泡沫金屬內(nèi)嵌石蠟水平蓄器內(nèi)凝固放熱實(shí)驗(yàn)

摘要蓄能技術(shù)，尤其是蓄熱技術(shù)，與太陽(yáng)能光熱利用系統(tǒng)集成耦合，可有力解決太陽(yáng)能間隙性問題，提高太陽(yáng)能熱利用品質(zhì)和利用效率，為光熱利用系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能流輸出。為解決工程常見的相變材料熱導(dǎo)率低、蓄/放熱系統(tǒng)效率不高的關(guān)鍵問題，選取石蠟為蓄熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種水平管內(nèi)填充泡沫金屬的蓄熱單元，探究相同蓄熱工況(70.0℃蓄熱)、不同放熱流體溫度(10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃)下泡沫金屬內(nèi)嵌石蠟的凝固相變行為。通過高清相機(jī)拍攝得到凝固相界面的實(shí)時(shí)位置，通過熱電偶測(cè)量獲得凝固過程中內(nèi)部溫度響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷流體溫度越低，凝固速率越快；相比較30.0℃的放熱工況，冷流體為10.0℃時(shí)石蠟完全凝固時(shí)間縮短了52.0%。同一徑向距離測(cè)點(diǎn)的豎直高度越高，溫降越快，其溫度響應(yīng)率也越大；但軸向位置對(duì)凝固測(cè)點(diǎn)溫度變化影響差異不大。以1b測(cè)點(diǎn)的溫度響應(yīng)值為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃冷卻工況下1a點(diǎn)溫度響應(yīng)率分別提高了7.2%、8.8%、10.3%、10.8%、11.7%。本研究有助于推廣泡沫金屬相變蓄熱器的工程應(yīng)用，為泡沫金屬內(nèi)嵌固液相變材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)選取提供指導(dǎo)和幫助。關(guān)鍵詞相變放熱；水平管殼式換熱器；泡沫金屬；換熱流體溫度；相界面太陽(yáng)能具有清潔、零排放、無(wú)污染、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，是眾多可再生能源中極具潛力的能源形式。通過太陽(yáng)能低溫光熱利用可滿足生活熱水、建筑供暖等重要需求，是實(shí)現(xiàn)建筑低碳運(yùn)行的有力措施。然而，太陽(yáng)能存在時(shí)空分布不均、晝夜/季節(jié)波動(dòng)大等問題，嚴(yán)重限制了太陽(yáng)能低溫光熱利用效率與供能品質(zhì)。蓄能技術(shù)，尤其是蓄熱技術(shù)，與太陽(yáng)能光熱利用系統(tǒng)集成耦合，可有力解決上述問題，提高太陽(yáng)能熱利用品質(zhì)和利用效率，為光熱利用系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能流輸出。相較于其他兩種蓄熱技術(shù)(即顯熱蓄熱與熱化學(xué)蓄熱)，固液相變蓄熱技術(shù)具有蓄熱密度大、易維護(hù)、蓄/放熱過程溫度恒定等優(yōu)勢(shì)，尤其是放熱過程溫度恒定的特點(diǎn)與建筑供暖運(yùn)行特點(diǎn)高度契合，在太陽(yáng)能低溫光熱利用中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。然而，工程常見固液相變材料熱導(dǎo)率較低，顯著限制了蓄/放熱效率。為此，開發(fā)新型高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料與強(qiáng)化換熱措施是固液相變蓄/放熱系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。提高固液相變效率的關(guān)鍵在于提高相變材料的熱導(dǎo)率、增大換熱流體與相變材料之間的換熱面積、提升換熱流體與相變材料之間的換熱系數(shù)。泡沫金屬類材料具有極大的比表面積、高孔隙率、骨架高導(dǎo)熱等特點(diǎn)，內(nèi)部金屬骨架相互貫通，有利于填充于小孔內(nèi)部的相變材料發(fā)生固液相變傳熱。一方面，高導(dǎo)熱骨架易于熱量傳導(dǎo)、提高了相變材料的整體熱導(dǎo)率；另一方面，大比表面積有利于充分接觸換熱。已有研究結(jié)果表明泡沫金屬可顯著提高固液相變蓄/放效率。Zhang等實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了填充有泡沫金屬的矩形腔中石蠟的熔融傳熱，表明復(fù)合相變材料的熔化速率和溫度分布大大優(yōu)于純石蠟。楊佳霖等通過實(shí)驗(yàn)研究了管殼式潛熱蓄熱器中的銅泡沫對(duì)石蠟的傳熱增強(qiáng)特性，證明相變材料的溫度分布均勻性得到了極大提高。Ferfera等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，分析了不同孔隙率和孔密度的Cu/Ni泡沫復(fù)合相變材料的儲(chǔ)熱性能，得出的結(jié)論是，復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率分別顯著提高了35倍和6倍。Wang等研究了裝有徑向梯度孔隙率銅泡沫的豎直管殼式潛熱蓄熱器的蓄/放熱特性，表明與均質(zhì)銅泡沫相比，總?cè)刍瘯r(shí)間減少了37.6%。Tao等研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性能與泡沫金屬的孔密度有著明顯關(guān)系，同時(shí)孔密度的增加會(huì)在一定程度上削弱蓄熱單元內(nèi)的自然對(duì)流作用。Feng等在孔徑尺度下采用內(nèi)切球形十四面體結(jié)構(gòu)建立模型對(duì)開孔金屬泡沫進(jìn)行直接數(shù)值模擬。Yao等利用孔隙尺度方法數(shù)值模擬研究了熔融過程中金屬泡沫/石蠟復(fù)合材料的相態(tài)、溫度、熱通量和流場(chǎng)。李文強(qiáng)等采用多孔介質(zhì)的體積平均模型，建立了金屬泡沫內(nèi)固-液相變的兩方程數(shù)學(xué)物理模型，并考慮到非達(dá)西效應(yīng)和石蠟與泡沫之間的局部非熱平衡效應(yīng)，比較了石蠟和泡沫的溫度場(chǎng)差異，證實(shí)了采用兩方程模型的必要性。此外，Esapour等通過三維數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)金屬泡沫不僅能提升相變材料的熔化效率，還能提升相變材料的凝固效率。Zhang等聲稱金屬泡沫可以提升石蠟整體的有效熱導(dǎo)率從而提升相變速率。在相變效率提升上，與純石蠟相比，金屬泡沫可以提升超過50%的相變速率。這些研究表明金屬泡沫對(duì)相變材料的蓄熱和凝固效率有很大的提升。但是這些研究主要是數(shù)值模擬的研究。此外，以往的研究缺乏對(duì)凝固過程常見溫度范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。然而，這些結(jié)果不僅需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋梅从硨?shí)際的放熱性能和熱損失。雖然文獻(xiàn)對(duì)泡沫的凝固放熱進(jìn)行了廣泛的研究，但是現(xiàn)有的研究主要是數(shù)值研究，缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。金屬泡沫可以產(chǎn)生更均勻的傳熱和加強(qiáng)石蠟的內(nèi)部熱傳導(dǎo)。與以前的結(jié)構(gòu)相比，理論上金屬泡沫可以提高結(jié)構(gòu)整體的熱量?jī)?chǔ)存和釋放的效率。因此，本工作針對(duì)金屬泡沫蓄熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種水平管內(nèi)填充泡沫金屬的蓄熱單元。探究不同流體溫度(10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃)下泡沫金屬內(nèi)嵌石蠟的凝固相變行為。通過高清相機(jī)拍攝得到凝固相變界面的實(shí)時(shí)位置，以及采用熱電偶測(cè)量凝固過程中內(nèi)部溫度變化規(guī)律，并進(jìn)行了相應(yīng)的溫度響應(yīng)速度分析。這些研究可以為泡沫金屬內(nèi)嵌固液相變材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)參數(shù)選取提供指導(dǎo)和幫助。1相變放熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1水平蓄熱件設(shè)計(jì)管殼式換熱器應(yīng)用十分廣泛，具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種水平管內(nèi)填充泡沫金屬的蓄熱器。蓄熱器整體采用法蘭緊固，外觀采用有機(jī)玻璃作為殼體。一方面有機(jī)玻璃具有良好的保溫性能，另一方面其質(zhì)地透明，可滿足相界面可視化的需求?？紤]到石蠟在相變過程中存在一定的體積膨脹，因此在蓄熱器上方預(yù)留了方形槽以容納相變材料額外的膨脹體積。蓄熱器的整體外觀結(jié)構(gòu)如圖1(a)、1(b)所示，整體長(zhǎng)度為50mm、蓄熱器的內(nèi)徑為60mm、有機(jī)玻璃管壁厚為5mm。方形槽的尺寸為寬30mm、高10mm、長(zhǎng)50mm。采用的換熱銅管內(nèi)徑為20mm、管厚度為1mm、長(zhǎng)為70mm。圖1水平蓄熱器設(shè)計(jì)蓄熱器內(nèi)部選用泡沫銅作為多孔介質(zhì)，其中泡沫銅的孔隙率、孔密度經(jīng)測(cè)量為97.03%、10PPI(poreperinch，每英寸孔的個(gè)數(shù))。在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)泡沫銅進(jìn)行加工，采用線切割的方式精確得到長(zhǎng)為50mm、外徑60mm、內(nèi)徑22mm的泡沫銅。為了最大程度地排空泡沫銅內(nèi)殘留空氣，采用了真空灌蠟法以獲得石蠟-銅泡沫的復(fù)合結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)開始前，對(duì)切割好的泡沫銅進(jìn)行超聲清洗，然后采用真空灌蠟法進(jìn)行復(fù)合相變材料制備。待真空灌蠟完成后，對(duì)石蠟進(jìn)行打磨光滑處理即可。真空灌蠟后得到的復(fù)合相變材料如圖1(a)所示。在銅管的外表面均勻涂抹高導(dǎo)熱膠以減小泡沫銅與銅管接觸熱阻的影響，蓄熱器外包裹保溫棉(厚度為30mm)以減小熱損失。圖1(c)與(d)展示了溫度測(cè)點(diǎn)的布置情況?？紤]到該水平蓄熱器在徑向和軸向的熔化差異，因此沿著軸向和徑向分別布置了位置不同的熱電偶測(cè)點(diǎn)。圖1(c)為在同一橫截面下布置的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，a、b為同一徑向距離(R=25mm)，其中測(cè)點(diǎn)a位于該橫截面的上半部分，與水平位置的夾角呈45°；b位于橫截面的下半部分，與水平位置的夾角亦為45°。在此基礎(chǔ)上，從左到右選取了1、2兩個(gè)不同的軸向位置(L1=10mm，L2=40mm)，同時(shí)銅管進(jìn)出口也布置了相應(yīng)的熱電偶測(cè)點(diǎn)。為了更好地固定熱電偶的位置，首先將熱電偶與小木棒用棉線纏在一起，每個(gè)木棒上固定兩根熱電偶，然后插入到復(fù)合相變材料的內(nèi)部位置進(jìn)行封裝。1.2相變蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了研究泡沫金屬對(duì)水平蓄熱器固液相變傳熱強(qiáng)化的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)了如圖2所示的放熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)可以主要分為3個(gè)部分：測(cè)試模塊、冷熱源模塊以及數(shù)據(jù)采集記錄模塊。測(cè)試模塊主要是指本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的管殼式水平蓄熱器；冷熱源模塊主要由冷水浴(控制精度±0.2℃)、熱水浴(控制精度±0.3℃)、流體循環(huán)管道和截止閥組成。數(shù)據(jù)采集記錄模塊主要涉及數(shù)據(jù)采集儀(采集精度±0.2℃)、高清相機(jī)、熱電偶(精度±0.3℃)等。圖2相變放熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.3實(shí)驗(yàn)流程及操作本實(shí)驗(yàn)的目的是探究放熱流體溫度對(duì)相變材料凝固過程的影響，所以在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置相同的加熱工況。首先僅打開閥門1，開啟熱水浴內(nèi)循環(huán)以達(dá)到設(shè)定溫度(70.0℃)。而后開啟外循環(huán)加熱模式，開啟閥門2和3、關(guān)閉閥門1，待蓄熱器完全熔化后，穩(wěn)定一段時(shí)間(30min)以確保蓄熱器內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。在開展上述蓄熱實(shí)驗(yàn)過程的同時(shí)，冷水浴已按照相應(yīng)溫度準(zhǔn)備得當(dāng)。打開冷水浴外循環(huán)模塊閥門5和6，進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn)。此時(shí)應(yīng)注意每次實(shí)驗(yàn)過程中都應(yīng)將閥門開到最大，以保證相同流量。在實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集儀每間隔10s讀取1次數(shù)據(jù)，高清相機(jī)每隔1min進(jìn)行1次相界面拍攝。待蓄熱器內(nèi)部的石蠟完全凝固且內(nèi)部溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，視為放熱實(shí)驗(yàn)完全結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉冷水浴。在相同的實(shí)驗(yàn)條件以及操作條件下，設(shè)置不同的冷水浴溫度(10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃)開展放熱凝固實(shí)驗(yàn)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1相界面演變規(guī)律為了定量分析冷流體溫度對(duì)蓄熱器凝固的影響，在實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)試了冷流體溫度為10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃對(duì)石蠟?zāi)痰挠绊憽D3展示了換熱流體溫度分別為10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃時(shí)蓄熱器內(nèi)石蠟相界面隨時(shí)間的變化情況。相比初始狀態(tài)，凝固時(shí)間為15min時(shí)石蠟從內(nèi)部圓管區(qū)域開始逐漸凝固。這說明在冷流體的降溫作用下，使得石蠟中心區(qū)域的溫度逐漸下降到石蠟?zāi)唐鹗紲囟?，靠近銅管壁的液態(tài)石蠟開始凝固。從圖3中可以看出，冷流體溫度越低，相同時(shí)間內(nèi)石蠟?zāi)痰捏w積越多。這主要是由于石蠟與冷流體的溫差越大，導(dǎo)熱越強(qiáng)，石蠟放出了更多的熱量。實(shí)驗(yàn)無(wú)法直接測(cè)量石蠟的液體分?jǐn)?shù)，因此為了定量比較，統(tǒng)計(jì)了冷流體溫度為10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃5組實(shí)驗(yàn)下的完全凝固時(shí)間，分別為15min、17min、19min、22min、24min。相比較30.0℃的放熱工況，冷流體為10.0℃時(shí)石蠟完全凝固時(shí)間縮短了37.5%。這說明冷流體溫度是影響石蠟相變的關(guān)鍵因素之一。圖3不同冷流體溫度下蓄熱器相界面演變2.2不同位置溫度變化規(guī)律圖4為冷流體溫度20.0℃時(shí)不同測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。在溫升過程中，不同高度位置的測(cè)點(diǎn)存在溫差，測(cè)點(diǎn)的豎直位置越高，蓄熱過程結(jié)束達(dá)到的平衡溫度越高。凝固初始階段，在溫差的驅(qū)動(dòng)下，各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線迅速下降，先后經(jīng)歷了液相顯熱放熱、凝固潛熱放熱、固相顯熱放熱以及熱平衡4個(gè)階段。值得注意的是，1a和2a測(cè)點(diǎn)的溫度曲線幾乎重合，1b和2b測(cè)點(diǎn)的溫度曲線差異較小，這說明對(duì)于本工作建立的蓄熱器來(lái)說，軸向差異幾乎可以忽略不計(jì)。但沿豎直方向，1a、1b兩點(diǎn)和2a、2b兩點(diǎn)之間存在溫差，平均溫差分別為1.27℃和1.00℃。圖4冷流體溫度20.0℃時(shí)石蠟內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖5對(duì)比了冷流體溫度為10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃5種不同工況下石蠟內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線。盡管冷流體溫度不同，石蠟內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)溫度曲線呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，均由陡變緩再逐漸變陡，最終逐漸變緩趨于水平。這分別對(duì)應(yīng)了石蠟液相顯熱放熱、凝固相變潛熱放熱、固相顯熱放熱以及熱平衡4個(gè)典型階段。以圖5(a)為例闡述不同冷流體溫度對(duì)石蠟內(nèi)同一點(diǎn)溫度發(fā)展的影響，可以看出，盡管冷流體溫度不同，剛開始時(shí)，5種放熱工況下1a點(diǎn)呈現(xiàn)出相同的溫度變化規(guī)律。待石蠟溫度下降到55.0℃時(shí)，進(jìn)入凝固放熱階段，此時(shí)5種放熱工況下的曲線仍然高度聚攏。當(dāng)1a點(diǎn)溫度進(jìn)一步下降到50.0℃時(shí)，表明凝固放熱階段結(jié)束。在此階段之后5條曲線開始發(fā)散，顯現(xiàn)出明顯溫差。冷流體溫度為10.0℃時(shí)石蠟最先進(jìn)入下一階段而進(jìn)行顯熱放熱。圖中顯示曲線的斜率受冷流體溫度的影響，冷流體溫度越低，溫差越大，曲線變化越劇烈，顯熱蓄熱階段溫度降低越快。達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，最終的平衡溫度同樣受冷流體溫度的影響，溫度為10.0℃時(shí)平衡溫度越低。其余各點(diǎn)的溫度曲線呈現(xiàn)出類似1a點(diǎn)的規(guī)律。圖5不同換熱溫度下各測(cè)點(diǎn)溫度曲線2.3溫度響應(yīng)為了更好地研究不同冷流體溫度對(duì)蓄熱器凝固過程中溫度的影響，本工作提出了平均溫度響應(yīng)率以定量地描述蓄熱器內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度變化的快慢，其定義如下所示： (1)式中，T(ti)為ti時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的溫度，℃；T(ti-1)為ti-1時(shí)刻測(cè)點(diǎn)的溫度，℃；tfull為完全凝固時(shí)間，s。圖6給出了不同測(cè)點(diǎn)在10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃5種不同工況下的平均溫度響應(yīng)速率。從整體趨勢(shì)來(lái)看，平均溫度響應(yīng)率受溫差影響較大，冷流體溫度越低，溫度響應(yīng)越快。圖6中測(cè)點(diǎn)1a分別在10.0℃和30.0℃對(duì)應(yīng)平均溫度響應(yīng)率的最大值為2.8×10-2℃/s和最小值為8.4×10-3℃/s，其最大值比最小值大233.3%。對(duì)比a、b兩個(gè)不同的測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)上部測(cè)點(diǎn)a的溫度響應(yīng)始終大于下部測(cè)點(diǎn)b的溫度響應(yīng)，即豎直位置越高，溫度響應(yīng)越快。這是因?yàn)樵陲@熱放熱過程中，上部測(cè)點(diǎn)與冷流體之間的溫差較大因而溫度響應(yīng)越快。以1b測(cè)點(diǎn)的溫度響應(yīng)值為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃的1a點(diǎn)溫度響應(yīng)率分別提高了7.2%、6.3%、10.3%、10.8%、11.7%。類似地，當(dāng)以2b測(cè)點(diǎn)的溫度響應(yīng)值為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃的2a點(diǎn)溫度響應(yīng)率分別提高了8.3%、8.8%、11.0%、13.9%