泡沫金属对石蜡微胶囊相变蓄热性能影响的试验研究

祝艺丹，王春青，黄仁强

（1.吉林建筑大学城建学院，长春 130114；2.吉林建筑大学，长春 130118；3.吉林建工集团有限公司，长春 130052）

目前，为了实现建筑低能耗的目标，响应国家“煤改电”政策，提高电能源的利用效率，人们要将电所提供的热能存储起来，需要时将其利用，而蓄热材料的应用将有助于解决上述问题。蓄热包括显热蓄热和潜热蓄热，本文将利用一种新型定型相变蓄热材料——石蜡微胶囊作为相变主体材料，该材料以潜热形式进行蓄热。可以选择在用电谷时（低电价）进行供热蓄热，用电高峰时段（高电价）进行放热，合理协调分配了热用户需求及电供热时间的关系。但是，由于定型材料导热性能较差，影响石蜡的蓄热效果，因此本文提出用高孔隙率泡沫金属来加强热量对新型相变材料的传递，通过试验研究其对相变材料蓄热性能的影响。

1 强化蓄热材料的选择

为了提高电热对石蜡微胶囊热传递的效果，相关人士提出了多种方法。例如，将相变材料封装在带有翅片的铝管中，或者加上肋片，增加导热面积；将相变蓄热材料与导热效果好的材料（如石墨、铝粉等）掺混在一起[1]。考虑到蓄热材料要与强化传热材料充分接触、相变材料石蜡微胶囊结构不被破环以及导热性能效果较好等因素，本文将选用高孔隙率的泡沫金属作为强化传热材料。

2 强化蓄热性能试验过程

该试验所需要的材料是物质形态为粉末状的石蜡微胶囊，选定相变点温度为42℃，泡沫金属材料种类较多，其中选择导热效果较好的泡沫金属铜和泡沫金属铝两种，通过试验对比分析得出哪种更具优势[2-3]。

该试验所涉及的热工测试技术为温度测试，温度数据采集仪器为Keysight34970A数据采集仪，温度测量元件为热电偶。由于热电偶中铜-康铜热电偶即T型热电偶测温范围与本次测试温度范围接近，价格较廉价，其被选作本次测试的主要测温元件。

将T型热电偶非测温端与数据采集仪插槽内的模块进行连接，通过感温元件采集数据之前，先调试所用的采集仪器，对仪器操作时的一些参数进行设定。另外，温度数据显示需要计算机安装的相关配套软件进行观察读取及导出，以上调试结束后，对温度进行校正，确定能正常测温及读取数据后，开始进行试验。

首先准备好三组被测试样即1组为单质石蜡微胶囊相变材料、2组为泡沫金属铜与石蜡微胶囊复合相变蓄热材料以及3组泡沫金属铝与石蜡微胶囊复合相变材料。将三种不同的材料分别装入三个塑封袋中，保证三种被测试样中石蜡微胶囊的用量相同。然后，将T型热电偶的感温触点深入三组被测试样中，使其与被测材料直接接触，测点为塑封袋的中心位置。本试验用恒温水浴模拟供热热源，温度参数设置为60℃，测试时间设置为30 min。将三组被测试样同一时间一起放入加热容器中（前提三组被测试样通过T型热电偶及温度数据采集器传出的起始温度应一致），试验开始，试验整体系统流程如图1所示。

图1 试验系统

试验过程分为两个测试阶段，一是蓄热测试阶段，二是放热测试阶段。蓄热测试阶段，将三组被测试样同一时间置于恒温水浴箱内，启动装置，进行升温，为了测试每个时间节点的温度数据情况，将软件中的测试时间间隔参数设置为1 s，相变蓄热材料在达到相变点后进行蓄热，蓄热过程结束后，相变材料温度继续上升，直至被测试样温度达到恒温水浴箱设置的60℃，蓄热测试阶段结束。

放热测试阶段，将三组被测试样同一时间取出进行降温。该过程在室内进行（环境温度为18℃），随着温度的降低，接近相变温度时，相变蓄热材料开始释放所储的潜热。与蓄热测试阶段相同，软件中的测试时间间隔参数设置为1 s，当数据采集器末端输出三组被测试样的温度与室温接近后，放热测试阶段结束。

3 蓄放热过程测试结果研究分析

将计算机相关软件内三组被测试样的蓄放热过程所采集到的温度数据导出，利用数据分析软件Origin分别做出蓄热过程以及放热过程的温度-时间变化曲线，如图2、图3所示。

3.1 蓄热过程

图2为蓄热测试阶段的温升曲线，由此可以看出，起始温度一致，皆为室内环境温度，18℃左右，随着时间的推进，三组被测试样的温升速度较快，几乎呈线性增长，其中泡沫铜与石蜡微胶囊复合相变材料温升速率最大，最先达到相变温度点（42℃），加快了相变蓄热过程的开始；三组被测试样逐次到达相变点后，开始蓄热过程，该过程热量以潜热的形式储存，因此温度随时间没有变化，此过程曲线几乎可看成是直线；蓄热结束后，由于水浴与相变蓄热材料之间仍有温度差，所以三组被测试样的温度曲线继续呈上升趋势，但温升速度逐渐放缓，最后与恒温水浴设置温度参数60℃一致，停止蓄热测试。通过被测试样的三条温度随时间变化的曲线对比观察可得，泡沫金属可加快相变蓄热过程的开始，效果较为明显，且温升与单质石蜡微胶囊相比较快，储存相同的热量所需时间较少。以上分析可得出，带有泡沫金属的相变复合蓄热材料蓄热能力有所提高，使相变响应时间提前。

另外，通过图2还可以观察到，加入加强传热材料的不同，蓄热效果也有所不同。分析泡沫金属铜石蜡微胶囊复合材料与泡沫金属铝石蜡微胶囊复合材料两条温度随时间变化的曲线，前者温度随时间上升较快，较后者提前进入相变蓄热过程，即温度较后者先与水浴温度一致。通过有无强化蓄热材料以及两种强化蓄热效果的横纵全面对比分析可得，泡沫金属铜在强化蓄热方面有较大的优势。

3.2 放热过程

图3为放热测试阶段的温降曲线，观察该图可看出，起始温度一致，皆为被测试样从恒温水浴取出时瞬时温度，即42℃左右。随着时间的推进，三组被测试样的温降速度较快，其中加入泡沫金属铜的测试样品最先降到相变温度，由于释放存储的相变潜热，该过程温度值不变，因此该过程温度曲线近似看成一条曲线，相变潜热释放完后，三组被测试样温度继续下降，直至与室内环境温度一致。

图2 蓄热过程温度-时间变化曲线

图3 放热过程温度-时间变化曲线

从图3放热过程三条温度曲线可观察到，多孔介质泡沫金属铜和泡沫金属铝有较好的传热性，放热速率快，散热能力强。

通过以上两个过程、三种方案全面深入分析可得，带有泡沫金属的相变蓄热复合材料蓄热能力及向外传热能力都较强，能较好地蓄热和供热，满足热用户的热舒适度要求。同时，也证明了泡沫铜与石蜡微胶囊复合的相变材料在蓄放热过程中更具有优势，所以在今后的实践与应用中，应优先选择泡沫金属铜作为强化传热的主要材料。

4 结论

通过试验方案的设计、试验过程操作以及对数据处理分析可得，在相变蓄热材料石蜡微胶囊蓄热过程中，泡沫金属将热源产生的热量较好较快地传递给蓄热材料，提高了相变蓄热材料蓄热能力，使相变响应时间提前。在相变蓄热材料石蜡微胶囊放热过程中，泡沫金属以其传热效果好的优势使释放的潜热较好地散到室内环境中，满足热用户的要求。另外，试验结果表明，泡沫金属铜强化传热，提升蓄热能力的效果更具有优势。在今后的实践与应用中，泡沫金属铜可作为强化传热的主要材料。