泡沫金属铜布置方式对石蜡相变放热性能的影响

陈 华 侯玉洁 柳秀丽 刘 剑

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

石蜡是目前常用的有机相变材料[1]，具有相变潜热高、热稳定性好、无毒无腐蚀等优势，在工业、建筑业等领域具有广阔的需求和前景[2-3]，纯石蜡作为相变材料时，较低的导热系数和传热速度严重限制了石蜡的推广和发展，因此开发与制备高性能石蜡相变材料是重要的研究课题。目前，对于在相变材料中添加其他材料的研究较为广泛，由两种或两种以上材料组合而成的复合相变材料[4-6]，可以有效提高材料性能，加快蓄放热过程。

泡沫金属铜材料由于具有较高的导热系数和较大的孔隙率受到研究者的关注[7-10]，唐小梅等[11]把泡沫金属铜和脂肪酸二元低共融混合物进行换热实验，提高了复合相变材料换热性能，并且对单一相变材料的热量滞积的现象有很大改善。胡海涛等[12]研究填充泡沫金属的圆管内制冷剂与润滑油混合物流动沸腾换热特性，实验表明无论是纯制冷剂还是含油工况下，泡沫金属铜均能有效提高圆管内沸腾换热表面传热系数。杨佳霖等[13]将石蜡真空注入到泡沫金属铜中，整个实验模型以导热为主，内部温度均匀，没有温度分层，充分发挥了泡沫金属铜的多孔优势。田东东等[14]采用对比实验方式，根据泡沫金属铜的厚度不同，探究金属铜对石蜡熔化过程的影响，结果表明，导热强度随泡沫金属铜厚度的增大而增大。

综上可知，目前对于部分填充泡沫金属铜的研究相对较少，本文针对部分填充泡沫金属铜在蓄热箱的径向传热特性问题，将泡沫金属铜按照其在径向的热接触面积不同设置成3种不同的布置方式，研究不同方案中相变材料的放热特性和性能参数，寻找最优的泡沫金属铜部分填充方案。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

为了准确得到石蜡的热物性，本文采用Q1000型差示扫描量热法(DSC)测试纯石蜡的熔点、凝固点以及相变潜热值等。石蜡及泡沫金属铜物性参数如表1所示。

表1 材料物性基本参数Tab.1 Basic parameters of thermal properties of materials

本实验设计了用于放热实验研究的蓄热箱，结构[15]如图1所示。蓄热箱直径为460 mm、高为500 mm，内部主要由螺旋铜盘管组成，分别为制冷剂盘管和水盘管，放热实验只涉及水盘管，外部壳体由铝合金制成，并用聚乙烯发泡保温材料包裹，达到了减少热量损失，保证实验效果准确性的目的。

图1 蓄热箱内部结构Fig.1 Internal structure of heat storage tank

蓄热箱内温度测点和泡沫金属铜的布置方式如图2所示，外圈测点的布置方式分别为泡沫金属铜垂直蓄热箱横截面半径方向布置、沿横截面半径方向布置、沿横截面水平方向布置。盘管内圈泡沫金属铜布置由于安装困难和定位问题未考虑不同方案。图2中内部圆环是冷却盘管，黑色圆点是热电偶位置，排布在箱内的矩形代表不同布置方式的泡沫金属铜。整个蓄热箱横截面为圆形，以水平方向为界，上下半圆分别划分为纯石蜡对照组和复合相变材料实验组，每种布置方案均关于竖直轴线对称。

图2 蓄热箱内部布置方案Fig.2 Internal layout plan of heat storage tank

由图3可知，3种方案对称位置测点的温度差值为0～3.8 ℃，误差小于5%，因此选取1/4的部分进行实验分析。选取3类典型测点分别为冷却盘管内圈测点(1、2、1′、2′)；冷却盘管外圈测点(3、4、3′、4′)，其中1～4为添加泡沫金属铜的复合相变材料侧测点，1′～4′为纯石蜡侧测点。

图3 三种方案对称测点实时温度对比Fig.3 Comparison of real-time temperature of symmetrical measuring points in three schemes

1.2 实验过程

实验测试前将蓄热箱内相变材料完全融化蓄热。液态石蜡初始温度约为73 ℃，打开水箱和蓄热箱的进出水阀门，水箱中的冷水通入蓄热箱冷却盘管中，与箱内相变材料进行热交换，石蜡放出热量开始凝固，冷却盘管中的水吸收热量变为热水，从箱内导出，480 min后，当蓄热箱进水口和出水口温度基本不变时，实验结束。为保证实验准确性，3种方案均选取初始温度35 ℃、体积流量1.5 m3/h的自来水作为冷流体进行放热过程研究，用热电偶记录蓄热箱内测点温度以及冷流体进出口温度，用涡轮流量计记录冷流体流量。

1.3 实验性能参数计算

根据实验采集数据，计算反映放热性能的相关参数，分别为冷流体换热量(有效放热量)、相变材料换热量(总放热量)、放热效率、放热速率。

放热速率：

(1)

冷流体换热量：

(2)

相变材料换热量：

EPCM=MPCM(cPCM△T+λ)

(3)

放热效率：

(4)

式中：P为放热速率，W；MHTF为冷流体质量流量，kg/h；T1、T2分别为冷流体进、出口温度，℃；cHTF为冷流体比热，kJ/(kg·K)；td为放热过程时间，min；MPCM为相变材料质量，kg；cPCM为相变材料比热，kJ/(kg·K)；△T为相变材料放热前后温差，℃；λ为相变潜热，kJ/kg。

2 实验结果分析

2.1 内圈测点放热特性

复合相变材料与纯石蜡在冷却盘管内圈的放热温度变化如图4(a)和图4(b)所示，可知在径向上泡沫金属铜/石蜡复合相变材料组(测点1、2)相比于纯石蜡对照组(测点1′、2′)放热速率增大，距离冷却盘管较近的一组测点2和2′的温度变化曲线有显著差异，虽然前20 min内测点2和2′温度变化率持平，但后期2点温度变化趋势变缓，在约40 min测点2放热温度开始低于测点2 ′，主要原因是热量在相变材料内发生滞积，没有和冷流体进行有效的热量交换，而加入泡沫金属铜的测点2相对于纯石蜡对照组温降速率显著增大，说明泡沫金属铜可以加快放热进程，让局部堆积的热量加速向其他位置扩散。图4(c)所示为在同一半径方向的测点1和测点2在复合材料区的温差波动远小于纯石蜡区，复合材料区的温度均匀性比纯石蜡区大约80%，相变后期和第三阶段的温差负向线性增大过程是因为测点热量在相变材料内滞积，局部温度高导致的温度差异。

图4 复合相变材料与纯石蜡在冷却盘管内圈的放热温度变化对比Fig.4 Comparison of the exothermic temperature of the composite PCM and pure paraffin in the cooling coil

2.2 外圈测点放热特性

3种布置方案下复合相变材料和纯石蜡在冷却盘管外侧测点的温度变化如图5所示。分为3个阶段：相变材料的温度在初始阶段由于相变材料和冷流体热量交换迅速下降，此时显热为主要换热方式，当温度约为52 ℃时，温度增长趋势开始变缓，此时复合材料相变过程开始，热量以潜热形式存储，相变阶段表现出近乎平坦的曲线，当温度超过50 ℃时，相变材料完全为固态，温度增长趋势再次加快，直至480 min放热过程基本结束。复合相变材料测点和纯石蜡组相比，加快了3个阶段的放热进程，尤其在第一阶段复合相变材料测点到达凝固温度的降温时间均缩短，方案一中纯石蜡相变开始时间为70 min，而复合相变材料测点开始相变时间约为65 min，降温时间有效缩短了5 min。同理方案二中凝固开始时间缩短了4 min，方案三凝固开始时间缩短了5 min，温降速率均有不同程度得提高。

图5(d)中测点4到测点3的温差均为正值，证实了凝固现象是在靠近盘管处开始发生的，并向外部区域推进，复合材料区测点3到测点4的温差均小于纯石蜡对照组对应位置测点的温差，在初始阶段，导热是主要的传热方式，石蜡的低导热系数导致不同距离测点温度差越来越大，出现第一个波峰，当温度接近凝固点时，测点之间温差保持稳定，温度均匀性增大；在相变时间段内，温差趋向稳定，这意味着在整个水平面上，温度几乎恒定；约200 min，相变完成显热传热导致测点间温差再次增大，出现第二个波峰，之后随着相变材料和流体交换热量的逐渐减少，温度波动趋于平缓，直到放热完成。由于泡沫金属铜的导热系数远大于纯石蜡，测点间热量传递较快，所以复合相变材料区测点温度均匀性较高，其中方案一温度波动范围相对方案二和方案三较小，约为方案二的33%、方案三的50%、纯石蜡区的10%。

图5 复合相变材料与纯石蜡在冷却盘管外圈的放热温度变化对比Fig.5 Comparison of the exothermic temperature changes of the composite PCM and pure paraffin in the outer ring of the cooling coil

2.3 三种方案性能参数对比

图6(a)所示为不同方案中石蜡-泡沫金属铜复合材料放热速率的实验结果，放热速率的变化可分为三个阶段，第一阶段放热速率呈下降趋势，此时传热温差较大，释放的能量为显热；第二阶段为相变界面形成时，开始稳定放热，放热速率保持稳定，但略有降低，主要原因是径向的固液界面位置改变使热阻逐渐增大；第三阶段为显热主导阶段，冷流体与相变材料温度差异越来越小，放热速率下降，最终趋于平缓。其中方案一随时间的放热速率稍快于其他两种方案，表明其与冷流体换热效果最佳。

由图6(b)可知，在480 min内方案一的有效放热量为3种方案中最高，比方案二高2.2%、比方案三高1.1%。3种方案放热率均在65%以上，说明3种方案的布置效果较理想，方案一放热效果最佳，分别比方案二、方案三高5.05%、2.01%。

图6 3种方案优劣对比Fig.6 Comparison of advantages and disadvantages of the three schemes

由文献[16]可知，在近似模型条件下，全填充泡沫金属铜的复合相变材料放热效率约为80.33%，比方案一的放热效率高5.63%，方案一的布置方式在有效降低泡沫金属铜成本的前提下，减少了放热效率大幅度降低的风险；在一定程度上缓解了全填充泡沫金属铜导致的石蜡的体积和释能密度下降的问题，所以方案一为最理想泡沫金属铜布置方案。

3 结论

本文将泡沫金属铜与石蜡形成的复合相变材料放入圆柱体相变储能装置中进行放热性能实验，并设置了3种不同布置方案，研究并分析3种方案下放热温度响应、放热速率、放热效率等的变化规律。得到如下结论：

1)泡沫金属铜的加入可以加快放热进程，缩短石蜡凝固时间，方案一、方案三时间缩短5 min，方案二时间缩短4 min，有效增大了温降速率。

2)复合相变材料能增大石蜡内部的温度均匀性，有效改善在温差峰值阶段的温度波动；内圈测点中复合材料区的温度均匀性比纯石蜡区约高80%，有效改善了热量滞积现象，外圈测点中方案一的温度波动为方案二、方案三的33%和50%，为纯石蜡区温度波动的10%。

3)3种布置方式中，方案一的放热速率最快，有效放热量比方案二多2.2%，比方案三多1.1%，放热效率比方案二和方案三大5.05%和2.01%，是最优的泡沫金属铜布置方案。

4)与相似模型的全填充泡沫金属铜实验相比，方案一的放热效率仅降低了5.63%，在削减材料成本的基础上，维持了约75%的良好换热效率水平，为部分填充泡沫金属铜的研究和应用提供了参考。