泡沫銅相變蓄熱器熱性能試驗(yàn)研究

泡沫銅相變蓄熱器熱性能試驗(yàn)研究

1化學(xué)加整理材料在相變傳熱系統(tǒng)中的應(yīng)用由于溫度類似于設(shè)定溫度，滲透蓄熱能夠穩(wěn)定儲(chǔ)存能力和解釋能力，對(duì)應(yīng)用具有廣闊的前景。但是常用的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)很小,嚴(yán)重影響了其傳熱速率,難以滿足相變蓄熱影響了儲(chǔ)能的效果。在強(qiáng)化相變儲(chǔ)能方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量理論和試驗(yàn)方面的研究,通過(guò)在相變材料中添加各種形態(tài)的金屬、石墨、肋片等措施,強(qiáng)化相變材料的導(dǎo)熱系數(shù),從而達(dá)到提高相變蓄熱效率的目的。高孔隙率泡沫金屬具有密度小、孔隙率高、比表面積大的優(yōu)點(diǎn),是很好的強(qiáng)化換熱材料,將其作為骨架填充到相變材料中,以改善相變傳熱裝置的傳熱性能受到了越來(lái)越多的重視。本文以石蠟作為相變蓄熱材料,泡沫銅作為填充材料加工制作相變儲(chǔ)能裝置,并搭建蓄熱器熱性能試驗(yàn)臺(tái),對(duì)填充泡沫銅和未填充泡沫銅的蓄熱容器分別進(jìn)行相變蓄熱試驗(yàn),并進(jìn)行分析討論。2co-keys2.1充填材料配比試驗(yàn)泡沫銅是一種在銅金屬基體中均勻分布著大量連通和不連通的孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了在相變儲(chǔ)能過(guò)程中利用泡沫銅的各種特性,同時(shí)考慮到相變材料的可填充問(wèn)題和保證其充裝量,試驗(yàn)中選用孔數(shù)為20PPI,孔隙率為96%,面密度為2000g/m2的通孔型泡沫銅作為填充材料。石蠟作為相變蓄熱材料具有較高的相變潛熱,無(wú)過(guò)冷及層析現(xiàn)象,性能穩(wěn)定,無(wú)毒、無(wú)腐蝕性,價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而備受歡迎。本次試驗(yàn)中選用熔化溫度為58～60℃,純度為98%的石蠟作為相變材料。2.2調(diào)查過(guò)程設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置和儀器主要包括:蓄熱器、電加熱器、水泵、水箱、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、渦輪流量計(jì)、T型熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、控制柜以及計(jì)算機(jī)。蓄熱器是試驗(yàn)的主要裝置,設(shè)計(jì)為一環(huán)形圓筒體,環(huán)形腔體、換熱管和端蓋均采用不銹鋼制成,腔體高315mm,外徑為126mm,換熱管內(nèi)徑為25mm,壁厚為3mm,上下端面直徑為130mm。試驗(yàn)時(shí),熱水在換熱管里流動(dòng),相變材料和泡沫銅在換熱管和外筒形成的環(huán)形腔體中。在筒體的上端蓋上鉆有12個(gè)小孔,用來(lái)放置熱電偶以測(cè)量相變材料的溫度。在筒體的4個(gè)方向上均勻布置熱電偶,每個(gè)方向上布置3個(gè),這3個(gè)熱電偶距離換熱管外壁的長(zhǎng)度分別為15mm、30mm、45mm。選取3個(gè)軸向界面,每個(gè)軸向界面上有4個(gè)熱電偶,分別距上端面100mm、200mm、300mm。熱電偶布置情況如圖2和3所示。先將石蠟熔化然后在石蠟中加入一定量的泡沫銅,筒體四周和上端面設(shè)置了聚氨酯保溫材料,經(jīng)計(jì)算,良好的保溫材料可能減少試驗(yàn)過(guò)程中的熱損失,故熱損失可以忽略不計(jì)。2.3型腔體的相變溫度測(cè)定設(shè)定電加熱器溫度,啟動(dòng)水泵,調(diào)整好流量使熱水在換熱管中循環(huán)流動(dòng),將熱量傳遞給環(huán)形腔體中的相變材料,相變材料吸收熱量后溫度不斷升高,打開(kāi)標(biāo)定好的數(shù)據(jù)采集儀,記錄PCM的溫度,蓄熱過(guò)程一直進(jìn)行到PCM溫度達(dá)到其相變溫度時(shí)結(jié)束。本試驗(yàn)設(shè)定熱媒水進(jìn)口溫度為70℃,流量為8L/min,得到了各點(diǎn)PCM溫度隨時(shí)間的變化情況。3熱性能試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1石蠟的相變溫度圖4和圖5分別表示加熱溫度為70℃,加泡沫銅前、后同一深度不同截面位置處(以測(cè)點(diǎn)108,111,114為例),溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖4可見(jiàn):(1)加熱初期,同一個(gè)截面上的測(cè)點(diǎn),溫度基本相同。這是因?yàn)殚_(kāi)始的時(shí)候石蠟溫度在30℃左右,此時(shí)石蠟都是固態(tài),傳熱方式以熱傳導(dǎo)為主,熱量到達(dá)同一縱截面所需時(shí)間相近。(2)隨著時(shí)間的進(jìn)行,測(cè)點(diǎn)108處的石蠟溫度逐漸高于測(cè)點(diǎn)111和測(cè)點(diǎn)114處的石蠟溫度,并且測(cè)點(diǎn)108處的石蠟首先進(jìn)入相變階段,并先于測(cè)點(diǎn)111和測(cè)點(diǎn)114處的石蠟完成相變。這是因?yàn)榭拷鼡Q熱管壁的石蠟先熔化,然后在溫差的作用下產(chǎn)生自然對(duì)流,液態(tài)石蠟向上流動(dòng),加大與上部固態(tài)石蠟的換熱,自然對(duì)流影響的區(qū)域隨著時(shí)間的增加逐漸向下移動(dòng)。(3)測(cè)點(diǎn)108、111、114處的石蠟潛熱蓄熱階段依次增長(zhǎng),這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移,熔化成液態(tài)的石蠟逐漸增多,而液態(tài)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低于固態(tài)石蠟,相當(dāng)于熱阻逐漸增大,熱量傳遞時(shí)間較長(zhǎng)。(4)當(dāng)測(cè)點(diǎn)的溫度達(dá)到57℃左右后,在很短的時(shí)間內(nèi)石蠟的溫度便上升到接近70℃。這是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用的石蠟相變溫度為57℃左右,當(dāng)石蠟溫度到達(dá)它的相變溫度附近時(shí)開(kāi)始熔化。隨著時(shí)間增加,石蠟溫度逐漸升高,由于液態(tài)石蠟的密度小于固態(tài)密度,并且液態(tài)密度隨溫度升高而降低。在溫差和重力的作用下,石蠟發(fā)生對(duì)流和固體沉降現(xiàn)象,這種現(xiàn)象的發(fā)生給筒體內(nèi)的液態(tài)石蠟造成了擾動(dòng)的效果,大大加速了內(nèi)部傳熱,從而使溫度迅速上升。由圖5可見(jiàn):(1)加泡沫銅前后3個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)相似,距離筒體頂部的石蠟溫度最高,底部石蠟溫度最低。但是加入泡沫銅后完成相變的時(shí)間比加泡沫銅前提前了1.5h左右。(2)測(cè)點(diǎn)108處的溫度與測(cè)點(diǎn)114處的溫度差異不大。這是因?yàn)樵谑炛刑砑恿伺菽~之后,整體的相變材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)比純石蠟時(shí)大大提高,熱量的傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主,熱量由上層石蠟傳遞給金屬骨架,再由金屬骨架傳遞給底層石蠟,整個(gè)熱量傳遞速率很快,所以上下層石蠟溫差不大。(3)石蠟的熔化順序還是從筒體頂部開(kāi)始,筒體底部的石蠟最后熔化,但是對(duì)比圖5,這種趨勢(shì)變得不是很明顯。這是因?yàn)榕菽饘俚拇嬖谝欢ǔ潭壬献璧K了液態(tài)石蠟的自然對(duì)流和固體沉降現(xiàn)象的發(fā)生。3.2泡沫銅前后溫度的變化圖6和圖7分別表示加熱溫度為70℃,加泡沫銅前、后同一截面不同深度位置處(以測(cè)點(diǎn)113,114,115為例),溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由圖6可以看出:(1)加熱初期,熱量的傳遞以熱傳導(dǎo)為主,靠近換熱管壁面的石蠟溫度要高于距離換熱管壁面稍遠(yuǎn)處的石蠟,并且將這種溫度差異保持到了最后。(2)距離換熱管壁面越遠(yuǎn),縱截面之間的溫差越大。這是因?yàn)殡S著熔化過(guò)程的進(jìn)行,越來(lái)越多的石蠟熔化為液態(tài),液態(tài)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低于固態(tài),而在水平方向上,熱量的傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主,石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的降低相當(dāng)于增加了導(dǎo)熱熱阻,熱量傳遞的慢,導(dǎo)致溫差增大。由圖7可見(jiàn):(1)加泡沫銅前后3個(gè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)相似,距離換熱管壁面最近的石蠟溫度最高,最遠(yuǎn)處石蠟溫度最低。但是加入泡沫銅后完成相變的時(shí)間比加泡沫銅前提前了1.5h左右;(2)3個(gè)點(diǎn)的溫度差異均勻,這是因?yàn)榧尤肱菽~后,筒體內(nèi)水平方向上的熱量傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主,自然對(duì)流的影響非常小,熱量傳遞相同距離所需時(shí)間幾乎相等,所以溫差比較均勻。4加入泡沫銅的情況(1)在熔化初期,導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用,隨熔化過(guò)程進(jìn)行,自然對(duì)流和重力沉降作用造成靠近換熱管上部的石蠟最先熔化,遠(yuǎn)離換熱管底部的石蠟最后熔化;(2)蓄熱過(guò)程中,添加泡沫銅后完成相變的時(shí)間比沒(méi)有加入泡沫銅前提前了1.5h左右;(3)添加