻南嘟缑婕皽囟确植疾⒉痪鶆?。Mancin 等[28]、Wang 等[29]通過(guò)泡沫銅復(fù)合石蠟相變蓄冷器實(shí)驗(yàn)研究得到泡沫銅強(qiáng)化傳熱特性，相變換熱過(guò)程中固-液相變交界面呈現(xiàn)出較為均勻的相界面遷移特征。羅小兵等[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了鋁翅片和泡沫銅對(duì)石蠟的儲(chǔ)熱性能和儲(chǔ)熱密度的綜合影響，獲得了金屬材料增強(qiáng)的石蠟儲(chǔ)熱性能。楊勇平等[31]基于石蠟材料熱物性分析，通過(guò)泡沫金屬?gòu)?qiáng)化的石蠟相變換熱過(guò)程可視化實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了純相變材料以及泡沫金屬?gòu)?qiáng)化的復(fù)合相變材料自然對(duì)流換熱及相界面特征。孫清[32]開(kāi)展了固液相變蓄能與熱控裝置中相變傳熱機(jī)理研究，采用焓-多孔介質(zhì)方法建立了考慮自然對(duì)流過(guò)程的冰蓄冷模型，研究揭示了自然對(duì)流對(duì)蓄冰傳熱過(guò)程的影響機(jī)理。張艷勇等[33]開(kāi)展了基于孔隙尺度的多孔骨架對(duì)固液相變的影響機(jī)理研究，系統(tǒng)分析了無(wú)量綱Rayleigh 數(shù)、Prandtl 數(shù)、Stefan 數(shù)對(duì)方腔內(nèi)填充多孔介質(zhì)骨架固液相變?nèi)诨瘋鳠岬挠绊懸?guī)律。王關(guān)皓等[34]利用膨脹石墨和納米顆粒來(lái)強(qiáng)化相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱性能，研究了不同孔隙率以及不同熱導(dǎo)率的強(qiáng)化傳熱材料對(duì)蓄熱階段相變材料熔融速率的影響。

針對(duì)超重條件下多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱的相變蓄冷換熱性能及特性研究，本文設(shè)計(jì)搭建了離心大過(guò)載條件下固-液相變換熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了超重條件下多孔介質(zhì)內(nèi)固-液相變換熱特征，為航空航天條件下相變蓄冷器設(shè)計(jì)與有效應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用商用石蠟（十六烷，純度大于99%）作為相變材料，基于美國(guó)TA公司生產(chǎn)的DSC Q2000差式掃描量熱儀進(jìn)行物性測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖1所示。強(qiáng)化傳熱骨架選用高導(dǎo)熱泡沫石墨，采用T3Ster 熱瞬態(tài)分析儀測(cè)量得到其各向異性熱導(dǎo)率。物性參數(shù)由生產(chǎn)廠家提供，詳見(jiàn)表1。

圖1 十六烷DSC測(cè)量曲線Fig.1 DSC measurement of hexadecane

表1 實(shí)驗(yàn)材料物性參數(shù)Table 1 Physical properties of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 為相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)，整塊泡沫石墨（100 mm×100 mm×40 mm）被封裝于不銹鋼殼體內(nèi)，除換熱面與泡沫石墨界面通過(guò)高導(dǎo)熱焊料焊接可忽略熱阻外，泡沫石墨與其周圍殼體內(nèi)壁面間均保持1 mm間隙以防止漏熱，同時(shí)熱流方向與泡沫石墨較高熱導(dǎo)率方向（X）同向；通過(guò)真空加注方式實(shí)現(xiàn)石蠟充注，殼體一側(cè)采用加熱片加熱方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱過(guò)程，另一側(cè)采用TEC 復(fù)合風(fēng)冷翅片實(shí)現(xiàn)相變蓄冷。通過(guò)加熱與制冷配合，可實(shí)現(xiàn)相變蓄冷單元初溫穩(wěn)定控制。為了監(jiān)測(cè)離心加載情況下相變蓄冷器內(nèi)換熱特性，分別在相變蓄冷器內(nèi)及換熱面布置熱電偶探頭，熱電偶探頭精度為Ⅰ級(jí)，經(jīng)檢定后0～100℃范圍內(nèi)測(cè)量誤差為±0.2℃。探頭通過(guò)高導(dǎo)熱焊料封裝在測(cè)量孔內(nèi)以減小熱阻，監(jiān)測(cè)蓄冷器內(nèi)部及換熱面溫度變化，熱電偶在側(cè)壁穿孔處采用密封塞密封。

圖2 離心機(jī)搭載的相變蓄冷換熱實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental apparatus on centrifuge

圖3 為離心機(jī)搭載的相變蓄冷換熱實(shí)驗(yàn)裝置。主體結(jié)構(gòu)包括相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)采集模塊及傳感器等,通過(guò)同一底板固定后搭載于離心機(jī)懸臂，通過(guò)底板與離心機(jī)懸臂孔位可實(shí)現(xiàn)任意90°旋轉(zhuǎn)固定安裝。供電及采集通訊裝置置于離心機(jī)外總控間，根據(jù)電源種類及采集傳輸信號(hào)類型分組后，離心機(jī)搭載設(shè)備與總控間設(shè)備通過(guò)離心機(jī)集流環(huán)實(shí)現(xiàn)供電及信號(hào)傳遞。相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用橡樹(shù)棉進(jìn)行保溫，同時(shí)在裝置迎風(fēng)方向增加了防風(fēng)罩，避免旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由于風(fēng)冷產(chǎn)生系統(tǒng)漏熱。

圖3 相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of phase change energy storage unit

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

待離心機(jī)轉(zhuǎn)速即加速度恒定后，通過(guò)控制熱負(fù)載及制冷片功率實(shí)現(xiàn)相變蓄熱器初始溫度均勻分布狀態(tài)（低于相變材料相變起始溫度點(diǎn)，本文中起始溫度約15℃）。針對(duì)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)，使用定功率可調(diào)電源實(shí)現(xiàn)恒熱流加熱邊界條件（換熱面功率密度3 W/cm2），實(shí)驗(yàn)時(shí)間150 s，實(shí)現(xiàn)泡沫石墨內(nèi)石蠟固-液熔化相變蓄熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程。儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用翅片強(qiáng)化風(fēng)冷的熱電制冷片實(shí)現(xiàn)泡沫石墨-石蠟相變蓄冷單元蓄冷狀態(tài)恢復(fù)。保持相同熱負(fù)載及環(huán)境條件，開(kāi)展不同離心加速度（2g、6g、10g，其中g(shù)為常重力加速度值）及加速度與熱流夾角方向條件（0°、90°、180°）下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)預(yù)先布置的熱敏探頭測(cè)得換熱面及蓄冷器內(nèi)溫度分布，獲得不同加速度矢量條件下多孔泡沫石墨復(fù)合石蠟相變蓄冷換熱特征。相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K中截面測(cè)溫點(diǎn)布局及熱流-加速度實(shí)驗(yàn)方向關(guān)系如圖4所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)K放置于離心機(jī)懸臂固定半徑位置處，熱流方向始終垂直于重力方向即熱流方向均處于水平面內(nèi)，離心機(jī)提供的離心加速度方向始終沿著離心機(jī)轉(zhuǎn)軸向外。因此，通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)相變蓄冷實(shí)驗(yàn)?zāi)K方向，可實(shí)現(xiàn)熱流與離心加速度夾角調(diào)整，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置靠離心機(jī)轉(zhuǎn)軸近端為熱負(fù)載、外圈為制冷片時(shí)，熱流方向與離心加速度方向?yàn)橥蜿P(guān)系（離心加速度矢量方向沿著點(diǎn)1 至點(diǎn)2 方向），以此類推可實(shí)現(xiàn)熱流方向與離心加速度方向?yàn)榇怪保x心加速度矢量方向沿著點(diǎn)3 至點(diǎn)1 方向）和反向（離心加速度矢量方向沿著點(diǎn)2至點(diǎn)1方向）關(guān)系。

圖4 熱流-加速度方向夾角與中截面測(cè)溫點(diǎn)布局Fig.4 Directional relation between heat flux and acceleration with distribution of temperature measurements

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 加速度大小對(duì)換熱面冷卻的影響

圖5為不同加速度大小下相變蓄冷過(guò)程換熱面溫升曲線。可知在不同加速度條件下，換熱面總體溫升曲線趨勢(shì)基本一致，加熱至20 s左右，由于蓄冷材料相變潛熱儲(chǔ)能作用，加上相變材料融化過(guò)程中較為穩(wěn)定的相變溫度，換熱面溫升曲線在該時(shí)刻附近存在明顯的拐點(diǎn)，換熱面溫升速率相比加熱初期顯著變緩?？紤]到結(jié)構(gòu)體壁面?zhèn)鳠釤嶙杓凹訜崞c結(jié)構(gòu)體以及結(jié)構(gòu)體與復(fù)合相變材料間的接觸熱阻，換熱面溫升曲線拐點(diǎn)處溫度與石蠟相變材料相變溫度間存在約3℃溫差，并且換熱面溫度隨著加熱進(jìn)程緩慢上升。恒定加載150 s內(nèi)，換熱面溫升不超過(guò)15℃，能夠較好地實(shí)現(xiàn)廢熱吸收與換熱面低速率溫升控制。

如圖5（a）所示，當(dāng)加速度方向與熱流方向同向時(shí)，換熱面冷卻效率隨著加速度增大而逐步下降，10g加速度下?lián)Q熱面溫度相比2g加速度下高1～1.4℃，此方向下加速度提升對(duì)于換熱面冷卻效率不利，分析認(rèn)為該夾角方向下，蓄冷器內(nèi)自然循環(huán)對(duì)流換熱進(jìn)程難以建立，同時(shí)可能存在著一定的相變蓄冷材料脫離換熱面，界面處增加了一定的傳熱熱阻。如圖5（b）所示，當(dāng)加速度方向與熱流方向反向時(shí)，不同加速度對(duì)應(yīng)的換熱面冷卻效率差別較小，但隨加速度增大存在微弱的上升趨勢(shì)，10g加速度下?lián)Q熱面溫度相比于2g加速度下降低0.2～0.6℃，此方向下加速度增大對(duì)于換熱面冷卻效率具有一定的促進(jìn)作用，分析認(rèn)為該夾角方向下，蓄冷器內(nèi)建立了較為穩(wěn)定的自然循環(huán)對(duì)流換熱機(jī)制，強(qiáng)化了蓄冷器內(nèi)相變換熱能力。如圖5（c）所示，當(dāng)加速度方向與熱流方向垂直時(shí)，不同加速度對(duì)應(yīng)的換熱面冷卻效率差別較小，但不同加速度下?lián)Q熱面溫升速率隨加載時(shí)間逐步增大，10g加速度下?lián)Q熱面溫度相比2g加速度下高0.4～0.7℃，分析認(rèn)為該溫升與蓄冷器內(nèi)固-液相變換熱不均勻性相關(guān)。

圖5 不同加速度下?lián)Q熱面溫升曲線Fig.5 Temperature curves of the heating surface under different accelerating magnitude

2.2 加速度方向?qū)Q熱面冷卻的影響

圖6 為2g、6g及10g加速度對(duì)應(yīng)的不同加速度方向下?lián)Q熱面溫升曲線。由于相變蓄冷潛熱儲(chǔ)熱效應(yīng)，不同加速度方向調(diào)節(jié)下?lián)Q熱面總體溫升趨勢(shì)存在較為一致的緩升趨勢(shì)，加速度-熱流同向條件下?lián)Q熱面溫升曲線拐點(diǎn)溫度相對(duì)較高，但隨著換熱進(jìn)程發(fā)展，其溫度曲線上升斜率相比其余兩種工況要小。通過(guò)對(duì)比可知，加速度方向?qū)τ谙嘧冃罾鋼Q熱面溫升控制影響顯著。在150 s 換熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，加速度-熱流反向加載條件下的換熱面冷卻效率最佳，加速度-熱流垂直加載條件下次之，分析認(rèn)為該現(xiàn)象與相變蓄冷器內(nèi)液相相變材料局部自然循環(huán)對(duì)流換熱過(guò)程有關(guān)；同時(shí)，在換熱時(shí)間為120～130 s時(shí)，同向加載與垂直加載兩種方向條件下的換熱面溫升曲線間存在一定的交叉，分析認(rèn)為與相變蓄冷器內(nèi)換熱不均勻性乃至換熱面-相變材料界面脫離相關(guān)。同時(shí)，隨著加速度逐步提升及換熱進(jìn)程發(fā)展，不同加速度與熱流夾角方向條件下對(duì)應(yīng)的換熱面溫度差異也逐步擴(kuò)大，在10g加速度條件下，不同加載方向?qū)?yīng)的同一時(shí)刻換熱面溫差最大可達(dá)2℃。

圖6 不同加速度方向下?lián)Q熱面溫升曲線Fig.6 Temperature curves of the heating surface under different accelerating direction

2.3 相變蓄冷器內(nèi)傳熱特性分析

針對(duì)不同加速度矢量下相變蓄冷器內(nèi)溫度分布均勻性，選取在熱流方向上對(duì)稱且靠近換熱面的兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)1、點(diǎn)3,具體位置見(jiàn)圖4）分析相變蓄冷器內(nèi)傳熱特性，能夠快速、全面反映蓄冷器儲(chǔ)熱過(guò)程中單相吸熱、相變換熱、全相變后溫升等各階段下蓄冷器內(nèi)溫度分布及變化趨勢(shì)，不同加速度條件下對(duì)應(yīng)相變蓄冷器內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)如圖7 所示。由圖可知，當(dāng)加速度方向與熱流方向?yàn)橥蚧蚍聪蜿P(guān)系時(shí)，垂直于熱流方向的相變蓄冷器內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度較為一致，兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)間溫差絕對(duì)值在0.8℃以內(nèi)。而在加速度方向垂直于熱流方向時(shí)，隨著加速度逐步增大（尤其在6g及10g加速度下）及換熱進(jìn)程發(fā)展，相變蓄冷器內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度分布不均勻性逐步擴(kuò)大，靠近離心機(jī)轉(zhuǎn)軸監(jiān)測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)3）溫度顯著高于加速度方向下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)1）溫度，10g加速度條件下相變蓄冷器內(nèi)溫差最大可達(dá)6℃。分析認(rèn)為，當(dāng)加速度方向與熱流方向垂直時(shí)，相變蓄冷器內(nèi)固-液混合蓄冷工質(zhì)由于密度差作用，將在蓄冷器內(nèi)產(chǎn)生自然循環(huán)對(duì)流現(xiàn)象，導(dǎo)致蓄冷器內(nèi)溫度分布沿加速度方向呈現(xiàn)不均勻性；同時(shí)，通過(guò)點(diǎn)3監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫升曲線可知，該部位相變蓄冷復(fù)合材料經(jīng)歷了“固相顯熱儲(chǔ)熱-固液相變潛熱儲(chǔ)熱-液相顯熱儲(chǔ)熱”三個(gè)階段換熱進(jìn)程。

圖7 相變蓄冷器內(nèi)溫升曲線Fig.7 Temperature curves of the phase change energy storage unit

3 結(jié)論

本文針對(duì)超重條件下泡沫石墨-石蠟相變換熱特性，設(shè)計(jì)搭建了離心機(jī)搭載的相變蓄冷換熱實(shí)驗(yàn)研究裝置，開(kāi)展了不同超重條件下的多孔介質(zhì)強(qiáng)化的相變傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究，獲得的主要結(jié)論如下。

（1）采用多孔石墨強(qiáng)化傳熱的石墨-石蠟相變蓄冷器具有較高的傳熱性能，可明顯減緩換熱面溫升速率，同時(shí)在其相變蓄冷量范圍內(nèi)可將界面溫度控制在較低溫升范圍內(nèi)。

（2）加速度方向?qū)τ谡w換熱性能影響顯著，加速度方向與熱流方向反向或垂直時(shí)，有利于相變蓄冷器內(nèi)液相儲(chǔ)能工質(zhì)局部循環(huán)自然對(duì)流，促進(jìn)相變蓄冷換熱過(guò)程，而加速度方向與熱流方向同向時(shí)換熱效率降低。

（3）隨著加速度逐步提升，加速度與熱流夾角方向?yàn)橥蚝痛怪睏l件下對(duì)應(yīng)的換熱面溫度差異擴(kuò)大較為顯著，加速度與熱流夾角方向?yàn)榉聪驐l件下溫度差異變化較小。

（4）當(dāng)加速度方向與熱流方向垂直時(shí)，由于加速度驅(qū)動(dòng)的非均勻自然循環(huán)對(duì)流作用，將導(dǎo)致相變蓄冷器內(nèi)溫度沿加速度方向存在不均勻性分布，并且該溫度分布差異將隨著加速度增大與換熱過(guò)程逐步擴(kuò)大。

基于上述實(shí)驗(yàn)研究成果，加深了不同加速度矢量對(duì)于高導(dǎo)熱多孔介質(zhì)強(qiáng)化的相變蓄冷換熱特性影響規(guī)律認(rèn)識(shí)。未來(lái)還將針對(duì)不同加速度矢量下?lián)Q熱效率及相界面形態(tài)開(kāi)展可視化研究分析，為航空航天環(huán)境下脈動(dòng)式工作熱負(fù)載的高效熱管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。