納米顆粒協(xié)同肋片強(qiáng)化相變材料傳熱性能試驗(yàn)

摘要

以石蠟作為相變材料(phasechangematerial，PCM)，設(shè)計(jì)并搭建了一套PCM傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)，在PCM中加入了高導(dǎo)熱率納米顆粒和金屬肋片，結(jié)合溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)PCM熔化過程進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)PCM內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，研究了納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和肋片數(shù)對(duì)PCM傳熱性能的影響。結(jié)果表明：添加納米顆粒可有效提升PCM溫升速率，0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同)石墨烯/PCM溫升速率較高，與其他組分的石墨烯/PCM相比傳熱效果更好；加入肋片可加快PCM內(nèi)部溫度響應(yīng)，9肋片/PCM的整體傳熱性能優(yōu)于其他數(shù)量的肋片/PCM；納米顆粒協(xié)同肋片結(jié)構(gòu)可促進(jìn)PCM傳熱性能的提升，9肋片、0.06%石墨烯/PCM與9肋片、0.09%石墨烯/PCM啟動(dòng)時(shí)間早，溫升幅度高，傳熱性能好，為強(qiáng)化PCM傳熱性能中的較優(yōu)組合。關(guān)鍵詞

納米顆粒；肋片；相變材料；傳熱性能相變材料(phasechangematerial，PCM)作為高潛熱儲(chǔ)能介質(zhì)，可在相變過程中保持溫度近似恒定，并以潛熱的形式吸收和釋放大量熱能，基于PCM潛熱特性的相變儲(chǔ)能技術(shù)可削弱熱源的溫度波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性，故在電池?zé)峁芾?、工業(yè)余熱回收、太陽能熱利用和建筑熱調(diào)控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，PCM普遍存在導(dǎo)熱性能較低的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中其較低的熱導(dǎo)率會(huì)成為傳熱的主要障礙，進(jìn)而影響其作為熱管理系統(tǒng)的工作效率和整體性能。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在增強(qiáng)PCM的傳熱性能方面進(jìn)行了大量的工作，科研人員嘗試在PCM中加入金屬肋片以增大傳熱面積，從而提升整體傳熱性能。楊賓等通過搭建傳熱方腔試驗(yàn)臺(tái)對(duì)肋片強(qiáng)化石蠟PCM傳熱進(jìn)行了研究，記錄分析了傳熱過程中的溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中加入肋片可加快PCM內(nèi)部溫度響應(yīng)，提高PCM熔化速度。通過數(shù)值模擬對(duì)PCM中肋片的溫度分布進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果表明，存在合適的肋片尺寸，使得翅片傳熱量較大，整體傳熱性能較好。對(duì)肋片在PCM中的傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)增加肋片數(shù)量和高度可顯著提高PCM傳熱性能，但肋片厚度的影響較小。納米顆粒具有較強(qiáng)的界面效應(yīng)和大的比表面積，在提升PCM導(dǎo)熱性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，將高導(dǎo)熱納米顆粒嵌入到PCM中制備復(fù)合PCM(compositephasechangematerial，CPCM)逐漸成為研究熱點(diǎn)，對(duì)Fe3O4/石蠟PCM進(jìn)行了增強(qiáng)熱導(dǎo)率的研究，結(jié)果表明，相較于純PCM，F(xiàn)e3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，CPCM的熱導(dǎo)率分別提高了48%和60%，且潛熱提升了3.3%和8.8%。通過數(shù)值模擬對(duì)CuO/水的凝固過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，CuO納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)水凝固性能的影響大于顆粒形狀的影響，水的凝固速度隨CuO的體積分?jǐn)?shù)增大而增大。在石蠟PCM中分別添加了2%、4%和6%的多壁碳納米管，對(duì)CPCM的內(nèi)部溫度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，隨納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，PCM溫升速率提高，含6%多壁碳納米管的石蠟基CPCM的溫升效果和傳熱性能較好。然而制備了不同組分的石墨/石蠟PCM和椰殼炭/石蠟PCM，利用熱電偶和紅外攝像機(jī)對(duì)CPCM的傳熱性能進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過度增加會(huì)導(dǎo)致黏度增大，抑制自然對(duì)流，削弱傳熱效果。綜上，肋片的確可大幅提高PCM傳熱性能，但過度增加肋片數(shù)量和尺寸會(huì)影響PCM的整體布置空間；高導(dǎo)熱納米顆?？捎赑CM內(nèi)部形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，在保持系統(tǒng)輕量化的同時(shí)大幅提升PCM傳熱性能，但過量加入納米顆粒反而會(huì)導(dǎo)致CPCM穩(wěn)定性下降，減弱其傳熱性能，可見肋片數(shù)量、尺寸與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在最優(yōu)范圍使得PCM傳熱性能較佳。目前，已有部分學(xué)者對(duì)肋片協(xié)同納米顆粒強(qiáng)化PCM傳熱展開了研究，但關(guān)于此方面的研究仍然較少，尤其是肋片數(shù)量與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于強(qiáng)化PCM傳熱的影響仍有待探究。本工作在PCM容器中布置肋片并加入納米顆粒，搭建PCM傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)，深入研究不同數(shù)量肋片和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯納米顆粒對(duì)PCM相變過程及傳熱性能的綜合影響，探究肋片數(shù)量與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在強(qiáng)化PCM傳熱性能中的較優(yōu)組合。1復(fù)合相變材料及傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)1.1復(fù)合相變材料制備及肋片布置方案采用兩步法制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯納米顆粒的石蠟基CPCM，制備過程如圖1所示，具體材料參數(shù)如表1所示。首先，利用高精度分析天平稱取4份160g石蠟，將石蠟分別加入300mL燒杯中，再將其放置在集熱式磁力攪拌器的90℃恒溫水浴鍋中加熱熔化。石蠟完全熔化后，將已稱取的0.048g、0.096g、0.144g石墨烯分別加入其中，利用鋁箔紙將燒杯口密封，先通過磁力攪拌60min，再通過超聲波水浴儀震蕩處理60min，實(shí)現(xiàn)納米顆粒均勻分散，最后制成石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.03%、0.06%及0.09%的CPCM，將其依次命名為CPCM0、CPCM1、CPCM2與CPCM3。圖1

復(fù)合相變材料制備過程表1

材料參數(shù)為分析肋片數(shù)量對(duì)強(qiáng)化PCM傳熱性能的影響，搭建如圖2所示的肋片強(qiáng)化裝置，該裝置操作性強(qiáng)，易拆裝，可搭載不同數(shù)量的肋片，亦可做到完全可視化，便于PCM體積的精準(zhǔn)控制，能較大程度降低試驗(yàn)誤差。此裝置由300mL平底燒杯、57孔孔板以及直徑4mm的純銅肋片構(gòu)成，其中孔板為不銹鋼材質(zhì)，孔徑4mm，孔距7mm，厚度2mm。該裝置分為3組進(jìn)行布置，各組依次布置有1、5、9根肋片，編號(hào)為F1、F5及F9。圖2中，F(xiàn)1肋片布置在孔板中心位置；F5在第三圈位置圍繞中心再次添加4根肋片；F9在F5基礎(chǔ)上于外圈依次布置4根肋片。圖2

肋片強(qiáng)化裝置1.2傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)所用設(shè)備主要參數(shù)如下，STA499F3綜合熱分析儀(德國(guó)耐馳)，包含差示掃描量熱(differentialscanningcalorimetry，DSC)分析系統(tǒng)，DSC靈敏度1μW；YM-010S超聲波水浴儀(深圳潔盟超聲儀器有限公司)，加熱功率100W，超聲功率80W；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(上海力辰儀器科技有限公司)，最高轉(zhuǎn)速為2600r/min，最高加熱溫度為300℃；HC1004高精度電子天平(上?；ǔ彪娖饔邢薰?，其稱量精度為0.0001g；V-1515恒溫加熱平臺(tái)(東莞威鐵克自動(dòng)化科技有限公司)，工作電壓220V，功率400W，工作面積150mm×150mm；THJ多路溫度巡檢儀(余姚騰輝溫控儀表廠)，可同時(shí)采集16路溫度，誤差在±0.1℃以內(nèi)，溫度測(cè)量采用型號(hào)為SA1-TT-K-30-SEL的K型熱電偶(蘇瑪電器儀表有限公司)，其測(cè)溫范圍-200～500℃。為記錄PCM內(nèi)部溫度變化，觀察其傳熱過程，分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯和不同數(shù)量肋片對(duì)PCM傳熱性能的強(qiáng)化作用，搭建了如圖3所示的PCM傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)利用恒溫加熱臺(tái)對(duì)燒杯進(jìn)行80℃恒溫加熱，加熱時(shí)長(zhǎng)為90min，以保證PCM可完全相變。加熱后燒杯被放置在鋪有石棉材料的工作臺(tái)上進(jìn)行自然冷卻，其中燒杯底部與加熱臺(tái)工作面之間填充有4.5W/(mol·K)的GK-860-A導(dǎo)熱硅脂，外壁面裹有石棉進(jìn)行隔熱處理。燒杯內(nèi)部布置K型熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)由溫度巡檢儀輸入計(jì)算機(jī)。圖3

復(fù)合相變材料傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)系統(tǒng)

為在納米強(qiáng)化型PCM和肋片強(qiáng)化型PCM內(nèi)部獲取具有代表性的溫升情況，試驗(yàn)中采用兩種熱電偶布置方式，分別為垂直分段式與螺旋式熱電偶布置，如圖4所示。垂直分段式熱電偶用于測(cè)量CPCM內(nèi)部溫度特征；螺旋式熱電偶用于測(cè)量肋片強(qiáng)化裝置中PCM內(nèi)部溫度特征。圖4(a)中，石英柱經(jīng)由不銹鋼孔板垂直固定在燒杯中心處，4組測(cè)溫深度不同的熱電偶固定于石英棒上，呈垂直等距排布，距燒杯底面依次為0mm、15mm、30mm、45mm，測(cè)點(diǎn)分別命名為底面、底部、中部、上部。圖4(b)中，利用4根石英柱將熱電偶布置在不銹鋼孔板的第四圈孔洞上，控制其測(cè)溫探頭螺旋式上升，上升高度依舊為0mm、15mm、30mm、45mm。圖4

熱電偶布置方式2強(qiáng)化相變材料傳熱試驗(yàn)分析2.1材料表征分析采用掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope，SEM)和透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope，TEM)對(duì)石墨烯樣品進(jìn)行微觀形貌測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)中的石墨烯SEM圖像可見，此納米顆粒呈褶皺狀的多片層結(jié)構(gòu)，層數(shù)為6～10層，排布緊密，說明石墨烯正反兩面均可與其他分子相接觸，從而大幅降低接觸熱阻。結(jié)合圖5(b)中的石墨烯TEM圖像可知，多層石墨烯蜷曲較少，且石墨烯高導(dǎo)熱方向?yàn)槠瑢友由旆较颍薀崃吭黾訋淼姆肿诱饎?dòng)動(dòng)能可通過石墨烯進(jìn)行快速有序傳播，從而提升納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率。圖5

石墨烯微觀形貌特征

采用綜合熱分析儀在氮?dú)鈿夥罩幸?0℃/min的升溫速率對(duì)CPCM進(jìn)行差示掃描量熱分析，得到相變特性曲線如圖6所示。由圖6可見，四種CPCM均在52～53℃處出現(xiàn)吸熱峰，發(fā)生相變，說明石墨烯含量對(duì)PCM相變溫度的影響較小。通過對(duì)吸熱峰面積進(jìn)行數(shù)值積分，經(jīng)計(jì)算分析可知，CPCM0熔化潛熱為177.4J/g，相比于CPCM0，CPCM1熔化潛熱增加5.8%，CPCM2和CPCM3熔化潛熱分別增加16.3%和21.2%，由此可知，石蠟PCM相變潛熱隨石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。圖6

復(fù)合相變材料DSC曲線2.2納米強(qiáng)化型相變材料傳熱性能試驗(yàn)將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯的CPCM加入燒杯中依次進(jìn)行熔化試驗(yàn)，其內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)如圖7所示。由圖7可見，CPCM在傳熱過程的整體溫升趨勢(shì)類似，在熔化初期(階段Ⅰ)，由于底面靠近熱源，且固相PCM熱導(dǎo)率較低，熱量在短時(shí)間內(nèi)無法散出，故底面溫度迅速上升，底面附近CPCM逐漸熔化；熔化中期(階段Ⅱ)，更多PCM發(fā)生相變，流體中密度差導(dǎo)致的自然對(duì)流逐漸成為主導(dǎo)，與熱傳導(dǎo)共同影響PCM傳熱過程，PCM中、上部溫度上升速率顯著增大，溫升劇烈；熔化后期(階段Ⅲ)，上層PCM完全熔化，液相環(huán)境下的整體溫度逐漸趨于一致，共同上升，且部分熱量會(huì)通過PCM液面熱輻射散入空氣中，溫升速率減緩。其中CPCM3因溫升緩慢，較晚進(jìn)入階段Ⅲ，其整體溫度于90min處趨于一致。由圖7可見，CPCM2熔化時(shí)間短，溫升快，于68min完成階段Ⅱ，最早進(jìn)入階段Ⅲ。此外，CPCM中所測(cè)得的底面溫度在熔化后期持續(xù)升高，遠(yuǎn)高于另三組測(cè)點(diǎn)溫度，這是因?yàn)樵囼?yàn)后期石墨烯在液相PCM中會(huì)產(chǎn)生少量的聚沉現(xiàn)象，導(dǎo)致底面測(cè)溫處熱阻減小，溫度顯著升高。圖7

復(fù)合相變材料沿垂直方向溫升曲線由于在該試驗(yàn)中PCM內(nèi)部傳熱向上，熱電偶所測(cè)得的上部溫度可用以衡量不同CPCM的傳熱性能，故對(duì)各CPCM上部溫度特征進(jìn)行比較。由圖8可見，CPCM在熔化初期溫升速率無明顯差別，整體上升趨勢(shì)類似。隨后在熔化中、后期，其傳熱速率都有顯著提高，溫升劇烈，其中CPCM2溫度啟動(dòng)時(shí)間最短，升溫速率最快，于69min時(shí)達(dá)到最大值3.86，其溫升速率相對(duì)于CPCM0增加61.25%，同時(shí)CPCM1和CPCM3依次開始劇烈升溫，啟動(dòng)時(shí)間晚于CPCM0，但升溫速率較CPCM0增加30.42%和11.25%?？梢奀PCM的溫升速率均高于PCM，說明該質(zhì)量分?jǐn)?shù)量級(jí)下的石墨烯可通過無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微對(duì)流提高熱量傳遞速率，以提升PCM整體傳熱性能。然而，過低和過高的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)均會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間的滯后，故在溫升速率和啟動(dòng)時(shí)間的綜合影響下CPCM2的溫升幅度更大，傳熱效果更好。這是因?yàn)槭┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大雖在一定范圍內(nèi)可使得PCM傳熱性能增強(qiáng)，但當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，懸浮在PCM中的納米團(tuán)聚體會(huì)因范德華力和布朗力不足以對(duì)抗重力作用而發(fā)生較為嚴(yán)重的沉降，CPCM的傳熱性能也會(huì)隨之下降。圖8

復(fù)合相變材料上部溫度特征2.3肋片強(qiáng)化型相變材料傳熱性能測(cè)試該試驗(yàn)采用肋片強(qiáng)化裝置進(jìn)行肋片數(shù)量對(duì)強(qiáng)化PCM傳熱影響的研究，圖9為肋片強(qiáng)化裝置中PCM內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度上升過程。由圖9可見，F(xiàn)-CPCM與CPCM0在三個(gè)階段的整體溫升規(guī)律類似，但在內(nèi)部布置肋片后，PCM底部溫升速率顯著增加，且隨著肋片數(shù)量的增加，PCM進(jìn)入階段Ⅱ的時(shí)間逐漸縮短至40min、31min及30min。這是因?yàn)闊撞块_始升溫后肋片會(huì)進(jìn)行強(qiáng)化傳熱，但石蠟熱導(dǎo)率較低，遠(yuǎn)低于銅質(zhì)肋片，故PCM中、上部區(qū)域短時(shí)間內(nèi)無法啟動(dòng)，導(dǎo)致局部過熱，造成底部溫度過高，且隨肋片數(shù)量的增加，PCM啟動(dòng)時(shí)間得以縮短。此外，由于F-CPCM內(nèi)部有肋片作為導(dǎo)熱“橋梁”，在固液共存階段時(shí)，其內(nèi)部傳熱方式與CPCM0相比，除PCM中自然對(duì)流與熱傳導(dǎo)外還存在肋片的縱向?qū)?，該縱向?qū)崮Ｊ皆诶咂瑪?shù)量足夠時(shí)起主導(dǎo)作用，可較大幅度提高溫升，縮短整體熔化時(shí)間。圖9

肋片強(qiáng)化型相變材料沿垂直方向溫升曲線

如圖10所示，F(xiàn)1-CPCM0溫升速率較CPCM0高30.42%，但啟動(dòng)時(shí)間過于落后，故上部溫度在60～90min時(shí)間段內(nèi)明顯低于CPCM0，主因在于肋片數(shù)較少時(shí)可增加的換熱面積有限，且肋片固定在PCM中心位置，單根肋片的高導(dǎo)熱作用會(huì)使PCM的已熔化區(qū)域頂部呈現(xiàn)圓錐形態(tài)，而熱電偶在孔板第四圈采用螺旋式布置，會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫點(diǎn)距離肋片位置較遠(yuǎn)，熱電偶測(cè)得溫度較低。由此說明，肋片數(shù)量不足時(shí)，徑向溫度響應(yīng)不均衡，熱量擴(kuò)散程度不高，難以提升整體傳熱性能。此外，F(xiàn)5-CPCM0和F9-CPCM0上部溫升幅度均大于CPCM0，其中F9-CPCM0的傳熱強(qiáng)化效果較為明顯，升溫速率較CPCM0增加50%，溫升幅度較高，可見，當(dāng)肋片數(shù)量為9時(shí)，高導(dǎo)熱的肋片結(jié)構(gòu)可增加徑向溫度響應(yīng)，提升整體傳熱性能。圖10

肋片強(qiáng)化型相變材料上部溫度特征2.4納米協(xié)同肋片強(qiáng)化相變材料傳熱性能分析由圖7～圖10可知，在納米材料強(qiáng)化PCM傳熱試驗(yàn)中，CPCM2溫升速率較高，傳熱效果較好；在肋片強(qiáng)化PCM傳熱試驗(yàn)中，加入肋片可提高PCM內(nèi)部溫度響應(yīng)，F(xiàn)9-CPCM0的整體傳熱性能優(yōu)于其他數(shù)量的F-CPCM0。為探究強(qiáng)化PCM傳熱性能的較優(yōu)組合模式，對(duì)比分析石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)不同肋片數(shù)量和肋片數(shù)量為9時(shí)不同石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的強(qiáng)化傳熱特性，PCM上部溫度特征如圖11所示。由圖11可見，F(xiàn)9-CPCM2與F9-CPCM3上部溫度曲線明顯高于其他組合，66min后F9-CPCM3迅速升溫，啟動(dòng)速率相比于F9-CPCM2提高32.16%，造成TF9-CPCM2<TF9-CPCM3。由此可見，CPCM2協(xié)同F(xiàn)9依舊可表現(xiàn)出優(yōu)良的傳熱性能，但在熔化后期F9-CPCM3的溫升速率顯著提升，整體溫度會(huì)略高于F9-CPCM2。且結(jié)合圖7(d)可知，布置F9后，CPCM3的上部溫度整體溫升情況得到改善，說明充足數(shù)量的肋片結(jié)構(gòu)對(duì)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米顆粒的團(tuán)聚沉降現(xiàn)象具有抑制作用，可使納米顆粒充分發(fā)揮其強(qiáng)化性能。圖11

納米協(xié)同肋片復(fù)合強(qiáng)化模式下相變材料上部溫度特征

將強(qiáng)化效果明顯的強(qiáng)化模式進(jìn)行綜合比較，不同強(qiáng)化模式下PCM上部溫度特征如圖12所示。由圖12可見，由于肋片結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱骨架作用，F(xiàn)-CPCM0的前期溫度普遍高于CPCM，其中因肋片頂部延伸至空氣中，在熔化后期會(huì)加速熱量流失，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間延緩，溫升速率減小，65min后TF9-CPCM0<TC