相变材料传热强化的研究综述

贾焘　侯景鑫

摘 要：相变材料在蓄能技术中的应用展现了良好前景，但目前的部分有机相变材料存在着导热系数低的问题。本文对近年来国内外针对相变材料的传热强化技术进行归纳分析，强化传热技术主要包括蓄能结构的优化、添加导热填料等强化方法，并探讨了未来相变材料强化传热的研究方向重点，认为相变材料的传热性能强化对提高整个蓄能系统的能效具有重要意义。

关键词：相变材料；强化传热；导热系数；蓄热技术

0 引言

当今世界的能源的大量消耗，引起全球对节能减排的关注。蓄能技术的研究和应用，已经成为开发新能源、提高能源利用率的关键技术，在风能、太阳能利用、工业余热废热的回收利用、空调节能等领域具有广阔的应用前景[1]。

热能是目前最为重要的能源之一，蓄热方式主要有三种：显热蓄热、化学反应蓄热、潜热蓄热3种[2]。显热蓄热利用温度升降来蓄热，但蓄热密度小体积大且蓄热温度难以控制；化学反应蓄热利用化学反应的发生热蓄热，其技术复杂；潜热蓄热是通过相变材料相变时发生的吸热（放热）过程来储热（放热），其蓄热和放热过程近似等温，蓄热密度大且体积小[3]。因此潜热蓄热方式容易控制运行，具有重要的实际应用价值。

潜热蓄热方式采用的相变材料（PCM - Phase Change Material）是指随温度变化而相变并能提供潜热的物质，在物理状态转变时，相变材料将吸收或释放大量的潜热，其过程温度近乎恒定且具有蓄熱密度高、蓄热结构体积小等优点[4]。这些优点使得相变材料在太阳能利用和余热回收等方面都有十分广阔的应用空间。但部分有机相变材料存在着导热率偏低的缺点，该不足导致蓄热系统传热性能较差，使系统的效率不高。因此国内外都开始针对相变材料导热率低的问题进行了深入的研究。

1 蓄能结构优化

1.1 肋片

在蓄能系统中增加肋片，金属肋片能够增加额外的传热面积，增加流体热传导，是一种有效的强化传热的方法。肋片一般为导热系数高的铜、铝等金属。

Bugaje[5]对20种低导热率的相变材料做了添加20%星状铝制肋片的研究实验，研究表明，铝制肋片增强传热效果明显，其蓄热时间减少2倍以上，放热时间减少4倍以上。Agyenim等[6]针对环肋、直肋、无肋等三种管式相变材料蓄热器进行研究对比，其数据结果表明增加肋片后能很好的强化传热。胡凌霄等[7]提出了能在圆管内部使用的肋片，利用Fluent软件进行数值模拟，通过模拟计算得出采用这种肋片可以使相变材料融化时间大大缩小，极大的加快相变材料的融化，传热的强化效果明显。Liu 等[8]针对以硬脂酸为相变材料的蓄热结构进行了熔融过程特性及其肋片的导热性能的研究，该研究中对于置于管螺旋形肋片对强化传热影响表明，采用肋片后能够使其导热系数增加60%以上，肋片的使用对于蓄热结构的传热性能具有显著的影响。此外，研究数据说明肋片的尺寸和肋片间距对于传热效果有重要影响。赵朝义等[9]基于微重力利用焓法建立带肋片的相变材料容器相变传热的微分方程，利用集中参数法建立热边界层，用有限差分法进行数值求解，其计算结果显示，肋片间距变化比肋片厚度变化对系统传热性能影响更大一些。Parsazadeh， M等[10]研究为克服石蜡的低导热率，采用多尺度传热增强技术，在传热流体管的外表面上散布圆形肋片，并分散高导热性纳米颗粒（Al2O3）在壳侧的相变材料中，该研究应用CFD模拟在几种参数工况的相变材料融化，模拟数值结果表明加入纳米颗粒的肋片为35度的中等角度时，对传热的强化效果最为显著。

肋管型蓄相变蓄能结构的传热强化研究相对成熟，在管外增加肋片可以增加传热面积，大大提高了相变蓄热系统传热性能。近年来针对肋片的具体的大小、厚度、形状和间距等方面对于相变蓄热系统的传热效果影响的研究也更为深入，肋片这些方面也对传热强化均有不同程度的影响。当使用加肋片法来强化传热时，需要综合考虑增加肋片后各方面对传热效果的影响，选择合适肋片使蓄热系统的传热效率最优。

1.2 胶囊封装

相变材料胶囊是一种含有相变材料的微小容器，是利用薄膜材料将固相或液相的相变材料封装形成密封胶囊，其中被包裹的相变材料为囊芯，包裹的薄膜材料为囊壁。相变材料胶囊粒径小且囊壁薄，能够增加传热面积，对相变蓄热系统的传热强化有显著效果。

近年来，有很多对于相变材料胶囊制备方法的研究，主要的有有原位聚合法、界面聚合法和乳液聚合法等[11]。熊伟等[12]采用原位聚合法制得了以石蜡作为囊芯，脲醛树脂作为囊壁，平均粒径为309µm的相变材料胶囊，相变潜热可达74.28 J/g，研究表明，原位聚合法所制得的相变材料胶囊有良好的传热性能。Mohammad等[13]通过界面聚合法制备以硬脂酸丁酯为囊芯，三聚氰胺-甲醛树脂为囊壁的相变材料微胶囊，SEM图显示为球形，大小约为2μm，其DSC分析结果显示制得的微胶囊材料的蓄能效率约为40%且相变材料融化时间明显减少。尚建丽等[14]在现有技术上改进界面聚合法，利用多次界面聚合法制备以石蜡为囊芯，聚脲和聚氨酯为囊壁的单层和双层囊壁两种微胶囊相变材料，两种微胶囊相变材料中双层囊壁的相变材料的相变过程更加充分，密封性和热稳定性更好。单晓辉等[15]采用乳液聚合法以正十八烷为囊芯，苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物为囊壁，其热处理实验获得相变热焓137.5J/g，粒径6μm左右的微胶囊相变材料，蓄热性能好，可实际应用。

对相变材料胶囊封装，可以有效增大传热面积，增强相变材料的密封性能，有利于相变材料的强化传热。利用微胶囊技术制得相变材料胶囊的蓄热性和热稳定性能良好，良好的密封性能可以有效防止相变材料泄露和腐蚀。微胶囊封装技术在实际中的应用还有许多不足，由于微胶囊的粒径小，也可能会出现过冷，耐热性下降[16]。相变材料微胶囊的囊壁大多采用有机聚合物，囊壁的导热系数较低，会对影响蓄热系统的传热效率。故需要研究采用导热系数较高的胶囊壁材料进行胶囊封装，以提高相变材料胶囊整体的传热效率。

2 添加导热材料

2.1 添加金属颗粒

添加金属颗粒来提高相变材料的导热性能是一种常用方法，金属颗粒的导热率明显高于一般材料，添加金属颗粒可以明显改善相变蓄热系统的热效率。

Khan等[17]研究添加不同种类金属对于相变材料固化结冰过程的传热性能的影响，研究发现金属颗粒与相变材料的导热系数的比值是影响固化结冰效率的决定性因素。Hisham等[18]研究通过置于相变材料内的金属颗粒来增强传热，研究实验通过添加至相变材料中金属颗粒的直径和数量来进行，结果以相变材料的努塞尔数和熔解傅立叶数的变化表示。实验结果表明分析显示热负荷随金属颗粒直径和数量变化而变化，结果表明傅立叶下降了三倍和类似的努塞尔数增加了三倍，添加体积比2%的金属颗粒后相变材料的有效热导率大幅增加。Eman等[19]研究在以石蜡为相变材料的蓄热系统中添加铝粉末来提高传热性能。添加粒径为 80 µm，质量分数为 0.5%的铝粉末。结果显示，添加铝粉末后，蓄热时间缩短了近 60%，表明添加铝粉后大大的提高传热效率。

金属颗粒具有良好的导热性能，并且在相变材料中添加金属颗粒技术难度较小，研究表明，添加金属颗粒的相变材料明沟有效的提高相变材料的传热系数。但有部分金属会出现与相变材料的不相容，这会影响整个蓄热系统的传热性能。

2.2 添加碳纤维

碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度的新型纤维材料，具有耐腐蚀性，良好的导热性能，热膨胀系数小且具有各向异性，因此添加碳纤维能够提高相变材料的蓄热性能。

Li等[20]通过研究添加碳纤维的复合相变材料传热速率，该复合相变材料由碳纤维和正二十二烷制备，使用差示扫描量热法（DSC）测试其热性能分析，分析结果表明随着碳纤维混合量的增加，蓄热和放热速率也增加，说明添加碳纤维能够显著提高相变材料的传热速率。Frusteri等[21]研究了在无机相变材料中添加碳纤维，将不同长度的碳纤维任意添加至相变材料中，并用热线法测量其导热系数。在宽范围的碳载量（高达10wt%）中发现碳载量和热导率增加之间的线性关系，当使用长度为0.2 mm的碳纤维、碳载量约为 7wt%时，导热系数最佳。王大伟等[22]研究以石蜡为相变材料，膨胀石墨为载体，碳纤维为强化传热介质制备的碳纤维/石蜡/膨胀石墨复合相变材料，SEM图显示制备的膨胀石墨具有较大的孔隙裂缝及大量的网状孔型结构，具有良好的吸附性能，DSC分析得出在石蜡/膨胀石墨复合相变材料中添加高导热系数的碳纤维，能显著提高复合相变材料的蓄热、放热速度，極大地缩短了蓄热和放热时间。

添加高导热系数的碳纤维能够明显的改善相变材料的传热性能，对其研究重难点主要是针对不同相变材料如何找到添加最合适的体积分数，使得添加碳纤维后相变材料处于最佳的蓄热性能。

2.3 添加纳米粒子

纳米粒子可以显著的增强基体的导热系数，由于添加的纳米粒子导热系数远比基体大，纳米粒子的加入改变了基体的结构，显著增强了混合物内部能量的传递过程，使得相变材料的导热系数增大[23]。

纪珺等[24]研制了以水作为基液，添加纳米粒子及分散剂的复合相变材料（水+0.7%纳米TiO2+1.0%十二烷基苯磺酸钠），其导热系数测试结果显示，水基纳米TiO2复合相变材料导热系数相比于纯水提高了62.7%，达到0.9745 W/（m·K）。郑文娟[25]对石蜡/铜纳米粒子复合相变材料储热性能的研究，研究测试结果显示，复合相变材料导热系数随纳米铜含量的增加先增大后减小，当纳米铜粒子的体积分数达到1%时，其相变材料的导热系数最大为0.277 W/（m·K）。J.L.Zeng等[26]研究制备了有机相变材料/银纳米粒子复合材料，研究银纳米粒子对相变材料的导热系数的影响，通过热导率，红外光谱，X射线衍射，透射电子显微镜，差示扫描量热仪和热重分析等手段对其进行了表征，结果表明随着Ag纳米粒子负载量的增加，复合材料的导热系数增大，且具有良好的热稳定性。

添加纳米粒子能够有效强化相变材料的传热性能，实验研究测得随纳米粒子增加，会减小复合相变材料的相变潜热，且过高的纳米粒子含量会产生聚集现象，会对复合相变材料的蓄热性能产生负面影响。在以后的研究中需要针对不同相变材料采取不同种类的纳米粒子进行实验测试，以获得蓄热性能最优的纳米粒子复合相变材料。

2.4 添加泡沫金属

泡沫金属是一种具有多孔结构的新型材料，同样也具有金属的良好导热性能。以泡沫金属为载体，将相变材料置于泡沫金属的多孔结构中组成复合相变材料，在密度和潜热的变化都不大，导热系数提升很大[27]。

彭冬华等[28]对泡沫铝石蜡复合相变材料的融化传热过程进行了数值分析，有泡沫铝的石蜡完成相变过程速度要比纯石蜡快的多，其数值模拟结果显示添加泡沫金属后复合相变材料能够显著的提高其蓄热性能。SONG等[29]用泡沫金属为基制备的复合相变材料，通过实践获得温度曲线分析传热性能，实验结果表明，泡沫金属基体可以改善相变蓄热材料的温度均匀性，增强导热能力，复合相变材料的导热性能显著提高。曹向茹[30]对填充泡沫金属的相变蓄热单元管热性能研究，采用孔隙率为95%的多孔泡沫镍来研究对单元管内氟盐相变材料的强化传热的影响。使用FLUENT软件对泡沫金属相变材料蓄热系统与纯相变材料系统进行对比分析，通过数值分析比较，采用泡沫金属对相变蓄热系统有明显传热强化作用。

添加泡沫金属能够强化相变材料传热性能，在采用添加泡沫金属时，需要选择合适的孔隙率，保证能够强化相变材料的导热率。但目前对于泡沫金属对强化传热的影响都为单因素研究，泡沫金属由于本身结构的特殊性，泡沫金属的种类、孔隙率、厚度等各方面性质对相变材料的强化传热也会产生不同程度影响，还需对此进行更为深入的研究

3 结语

综合上述研究结果，对相变材料强化传热技术总结为改善蓄热结构和添加导热材料两大类，近年来针对相变材料传热强化的研究越来越多，传热强化的技术也越来越成熟。但在上述各种传热强化技术仍有很多方面需要深入研究。

上述多数研究中针对相变材料强化传热只采取了单一的强化传热技术，而上述研究中采用复合强化传热技术的研究结果显示，复合强化传热的相变材料蓄热性能明显优于采用单一强化传热技术的相变材料，能够更好的解决相变材料导热率低的问题。

因此，认为复合强化传热技术会将成为未来相变材料强化传热的研究重点，通过将以上强化传热技术的复合应用将会给相变蓄能系统带来更好的传热效果，其研究发展具有重要的实际应用意义。

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作者简介：

贾焘（1996- ），男，浙江金华人，本科生，建筑环境与能源应用工程。

基金项目：嘉兴学院重点SRT资助项目。