应用复合相变材料的梯级蓄热熔化实验研究

刘岩，刘智慧，金光，张立，郑明杰，郭少朋,3

1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古包头，014010；2.日本赛揚建筑事务所，日本东京，104-0033；3.中低温热能高效利用教育部重点实验室（天津大学），天津，300350

0 引言

太阳能等可再生能源受其间歇性及地理因素制约难以得到高效应用与发展[1]。利用相变蓄热装置可在一定程度上解决太阳能供需不匹配的问题[2]。然而，传统相变材料的导热系数普遍较低，极大限制了相变蓄热装置的蓄热速率。李兴会[3]总结了复合相变材料的能量转换机理，分析了复合定形相变材料在各领域的应用情况，并对其发展趋势、研究重点和方向进行了展望。

传统的太阳能相变蓄热系统中仅设置一个蓄热单元，而太阳辐照随时间发生规律性的逐时变化和不规律的间歇变化，使得单一蓄热单元的性能受太阳辐照变化影响较大。蓄热单元内材料的温度变化，进一步缩小了相变材料与换热工质之间的换热温差，尤其在蓄放热后期效率显著降低，影响了蓄放热性能[4]。

梯级相变蓄热技术是利用“温度对口、梯级利用”的原理[5]，沿传热流体流动方向布置不同相变温度的蓄热材料，使传热流体与蓄热材料的传热温差保持基本恒定，达到强化传热、提高蓄热效率的目的。Farid[6]在1986年首先提出了梯级相变蓄热系统模型，验证了梯级蓄热的可行性。宗弘盛[7]设计了包含多种蓄热材料的梯级相变蓄热装置，模拟对比了单级、梯级相变蓄热装置在相同工况下的蓄热量、有效能利用率、液相率及传热热流密度等性能的差异。Xu[8]采用集总参数法建立了梯级蓄热的热力学模型并计算了换热流体和相变材料的最优工作温度，最后提出了梯级蓄热系统不同应用温度范围内的临界级数。

由上可知，一方面通过添加膨胀石墨制备复合相变材料，可以克服材料导热系数低的问题，极大程度上提高了材料导热性能；另一方面，梯级蓄热有助于提高蓄放热效率，促进蓄热性能提高。在蓄热系统中，同时采用上述两种措施将有望进一步提高系统效率。然而，目前鲜有关于复合相变材料在梯级蓄热装置中的性能和熔化规律报道。本文采用实验方法，以膨胀石墨-硬脂酸、膨胀石墨-月桂酸作为相变材料，以导热油为换热工质，探究梯级蓄热装置内部复合相变材料的熔化规律及特性，以期为高效的蓄热技术研发提供参考依据。

1 实验装置及系统

1.1 实验系统

搭建梯级相变蓄热实验系统如图1所示，实验台由控制台、导热油箱、流量计、油泵、蓄热器、数据采集仪及相关的管道、阀门组成。实验时通过安装在导热油箱内部的加热管将箱内导热油加热至设定温度，并由温控装置保证油温恒定。换热工质通过由油泵泵送通过壳管式蓄热器，与相变材料进行热量交换。

图1 实验系统图

蓄热器为壳管式蓄热器，长度为300mm，内管为铜制翅片管，铜管外径为26mm，翅片高10mm，外壳为聚碳酸酯透明管，外径为100mm。每级蓄热器内沿导热油流向等距离布置了4个热电阻，用于记录不同位置相变材料温度变化情况。热电阻为PT100，探头尺寸为4×15mm，实验开始前对热电阻进行标定。一级蓄热器内热电阻沿导热油流向编号T1至T4，二级蓄热器内热电阻沿导热油流向编号T5至T8。采用日本横河mv1000数据采集仪对热电阻数据进行采集处理，数据采集时间间隔为10s。

1.2 实验材料的制备及表征

硬脂酸、月桂酸作为常见的相变材料，存在导热系数较低的问题，导致蓄热时的换热性能较差。针对该问题，本实验选取价格低廉、导热率好、吸附能力强的膨胀石墨作为添加材料，制备复合材料来提升相变材料的导热性[9-10]。

实验中使用的可膨胀石墨购自青岛中东石墨有限公司，50目，膨胀率300mL/g，含碳量98%，相变材料来源及其热物性如表1所示。

表1 实验用材料表

复合材料制备前先将可膨胀石墨、硬脂酸、月桂酸放入恒温鼓风干燥箱中，去除自有水分。使用微波炉对干燥后的可膨胀石墨进行加热膨胀，输出功率为800W，加热时间为30s，即可制得膨胀石墨。复合材料的制备采用熔融混合法，膨胀石墨添加比例为5%，按照设定的比例称取定量的硬脂酸/月桂酸粉末与膨胀石墨混合，将混合物使用旋涡混合器混合均匀，将装有混合材料的容器置于恒温水浴锅中，在80℃下进行熔融混合，静置吸附4小时。实验中使用仪器如表2所示。

表2 实验用材料表

利用闪热法LFA467型激光导热仪对复合材料导热系数进行检测，测得膨胀石墨-硬脂酸导热系数为0.742W/（m·K），膨胀石墨-月桂酸导热系数为1.362W/（m·K）；通过梅特勒DSC3型对复合材料进行差示扫描量热分析，测试结果如图2所示，可以看出膨胀石墨-硬脂酸有一个明显的固-液相变峰，对应的相变温度为65℃，在70.5℃时出现热流峰值，相变潜热为210.91J/g，膨胀石墨-月桂酸有两个相变峰，一个是固-固相变峰，对应的温度为38℃，第二个是固-液相变峰，相变温度为43.8℃，在45.3℃时出现热流峰值，相变潜热202.41J/g。

图2 复合相变材料DSC测试曲线

2 实验结果分析

2.1 复合相变材料的熔化过程分析

如图3所示为换热工质温度为105℃，流量为14L/min工况下，相变蓄热器内复合相变材料测点T1-T8处温度随时间的变化情况。可以看出温度变化曲线大致分为三个阶段：初始升温期、相变平稳期、缓慢升温期。初始阶段，换热工质由蓄热器进口端流入并通过铜翅片管将热量传递给复合相变材料，较大的换热温差使得材料温度上升迅速，导热油与复合相变材料之间主要依靠热传导进行热量传递，并以显热的方式储存。当材料温度达到自身熔点时，材料温度基本保持不变，蓄热器内材料开始熔化，热能以潜热的形式存储，此时进入相变平稳期。当材料完全熔化为熔融态时，进入缓慢升温期，这是由于此时导热油与材料之间依旧存在换热温差，且温差较小，因此材料温度缓慢上升，直至接近导热油温度完成蓄热过程。

此外，图3还反映了蓄热器内各测点温度随时间变化情况。可以看到一级蓄热器内T1位置复合相变材料在65min完成熔化，此时材料温度为70℃，测点T2、T3处相变材料分别于68min、80min完成熔化，靠近换热工质出口端的T4处材料在95min时完成熔化，温度为69.4℃。熔化完成后材料进入缓慢升温阶段，材料开始了液态显热蓄热。二级蓄热器内复合相变材料膨胀石墨-月桂酸在23min时开始进入熔化阶段，蓄热器内各测点分别在41min、43min、45min、47min完成熔化，此时蓄热器内平均温度为45℃。之后复合相变材料温度持续升高，且升温速率随着传热温差的减小而降低。140min梯级蓄热相变系统充热完成。此时各测点温度保持基本不变。蓄热器换热工质进口端材料比出口端材料熔化快，一级相变蓄热器内进口端材料比出口端材料熔化时间缩短了31%，二级蓄热器内进口端材料比出口端材料熔化时间缩短了14%。

图3 相变蓄热器内各测点温度变化曲线

2.2 进口流量对材料熔化效率的影响

不同换热工质流量下，一、二级蓄热器内材料温度随时间变化曲线如图4、图5所示。以换热工质出口端测点T4及T8为例进行分析，测点T4处材料在换热工质入口流量为6L/min、8L/min、10L/min、12L/min、14L/min工况下熔化完成时间分别为112min、107min、104min、98min、95min。以换热工质流量6L/min的实验结果为基准，随着流量的增大完成熔化的时间分别缩短了4%、7%、12%、15%。测点T8处材料在不同工况下完成熔化的时间分别为50min、49min、48min、47min、47min，二级蓄热器随着流量的增大，熔化时间分别缩短了2%、4%、6%、6%。160min时在换热工质流量为6L/min、8L/min、10L/min、12L/min、14L/min工况下，一级蓄热器内测点T4材料的温度分别为78.6℃、81.7℃、82.6℃、83.2℃、86.5℃，随着流量的增大温度对比6L/min工况结果分别提高了4%、5%、6%、10%；二级蓄热器测点T8材料的温度分别为77.9℃、78.9℃、79.4℃、79.8℃、82.9℃，随着流量的增大温度对比6L/min工况结果分别提高了1%、2%、2%、6%。

图4 不同换热工质流量下测点T4温度随时间变化

图5 不同换热工质流量下测点T8温度随时间变化

在不同的换热工质流量下，两级蓄热器的温度变化趋势是一样的。随着换热工质流量的增大，一级蓄热器内材料完成相变时间缩短，达到相同温度的时间用时缩短。二级蓄热器内材料相变完成的时间相差不大，但后续的升温曲线明显上扬。

2.3 进口温度对材料熔化效率的影响

图6、图7分别为换热工质流量为14L/min，一、二级蓄热器内材料在不同换热工质入口温度下的温度变化曲线。以换热工质出口端测点T4及T8为例进行分析，测点T4材料在换热工质温度为90℃、95℃、100℃、105℃、110℃工况下熔化完成时间为194min、167min、110min、95min、75min。以换热工质温度为90℃的结果为基准，随着温度的增大完成熔化的时间分别缩短了14%、44%、51%、61%。测点T8材料在不同工况下完成熔化的时间为58min、55min、51min、47min、40min，二级蓄热器随着流量增大，熔化时间分别缩短了5%、12%、19%、31%。

图6 不同换热工质温度下测点T4温度随时间变化

图7 不同换热工质温度下测点T8温度随时间变化

换热工质流量为14L/min，温度为90℃和95℃，一级蓄热器材料在140min时仍未完成熔化，温度为105℃和110℃时材料在100min内完成熔化。二级蓄热器完成熔化时间为40～60min。达到相同温度的时间随着换热工质温度升高明显缩短，随着换热工质入口温度升高，蓄热效率提高。

3 结论

本实验设计搭建了梯级蓄热实验系统，以膨胀石墨-硬脂酸和膨胀石墨-月桂酸作为两级相变材料进行蓄热实验，分析实验结果得出以下结论：

（1）通过制备复合相变材料提升了材料的导热性能，膨胀石墨含量为5%时，膨胀石墨-硬脂酸复合材料的热导率由硬脂酸的0.180W/（m·K）提高到0.742W/（m·K），膨胀石墨-月桂酸导热系数由月桂酸的0.188W/（m·K）提高到1.362W/（m·K），表明膨胀石墨可以有效提升相变材料的导热性能；

（2）梯级蓄热实验中复合相变材料的熔化过程可分为三个阶段，即初始升温期、相变平稳期、加速升温期；蓄热单元内靠近换热工质进口端的复合相变材料熔化更快，一级相变蓄热器内进口端材料比出口端材料熔化时间缩短了31%，二级蓄热器内进口端材料比出口端材料熔化时间缩短了14%。相比于一级蓄热器，二级蓄热器前后端熔化时间的缩短说明梯级蓄热有效利用了温度梯度；

（3）随着换热工质入口流量的增大、入口温度的提高可有效加快蓄热速率，可在系统承受范围，通过提高换热工质入口流量、温度参数来提高系统蓄热效率。