泡沫銅相變蓄熱器熱性能試驗研究

泡沫銅相變蓄熱器熱性能試驗研究

1化學加整理材料在相變傳熱系統(tǒng)中的應用由于溫度類似于設定溫度，滲透蓄熱能夠穩(wěn)定儲存能力和解釋能力，對應用具有廣闊的前景。但是常用的相變材料導熱系數(shù)很小,嚴重影響了其傳熱速率,難以滿足相變蓄熱影響了儲能的效果。在強化相變儲能方面,國內(nèi)外學者做了大量理論和試驗方面的研究,通過在相變材料中添加各種形態(tài)的金屬、石墨、肋片等措施,強化相變材料的導熱系數(shù),從而達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,是很好的強化換熱材料,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能裝置,并搭建蓄熱器熱性能試驗臺,對填充泡沫銅和未填充泡沫銅的蓄熱容器分別進行相變蓄熱試驗,并進行分析討論。2co-keys2.1充填材料配比試驗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,其結構如圖1所示。為了在相變儲能過程中利用泡沫銅的各種特性,同時考慮到相變材料的可填充問題和保證其充裝量,試驗中選用孔數(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,無過冷及層析現(xiàn)象,性能穩(wěn)定,無毒、無腐蝕性,價格便宜等優(yōu)點而備受歡迎。本次試驗中選用熔化溫度為58～60℃,純度為98%的石蠟作為相變材料。2.2調(diào)查過程設計試驗裝置和儀器主要包括:蓄熱器、電加熱器、水泵、水箱、風機盤管、渦輪流量計、T型熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、控制柜以及計算機。蓄熱器是試驗的主要裝置,設計為一環(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。試驗時,熱水在換熱管里流動,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個小孔,用來放置熱電偶以測量相變材料的溫度。在筒體的4個方向上均勻布置熱電偶,每個方向上布置3個,這3個熱電偶距離換熱管外壁的長度分別為15mm、30mm、45mm。選取3個軸向界面,每個軸向界面上有4個熱電偶,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置了聚氨酯保溫材料,經(jīng)計算,良好的保溫材料可能減少試驗過程中的熱損失,故熱損失可以忽略不計。2.3型腔體的相變溫度測定設定電加熱器溫度,啟動水泵,調(diào)整好流量使熱水在換熱管中循環(huán)流動,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,打開標定好的數(shù)據(jù)采集儀,記錄PCM的溫度,蓄熱過程一直進行到PCM溫度達到其相變溫度時結束。本試驗設定熱媒水進口溫度為70℃,流量為8L/min,得到了各點PCM溫度隨時間的變化情況。3熱性能試驗結果及分析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(以測點108,111,114為例),溫度隨時間的變化關系。由圖4可見:(1)加熱初期,同一個截面上的測點,溫度基本相同。這是因為開始的時候石蠟溫度在30℃左右,此時石蠟都是固態(tài),傳熱方式以熱傳導為主,熱量到達同一縱截面所需時間相近。(2)隨著時間的進行,測點108處的石蠟溫度逐漸高于測點111和測點114處的石蠟溫度,并且測點108處的石蠟首先進入相變階段,并先于測點111和測點114處的石蠟完成相變。這是因為靠近換熱管壁的石蠟先熔化,然后在溫差的作用下產(chǎn)生自然對流,液態(tài)石蠟向上流動,加大與上部固態(tài)石蠟的換熱,自然對流影響的區(qū)域隨著時間的增加逐漸向下移動。(3)測點108、111、114處的石蠟潛熱蓄熱階段依次增長,這是因為隨著時間的推移,熔化成液態(tài)的石蠟逐漸增多,而液態(tài)石蠟的導熱系數(shù)低于固態(tài)石蠟,相當于熱阻逐漸增大,熱量傳遞時間較長。(4)當測點的溫度達到57℃左右后,在很短的時間內(nèi)石蠟的溫度便上升到接近70℃。這是因為本試驗采用的石蠟相變溫度為57℃左右,當石蠟溫度到達它的相變溫度附近時開始熔化。隨著時間增加,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:(1)加泡沫銅前后3個點的溫度變化趨勢相似,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間比加泡沫銅前提前了1.5h左右。(2)測點108處的溫度與測點114處的溫度差異不大。這是因為在石蠟中添加了泡沫銅之后,整體的相變材料的等效導熱系數(shù)比純石蠟時大大提高,熱量的傳遞方式以熱傳導為主,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始,筒體底部的石蠟最后熔化,但是對比圖5,這種趨勢變得不是很明顯。這是因為泡沫金屬的存在一定程度上阻礙了液態(tài)石蠟的自然對流和固體沉降現(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(以測點113,114,115為例),溫度隨時間的變化關系。由圖6可以看出:(1)加熱初期,熱量的傳遞以熱傳導為主,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,縱截面之間的溫差越大。這是因為隨著熔化過程的進行,越來越多的石蠟熔化為液態(tài),液態(tài)石蠟的導熱系數(shù)低于固態(tài),而在水平方向上,熱量的傳遞方式以熱傳導為主,石蠟導熱系數(shù)的降低相當于增加了導熱熱阻,熱量傳遞的慢,導致溫差增大。由圖7可見:(1)加泡沫銅前后3個點的溫度變化趨勢相似,距離換熱管壁面最近的石蠟溫度最高,最遠處石蠟溫度最低。但是加入泡沫銅后完成相變的時間比加泡沫銅前提前了1.5h左右;(2)3個點的溫度差異均勻,這是因為加入泡沫銅后,筒體內(nèi)水平方向上的熱量傳遞方式以熱傳導為主,自然對流的影響非常小,熱量傳遞相同距離所需時間幾乎相等,所以溫差比較均勻。4加入泡沫銅的情況(1)在熔化初期,導熱起主導作用,隨熔化過程進行,自然對流和重力沉降作用造成靠近換熱管上部的石蠟最先熔化,遠離換熱管底部的石蠟最后熔化;(2)蓄熱過程中,添加泡沫銅后完成相變的時間比沒有加入泡沫銅前提前了1.5h左右;(3)添加