劉巖，劉智慧，金光，張立，鄭明杰，郭少朋,3

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.日本賽揚(yáng)建筑事務(wù)所，日本東京，104-0033；3.中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津，300350

0 引言

太陽(yáng)能等可再生能源受其間歇性及地理因素制約難以得到高效應(yīng)用與發(fā)展[1]。利用相變蓄熱裝置可在一定程度上解決太陽(yáng)能供需不匹配的問題[2]。然而，傳統(tǒng)相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，極大限制了相變蓄熱裝置的蓄熱速率。李興會(huì)[3]總結(jié)了復(fù)合相變材料的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，分析了復(fù)合定形相變材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)、研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)中僅設(shè)置一個(gè)蓄熱單元，而太陽(yáng)輻照隨時(shí)間發(fā)生規(guī)律性的逐時(shí)變化和不規(guī)律的間歇變化，使得單一蓄熱單元的性能受太陽(yáng)輻照變化影響較大。蓄熱單元內(nèi)材料的溫度變化，進(jìn)一步縮小了相變材料與換熱工質(zhì)之間的換熱溫差，尤其在蓄放熱后期效率顯著降低，影響了蓄放熱性能[4]。

梯級(jí)相變蓄熱技術(shù)是利用“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的原理[5]，沿傳熱流體流動(dòng)方向布置不同相變溫度的蓄熱材料，使傳熱流體與蓄熱材料的傳熱溫差保持基本恒定，達(dá)到強(qiáng)化傳熱、提高蓄熱效率的目的。Farid[6]在1986年首先提出了梯級(jí)相變蓄熱系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了梯級(jí)蓄熱的可行性。宗弘盛[7]設(shè)計(jì)了包含多種蓄熱材料的梯級(jí)相變蓄熱裝置，模擬對(duì)比了單級(jí)、梯級(jí)相變蓄熱裝置在相同工況下的蓄熱量、有效能利用率、液相率及傳熱熱流密度等性能的差異。Xu[8]采用集總參數(shù)法建立了梯級(jí)蓄熱的熱力學(xué)模型并計(jì)算了換熱流體和相變材料的最優(yōu)工作溫度，最后提出了梯級(jí)蓄熱系統(tǒng)不同應(yīng)用溫度范圍內(nèi)的臨界級(jí)數(shù)。

由上可知，一方面通過(guò)添加膨脹石墨制備復(fù)合相變材料，可以克服材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，極大程度上提高了材料導(dǎo)熱性能；另一方面，梯級(jí)蓄熱有助于提高蓄放熱效率，促進(jìn)蓄熱性能提高。在蓄熱系統(tǒng)中，同時(shí)采用上述兩種措施將有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。然而，目前鮮有關(guān)于復(fù)合相變材料在梯級(jí)蓄熱裝置中的性能和熔化規(guī)律報(bào)道。本文采用實(shí)驗(yàn)方法，以膨脹石墨-硬脂酸、膨脹石墨-月桂酸作為相變材料，以導(dǎo)熱油為換熱工質(zhì)，探究梯級(jí)蓄熱裝置內(nèi)部復(fù)合相變材料的熔化規(guī)律及特性，以期為高效的蓄熱技術(shù)研發(fā)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建梯級(jí)相變蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)由控制臺(tái)、導(dǎo)熱油箱、流量計(jì)、油泵、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀及相關(guān)的管道、閥門組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)安裝在導(dǎo)熱油箱內(nèi)部的加熱管將箱內(nèi)導(dǎo)熱油加熱至設(shè)定溫度，并由溫控裝置保證油溫恒定。換熱工質(zhì)通過(guò)由油泵泵送通過(guò)殼管式蓄熱器，與相變材料進(jìn)行熱量交換。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

蓄熱器為殼管式蓄熱器，長(zhǎng)度為300mm，內(nèi)管為銅制翅片管，銅管外徑為26mm，翅片高10mm，外殼為聚碳酸酯透明管，外徑為100mm。每級(jí)蓄熱器內(nèi)沿導(dǎo)熱油流向等距離布置了4個(gè)熱電阻，用于記錄不同位置相變材料溫度變化情況。熱電阻為PT100，探頭尺寸為4×15mm，實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)熱電阻進(jìn)行標(biāo)定。一級(jí)蓄熱器內(nèi)熱電阻沿導(dǎo)熱油流向編號(hào)T1至T4，二級(jí)蓄熱器內(nèi)熱電阻沿導(dǎo)熱油流向編號(hào)T5至T8。采用日本橫河mv1000數(shù)據(jù)采集儀對(duì)熱電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10s。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料的制備及表征

硬脂酸、月桂酸作為常見的相變材料，存在導(dǎo)熱系數(shù)較低的問題，導(dǎo)致蓄熱時(shí)的換熱性能較差。針對(duì)該問題，本實(shí)驗(yàn)選取價(jià)格低廉、導(dǎo)熱率好、吸附能力強(qiáng)的膨脹石墨作為添加材料，制備復(fù)合材料來(lái)提升相變材料的導(dǎo)熱性[9-10]。

實(shí)驗(yàn)中使用的可膨脹石墨購(gòu)自青島中東石墨有限公司，50目，膨脹率300mL/g，含碳量98%，相變材料來(lái)源及其熱物性如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用材料表

復(fù)合材料制備前先將可膨脹石墨、硬脂酸、月桂酸放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，去除自有水分。使用微波爐對(duì)干燥后的可膨脹石墨進(jìn)行加熱膨脹，輸出功率為800W，加熱時(shí)間為30s，即可制得膨脹石墨。復(fù)合材料的制備采用熔融混合法，膨脹石墨添加比例為5%，按照設(shè)定的比例稱取定量的硬脂酸/月桂酸粉末與膨脹石墨混合，將混合物使用旋渦混合器混合均勻，將裝有混合材料的容器置于恒溫水浴鍋中，在80℃下進(jìn)行熔融混合，靜置吸附4小時(shí)。實(shí)驗(yàn)中使用儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)用材料表

利用閃熱法LFA467型激光導(dǎo)熱儀對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得膨脹石墨-硬脂酸導(dǎo)熱系數(shù)為0.742W/（m·K），膨脹石墨-月桂酸導(dǎo)熱系數(shù)為1.362W/（m·K）；通過(guò)梅特勒DSC3型對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行差示掃描量熱分析，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，可以看出膨脹石墨-硬脂酸有一個(gè)明顯的固-液相變峰，對(duì)應(yīng)的相變溫度為65℃，在70.5℃時(shí)出現(xiàn)熱流峰值，相變潛熱為210.91J/g，膨脹石墨-月桂酸有兩個(gè)相變峰，一個(gè)是固-固相變峰，對(duì)應(yīng)的溫度為38℃，第二個(gè)是固-液相變峰，相變溫度為43.8℃，在45.3℃時(shí)出現(xiàn)熱流峰值，相變潛熱202.41J/g。

圖2 復(fù)合相變材料DSC測(cè)試曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 復(fù)合相變材料的熔化過(guò)程分析

如圖3所示為換熱工質(zhì)溫度為105℃，流量為14L/min工況下，相變蓄熱器內(nèi)復(fù)合相變材料測(cè)點(diǎn)T1-T8處溫度隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯鰷囟茸兓€大致分為三個(gè)階段：初始升溫期、相變平穩(wěn)期、緩慢升溫期。初始階段，換熱工質(zhì)由蓄熱器進(jìn)口端流入并通過(guò)銅翅片管將熱量傳遞給復(fù)合相變材料，較大的換熱溫差使得材料溫度上升迅速，導(dǎo)熱油與復(fù)合相變材料之間主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞，并以顯熱的方式儲(chǔ)存。當(dāng)材料溫度達(dá)到自身熔點(diǎn)時(shí)，材料溫度基本保持不變，蓄熱器內(nèi)材料開始熔化，熱能以潛熱的形式存儲(chǔ)，此時(shí)進(jìn)入相變平穩(wěn)期。當(dāng)材料完全熔化為熔融態(tài)時(shí)，進(jìn)入緩慢升溫期，這是由于此時(shí)導(dǎo)熱油與材料之間依舊存在換熱溫差，且溫差較小，因此材料溫度緩慢上升，直至接近導(dǎo)熱油溫度完成蓄熱過(guò)程。

此外，圖3還反映了蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況?？梢钥吹揭患?jí)蓄熱器內(nèi)T1位置復(fù)合相變材料在65min完成熔化，此時(shí)材料溫度為70℃，測(cè)點(diǎn)T2、T3處相變材料分別于68min、80min完成熔化，靠近換熱工質(zhì)出口端的T4處材料在95min時(shí)完成熔化，溫度為69.4℃。熔化完成后材料進(jìn)入緩慢升溫階段，材料開始了液態(tài)顯熱蓄熱。二級(jí)蓄熱器內(nèi)復(fù)合相變材料膨脹石墨-月桂酸在23min時(shí)開始進(jìn)入熔化階段，蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)分別在41min、43min、45min、47min完成熔化，此時(shí)蓄熱器內(nèi)平均溫度為45℃。之后復(fù)合相變材料溫度持續(xù)升高，且升溫速率隨著傳熱溫差的減小而降低。140min梯級(jí)蓄熱相變系統(tǒng)充熱完成。此時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度保持基本不變。蓄熱器換熱工質(zhì)進(jìn)口端材料比出口端材料熔化快，一級(jí)相變蓄熱器內(nèi)進(jìn)口端材料比出口端材料熔化時(shí)間縮短了31%，二級(jí)蓄熱器內(nèi)進(jìn)口端材料比出口端材料熔化時(shí)間縮短了14%。

圖3 相變蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

2.2 進(jìn)口流量對(duì)材料熔化效率的影響

不同換熱工質(zhì)流量下，一、二級(jí)蓄熱器內(nèi)材料溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4、圖5所示。以換熱工質(zhì)出口端測(cè)點(diǎn)T4及T8為例進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)T4處材料在換熱工質(zhì)入口流量為6L/min、8L/min、10L/min、12L/min、14L/min工況下熔化完成時(shí)間分別為112min、107min、104min、98min、95min。以換熱工質(zhì)流量6L/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)，隨著流量的增大完成熔化的時(shí)間分別縮短了4%、7%、12%、15%。測(cè)點(diǎn)T8處材料在不同工況下完成熔化的時(shí)間分別為50min、49min、48min、47min、47min，二級(jí)蓄熱器隨著流量的增大，熔化時(shí)間分別縮短了2%、4%、6%、6%。160min時(shí)在換熱工質(zhì)流量為6L/min、8L/min、10L/min、12L/min、14L/min工況下，一級(jí)蓄熱器內(nèi)測(cè)點(diǎn)T4材料的溫度分別為78.6℃、81.7℃、82.6℃、83.2℃、86.5℃，隨著流量的增大溫度對(duì)比6L/min工況結(jié)果分別提高了4%、5%、6%、10%；二級(jí)蓄熱器測(cè)點(diǎn)T8材料的溫度分別為77.9℃、78.9℃、79.4℃、79.8℃、82.9℃，隨著流量的增大溫度對(duì)比6L/min工況結(jié)果分別提高了1%、2%、2%、6%。

圖4 不同換熱工質(zhì)流量下測(cè)點(diǎn)T4溫度隨時(shí)間變化

圖5 不同換熱工質(zhì)流量下測(cè)點(diǎn)T8溫度隨時(shí)間變化

在不同的換熱工質(zhì)流量下，兩級(jí)蓄熱器的溫度變化趨勢(shì)是一樣的。隨著換熱工質(zhì)流量的增大，一級(jí)蓄熱器內(nèi)材料完成相變時(shí)間縮短，達(dá)到相同溫度的時(shí)間用時(shí)縮短。二級(jí)蓄熱器內(nèi)材料相變完成的時(shí)間相差不大，但后續(xù)的升溫曲線明顯上揚(yáng)。

2.3 進(jìn)口溫度對(duì)材料熔化效率的影響

圖6、圖7分別為換熱工質(zhì)流量為14L/min，一、二級(jí)蓄熱器內(nèi)材料在不同換熱工質(zhì)入口溫度下的溫度變化曲線。以換熱工質(zhì)出口端測(cè)點(diǎn)T4及T8為例進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)T4材料在換熱工質(zhì)溫度為90℃、95℃、100℃、105℃、110℃工況下熔化完成時(shí)間為194min、167min、110min、95min、75min。以換熱工質(zhì)溫度為90℃的結(jié)果為基準(zhǔn)，隨著溫度的增大完成熔化的時(shí)間分別縮短了14%、44%、51%、61%。測(cè)點(diǎn)T8材料在不同工況下完成熔化的時(shí)間為58min、55min、51min、47min、40min，二級(jí)蓄熱器隨著流量增大，熔化時(shí)間分別縮短了5%、12%、19%、31%。

圖6 不同換熱工質(zhì)溫度下測(cè)點(diǎn)T4溫度隨時(shí)間變化

圖7 不同換熱工質(zhì)溫度下測(cè)點(diǎn)T8溫度隨時(shí)間變化

換熱工質(zhì)流量為14L/min，溫度為90℃和95℃，一級(jí)蓄熱器材料在140min時(shí)仍未完成熔化，溫度為105℃和110℃時(shí)材料在100min內(nèi)完成熔化。二級(jí)蓄熱器完成熔化時(shí)間為40～60min。達(dá)到相同溫度的時(shí)間隨著換熱工質(zhì)溫度升高明顯縮短，隨著換熱工質(zhì)入口溫度升高，蓄熱效率提高。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建了梯級(jí)蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以膨脹石墨-硬脂酸和膨脹石墨-月桂酸作為兩級(jí)相變材料進(jìn)行蓄熱實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)制備復(fù)合相變材料提升了材料的導(dǎo)熱性能，膨脹石墨含量為5%時(shí)，膨脹石墨-硬脂酸復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由硬脂酸的0.180W/（m·K）提高到0.742W/（m·K），膨脹石墨-月桂酸導(dǎo)熱系數(shù)由月桂酸的0.188W/（m·K）提高到1.362W/（m·K），表明膨脹石墨可以有效提升相變材料的導(dǎo)熱性能；

（2）梯級(jí)蓄熱實(shí)驗(yàn)中復(fù)合相變材料的熔化過(guò)程可分為三個(gè)階段，即初始升溫期、相變平穩(wěn)期、加速升溫期；蓄熱單元內(nèi)靠近換熱工質(zhì)進(jìn)口端的復(fù)合相變材料熔化更快，一級(jí)相變蓄熱器內(nèi)進(jìn)口端材料比出口端材料熔化時(shí)間縮短了31%，二級(jí)蓄熱器內(nèi)進(jìn)口端材料比出口端材料熔化時(shí)間縮短了14%。相比于一級(jí)蓄熱器，二級(jí)蓄熱器前后端熔化時(shí)間的縮短說(shuō)明梯級(jí)蓄熱有效利用了溫度梯度；

（3）隨著換熱工質(zhì)入口流量的增大、入口溫度的提高可有效加快蓄熱速率，可在系統(tǒng)承受范圍，通過(guò)提高換熱工質(zhì)入口流量、溫度參數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)蓄熱效率。