泡沫铜对相变蓄热性能的影响

陈华，赵睿，柳秀丽

（天津商业大学机械工程学院，天津 300134）

0 引言

相变蓄热是利用相变过程来实现热量储存与释放的技术，在太阳能、余热废热利用等领域有着广阔前景[1-4]。目前广泛使用石蜡作为相变蓄热材料进行低温热储存[5-6]，但石蜡存在传热速率慢、导热系数低且蓄热所需时间长等弊端[7-10]，因此研究者将高导热孔隙材料与石蜡结合构成复合相变材料，以提高其导热能力[11-14]。

徐众等[15]分别将泡沫铜、泡沫镍和泡沫铝与石蜡相结合制成复合相变材料，研究吸附温度和时间对复合材料中石蜡含量的影响，研究发现泡沫铜/石蜡复合相变材料的稳定性和导热系数优于泡沫镍/石蜡、泡沫铝/石蜡复合材料。胡杰等[16]利用ANSYS软件建立泡沫铜/石蜡复合材料仿真模型并进行有限元仿真分析。结果显示，复合相变材料比单一相变材料的传热速率快，内部温度也更加均匀。魏高升等[17]将石蜡与孔隙率为97.57%的泡沫铜结合构成复合材料，发现其导热系数比纯石蜡导热系数高13倍左右。姚元鹏等[18]采用数值模拟的方式，对泡沫铜内石蜡凝固相变进行孔隙尺度实验研究，研究发现在石蜡中添加泡沫铜可显著改善石蜡相变空间的均匀性。刘洋等[19]将泡沫铜与石蜡相结合构成复合相变材料，通过实验研究热源温度与环境温度对储能过程与单元性能的影响，研究发现加入泡沫铜可减小储能单元内部温差，相对优化率分别达到47.5%和8.3%。综上所述，将泡沫金属铜与石蜡结合构成复合相变材料可有效提高蓄热能力和稳定性，但泡沫铜与石蜡的分布形式对蓄热性能影响的研究较为少见。

本实验采用实验测试的方式，将泡沫金属铜加入相变蓄热箱，设计3种布置方案，来研究复合相变材料内泡沫铜布置对蓄热效果的影响，分析复合材料内石蜡熔化过程中的温度分布情况，比较各方案的性能，确定最优泡沫铜布置方式，为今后泡沫铜的优化布置提供实验依据。

1 系统原理介绍及实验设备及过程

本实验采用的相变蓄热箱如图1所示，蓄热箱直径为460 mm，高为500 mm，内部有冷热盘管，盘管由螺旋铜盘管组成，盘管总长为20 m，盘管匝数为16，间距为22 mm，直径为12 mm，螺旋直径为200 mm。在蓄热实验中，高温高压制冷剂由制冷剂入口进入热盘管进行热交换后从制冷剂出口流出，此过程中箱内相变材料温度不断升高，当石蜡完全熔化，各测点温度基本不变时实验结束。

图1 相变蓄热箱内外部结构

采用热流型差示扫描量热仪对纯石蜡样本进行测试，获取相变材料石蜡的相变温度和相变潜热值等参数，如图2所示。根据测量得到的石蜡吸/放热曲线可知所选取的石蜡凝固点为47.29 ℃，融化点为57.07 ℃，导热系数为0.21 W/(m·K)，密度为900 kg/m³，相变潜热值为137.4 J/g。实验选取的泡沫金属铜密度为8 930 kg/m³，孔密度为20 PPI，孔隙率为96%，尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。

图2 石蜡DSC测试的熔化和凝固曲线

复合材料有效导热系数ke可根据MESALHY等[20]提出的表达式进行估算：

式中，kp为相变材料的导热系数，W/(m·K)；ks为铜的导热系数，W/(m·K)；ε为泡沫铜的孔隙率，%。

经计算，实验中复合材料有效导热系数约为5.61 W/(m·K)。测量仪器及其参数如表1所示，铠装热电偶用于测量相变蓄热箱热流体进出口温度，铜-康铜热电偶用于测量相变蓄热箱内测点温度。

表1 测量仪器及其参数

相变蓄热箱中泡沫铜垂直插入石蜡内形成3种布置方式如图3所示。其中矩形代表泡沫金属铜，实心圆圈代表热电偶所在的位置，中间空心圆圈则代表黄铜材质、内通热流体的加热盘管。3种布置方案均为轴对称分布，除泡沫金属铜的位置不同，其他条件均相同。测点1～测点11位于含金属泡沫铜的一侧，而测点1'～测点11'则位于纯石蜡的一侧，测点1～测点11与测点1'～测点11'分别呈对称分布。

图3 三种泡沫铜在相变蓄热箱中布置测点

2 结果分析

2.1 复合材料与纯石蜡测点比较

为对比纯石蜡与复合材料的蓄热效果，选取位于测点中部、呈直线分布的测点1、测点2、测点6和测点10进行比较。其中测点1和测点2位于盘管内圈，测点6和测点10位于盘管外圈。温度比较如图4所示。测点温升速率如表2所示。在实验中，纯石蜡侧测点在3组方案下温升速率差别极小，因此在表2中将3组纯石蜡侧测点综合为一组。

表2 测点温升速率比较

图4中，相变蓄热箱中的蓄热过程可分为前期、中期和后期3个阶段。蓄热前期：蓄热开始的前50 min，此时石蜡仍处于固态，热量以导热形式进行传递，为蓄热过程的显热蓄热阶段。蓄热中期：蓄热阶段的50～200 min，石蜡温升加快，固态石蜡逐渐融化为液态石蜡，进入潜热蓄热阶段。蓄热后期：200 min后，这时相变材料已经化为液态，也就是进入显热蓄热阶段。由图4(a)～图4(c)可知，添加泡沫铜的3种复合材料能够显著提高测点1、测点2温升效果。内侧测点1，在蓄热前期，方案1、方案2和方案3温升速率分别为纯石蜡侧的5倍、4倍和2倍；在蓄热中期，方案1、方案2较纯石蜡侧提前70 min进入潜热蓄热阶段，方案3则提前50 min，3种方案均缩短石蜡融化时间。内侧测点2，方案1、方案2、方案3在蓄热前期的温升速率为0.12、0.25和0.22 ℃/min，分别为纯石蜡侧的3倍、6倍和5倍；在蓄热中期，方案1、方案2的温升速率为纯石蜡侧2倍，方案3约为纯石蜡侧3倍。可见在蓄热箱内圈，复合材料的换热效果明显优于纯石蜡的换热效果。

在纯石蜡蓄热过程中，测点6为温升最快点。由图4(d)～图4(f)可知，纯石蜡在测点6上的整体蓄热效果是优于方案2和方案3，而方案1在蓄热中期，温升速率较纯石蜡侧提高了47%，并先于纯石蜡侧进入潜热蓄热阶段，改善了纯石蜡蓄热效果。因此添加泡沫铜能明显改善蓄热中期温升速率，但是泡沫铜放置方式，反而影响蓄热前期温升速率。添加泡沫铜方式对热量传递效果有很大影响，因此确定合理的泡沫铜摆放方式显得尤为重要，此处方案1较方案2、方案3更利于测点6温度的提升。对于外圈测点10，在蓄热前期，方案1、方案2、方案3温升速率较纯石蜡侧的提高100%、50%和50%；在蓄热中期，3种方案温升速率分别较纯石蜡侧提高113.3%、40%、13.3%。在外圈测点10处，3种方案蓄热效果均优于纯石蜡侧，其中方案1提升蓄热效果更为明显。综上所述，不同布置方式的泡沫铜/石蜡复合材料，其蓄热效果不同。3种方案中，方案1能更好提升纯石蜡的蓄热效果。

图4 相变蓄热箱内外圈测点对比

2.2 3种布置方案测点温度比较

根据布置图可知，盘管内圈泡沫铜的布置是相同的，且由图3可知，3种方案下内圈测点温升速率虽有不同，但均可提升纯石蜡的蓄热效果，故3种方案仅就外圈测点进行比较。

2.2.1 外圈温升最慢点比较

测点8和测点9位置靠近蓄热箱内壁，远离热盘管，蓄热过程中温升较慢，因此选择此两点作为分析对象。图5所示为外圈温升最慢点比较。由图5(a)可知，3种方案在测点8处温升趋势差别不大，由图5(b)可知，在测点9位置上方案1的温升效果更好。在前期，方案1的温升速率为0.09 ℃/min，分别为方案2、方案3的2倍和6倍；在中期，方案1温升速率为0.50 ℃/min，分别为方案2、方案3的2～3倍，且方案1进入潜热蓄热的时间较方案2、方案3缩短50 min和100 min。因此，3种方案对比下，方案1更利于提升离热源较远位置的温度。

图5 外圈温升最慢点对比

2.2.2 外圈温升最快点比较

由于3种泡沫铜布置方式不同，在蓄热箱内的温度分布也不同。在蓄热箱盘管外圈，方案1、方案2和方案3温升最快点分别为测点5、测点6和测点7，此3点距离热盘管较近、响应时间短、温度上升快，可作为分析对象，温度趋势如图6所示。方案1测点5在蓄热前期温升速率为0.12 ℃/min，较方案2和方案3提高132%和31.8%；在蓄热中期温升速率为0.45 ℃/min，约为其他两组温升速率的两倍，并提前50 min和40 min进入潜热蓄热段。对于测点6，在蓄热前期，方案1温升速率为0.16 ℃/min，约为方案2、方案3的2倍和3倍；在蓄热中期，方案1温升速率较方案2、方案3提升了107.4%和124%，融化时间缩短90 min和120 min。而测点7处，蓄热前期内方案2温升速率为0.09 ℃/min，较方案1、方案3高53.3%和431%，在蓄热中期，方案1温升速率为0.37 ℃/min，较方案2、方案3高52.1%和109%，提前20 min和100 min进入潜热蓄热阶段。综合3组测点来看，针对盘管外圈温升较快的位置，方案1的换热效果更好，即泡沫铜平行于热源放置，对蓄热效果改善更佳。

图6 外圈温升最快点对比

3 结论

本文研究了泡沫金属铜在石蜡中不同的布置方式对蓄热效果的影响，比较不同方案的复合相变材料与单一相变材料的温升速率、融化时间等指标，确定最适宜的泡沫铜布置方案，得出如下结论：

1）添加泡沫铜可将热盘管内圈温升速率提升了3～6倍，3组复合材料在测点1和测点2的蓄热效果均优于纯石蜡；

2）对于热盘管外圈测点，在蓄热中期添加泡沫铜能提高温升速率13.3%～113.3%，但是泡沫铜放置方式，反而影响蓄热前期温升速率；

3）比较3组方案中热盘管外圈传热最快和最慢点，在蓄热前期方案1较方案2、方案3温升速率可提高30%～400%，蓄热中期能提高50%～200%；综合来看方案1的蓄热效果更好，即泡沫铜平行于热源布置，更有利于改善纯石蜡的蓄热性能。