田偉, 梁曉光, 黨碩, 劉罡, 楊肖虎

(1.中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司, 710061, 西安; 2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 710049, 西安)

高水平的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與高能源投入是相伴而來(lái)的,隨著發(fā)展速度的增加對(duì)能源的需求也在日益增長(zhǎng)。為了填補(bǔ)能源缺口,同時(shí)達(dá)成環(huán)保的戰(zhàn)略目標(biāo),改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)可再生能源、提高能源利用率的“開(kāi)源節(jié)流”戰(zhàn)略刻不容緩。太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源,在1998至2018年內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電量增長(zhǎng)顯著,在當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。然而,太陽(yáng)能也存在著能量密度較低、具有時(shí)間上的間歇性和地域上的不均勻性,因此需要結(jié)合蓄能方式進(jìn)行利用。目前,主要的熱蓄能方式分為顯熱蓄能、潛熱蓄能和化學(xué)反應(yīng)蓄能3種[2-4],其中相變潛熱蓄能的綜合性能較為優(yōu)秀。然而,工程所用相變材料(PCM)的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低,儲(chǔ)能密度不高。因此,如何增強(qiáng)蓄熱能力,減少蓄熱所需時(shí)間是潛熱蓄熱領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前,常采用的方法有變換蓄熱結(jié)構(gòu)[5-10]、添加肋片[11-16]、采用相變膠囊材料[17-20]、充注多熔點(diǎn)相變材料[21]、添加納米材料[22-25]、添加多孔介質(zhì)[26-29]等。

韋攀等設(shè)計(jì)了一種環(huán)形管殼式相變儲(chǔ)熱器,在0.15 m/s的流速、70 ℃的加熱條件下研究了添加銅泡沫對(duì)石蠟蓄熱特性的影響,發(fā)現(xiàn)要取得一致的蓄熱結(jié)果,純石蠟需要的時(shí)間是添加銅泡沫的2.9倍左右[10]。杜甜甜等在石蠟蓄熱熱風(fēng)管中對(duì)比了正排排布、叉排排布和管外加入直肋3種工況,實(shí)驗(yàn)表明在相同時(shí)間下,管外加入直肋的蓄熱器內(nèi)石蠟熔化速率最快,證明了肋片的加入使得傳熱速率有著明顯的改善[16]。Al-Abidi等在三重管式熱交換器內(nèi)通過(guò)加裝內(nèi)肋和外肋的方式研究傳熱強(qiáng)化技術(shù),通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),肋片個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度、厚度、Ste數(shù)、換熱器幾何形狀都會(huì)影響PCM完全熔化時(shí)間[14]。陳華等在純石蠟中加入銅泡沫,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究復(fù)合相變材料在相變蓄熱系統(tǒng)中的放熱特性優(yōu)劣,結(jié)果證明銅泡沫的加入使得PCM換熱量增加了16.9%,同時(shí)傳熱溫差減小,也提高了當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)[17]。張嘉杰等從不同加熱位置的角度對(duì)金屬泡沫強(qiáng)化石蠟熔化過(guò)程的影響方面,發(fā)現(xiàn)水平放置實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)頂部加熱條件下內(nèi)部主要為純導(dǎo)熱,而底部加熱時(shí)自然對(duì)流會(huì)使得相界面移動(dòng)速度更快,金屬泡沫會(huì)抑制自然對(duì)流作用[26]。Xu等則借助數(shù)值模擬的手段對(duì)不同幾何形狀和孔隙率的銅泡沫在熔化過(guò)程的速度和溫度分布進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)在水平管殼式換熱器中,最佳的強(qiáng)化方式是在底部插入無(wú)縫排布的多孔介質(zhì)塊,且在控制質(zhì)量的前提下,較高的孔隙率可以更好地強(qiáng)化熱傳導(dǎo)區(qū)域,比無(wú)強(qiáng)化的條件提高5.1倍的熔化速度[27]。在金屬泡沫強(qiáng)化蓄冷方向上,白青松等設(shè)計(jì)了可視化實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種通孔銅泡沫的參數(shù)對(duì)相變材料蓄冰過(guò)程的影響,結(jié)果證明孔密度對(duì)蓄冰過(guò)程幾乎無(wú)影響,而孔隙率的降低會(huì)使得凝固時(shí)間減少,同時(shí)自然對(duì)流是導(dǎo)致相界面傾斜的主要原因[28]。Yu等通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)帶有翅片的管殼蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)金屬泡沫會(huì)增強(qiáng)徑向和周向的擴(kuò)散速率,使得溫度分布更加均勻,而自然對(duì)流和金屬泡沫都可以起到加快相變材料凍結(jié)速度的作用[29]。

通過(guò)以上研究可知,對(duì)于相變蓄熱過(guò)程中的溫度變化一般只采用單方面的強(qiáng)化措施,缺乏對(duì)采用多種強(qiáng)化換熱措施的相變蓄熱過(guò)程的溫度變化細(xì)致測(cè)定和固液相界面變化的分析。因此,本文對(duì)豎直方腔型相變蓄熱裝置在70 ℃加熱壁溫下的蓄熱特性進(jìn)行了可視化研究,采用固定高清相機(jī)拍攝相界面在熔化全過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置變化,并在蓄熱裝置內(nèi)布置熱電偶測(cè)點(diǎn)來(lái)記錄熔化過(guò)程中相變材料內(nèi)的溫度變化。研究結(jié)果有望對(duì)翅片、金屬泡沫類強(qiáng)化相變蓄熱器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了探究添加金屬泡沫與翅片對(duì)石蠟熔化過(guò)程的影響,共設(shè)計(jì)了3組實(shí)驗(yàn),分別是純石蠟組、添加銅泡沫組、添加翅片-銅泡沫組。

使用的銅泡沫具有94%孔隙率和10PPI孔密度,尺寸為68 mm×34 mm×30 mm的長(zhǎng)方體。采用導(dǎo)熱銀膠粘于金屬底板上,并在底板上對(duì)稱布置有6根翅片,其作用為局部強(qiáng)化導(dǎo)熱,并與無(wú)翅片區(qū)域形成對(duì)比。翅片尺寸分別為內(nèi)部6 mm×6 mm×30 mm,外部6 mm×3 mm×30 mm,翅片-銅泡沫試件如圖1所示。

(a)俯視圖

(b)主視圖圖1 翅片-銅泡沫試件照片F(xiàn)ig.1 Image of the fin-copper foam sample

銅泡沫試件上布置有6根T型熱電偶,位置如圖2所示。其中,在底部銅基板開(kāi)設(shè)3條寬為2 mm、深為1 mm的金屬槽,內(nèi)涂導(dǎo)熱銀膠并各埋入1根熱電偶,以增強(qiáng)銅泡沫與微通道換熱器之間的換熱并測(cè)定底板溫度。在金屬泡沫試件內(nèi)部的中軸線方向布置3根等間隔的熱電偶。以上測(cè)點(diǎn)位置,以圖1中的點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn),xyz方向?yàn)樽鴺?biāo)方向。

在實(shí)驗(yàn)中采用真空法灌注石蠟,使用保護(hù)膜封裝熱電偶防止石蠟粘連,將固體石蠟熔化后在真空環(huán)境下填充進(jìn)金屬泡沫試件,待銅泡沫內(nèi)部空隙填滿之后,完全冷卻并切除多余部分,清除保護(hù)膜后拿出。

為了獲得相變蓄熱器加熱面的精確溫度,在針翅-銅泡沫試件銅基板與平板換熱器之間布置3個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn),如圖2a所示,P1、P2、P3三者左右間隔為8.5 mm。另外,在固液相變動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程中,在針翅-銅泡沫試件中部(34 mm處)翅片表面和相變材料內(nèi)布置3個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn),以記錄不同位置的溫度響應(yīng)。

表1 熱電偶測(cè)點(diǎn)位置

(a)銅基板測(cè)點(diǎn)位置

(b)試件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位置圖2 翅片-銅泡沫試件熱電偶測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Measuring points for the fin-copper foam sample

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為研究不同加熱溫度對(duì)石蠟熔化過(guò)程的影響規(guī)律,本文設(shè)計(jì)搭建了可視化相變換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),共有流體循環(huán)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集3部分,如圖3所示。

(1)流體循環(huán)部分由恒溫水浴箱、塑料軟管、球閥組成。恒溫水浴箱采用去離子水作為加熱介質(zhì),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供70 ℃的熱源溫度進(jìn)行恒溫加熱。

(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試部分由方形相變蓄熱裝置、微通道換熱器組成。方形相變蓄熱裝置包括3組灌裝好石蠟的實(shí)驗(yàn)組和有機(jī)玻璃殼。有機(jī)玻璃殼上部留有5 mm的膨脹空間。在試件和微通道換熱器之間涂上導(dǎo)熱硅脂,再使用熱熔膠將有機(jī)玻璃殼粘接在微通道換熱器上,以固定試件。金屬試件上布置的6根熱電偶用于采集溫度。

(3)數(shù)據(jù)采集部分由數(shù)據(jù)采集儀、高清相機(jī)、計(jì)算機(jī)、熱電偶等構(gòu)成。熱電偶一端連接方形相變蓄熱裝置,另一端連接數(shù)據(jù)采集儀,采集儀將收集到的信號(hào)傳給電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄處理,同時(shí)在有機(jī)玻璃殼一側(cè)使用固定高清相機(jī)拍照,記錄熔化過(guò)程中相界面變化。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要盡可能地保持溫度恒定,同時(shí)減少熱量損失。因此,采用以下措施:對(duì)管道、閥門(mén)、有機(jī)玻璃殼外側(cè)均覆蓋保溫棉(熱導(dǎo)率k=0.02 W·m-1·K-1);在有機(jī)玻璃殼開(kāi)口側(cè)加蓋同厚度的有機(jī)玻璃;在試件底部涂抹導(dǎo)熱硅脂(k=25 W·m-1·K-1),以降低傳熱熱阻;將微通道換熱器放入厚度為60 mm的聚氨酯泡沫內(nèi)(k=0.02 W·m-1·K-1),以降低熱損失。

圖3 相變換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system of phase change heat transfer

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在保持室溫為25 ℃的條件下,先關(guān)閉閥門(mén)2、3,打開(kāi)閥門(mén)1使恒溫水浴箱處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài),補(bǔ)充去離子水至工作水位,再啟動(dòng)恒溫水浴箱,設(shè)定溫度為70 ℃。循環(huán)過(guò)程中,加熱達(dá)到設(shè)定溫度后,啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī),采集熱電偶傳輸?shù)臏囟刃盘?hào),采集間隔為10 s,確認(rèn)采集過(guò)程正常進(jìn)行且初始熱電偶溫度與環(huán)境溫度相近。在確認(rèn)無(wú)誤且恒溫水浴箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),先打開(kāi)閥門(mén)2、3,再關(guān)閉閥門(mén)1開(kāi)啟外循環(huán)狀態(tài),此時(shí)去離子水通過(guò)微通道換熱器對(duì)試件進(jìn)行恒壁溫加熱,同時(shí)打開(kāi)保溫棉,啟動(dòng)照相機(jī)開(kāi)始連續(xù)拍攝照片,時(shí)間間隔為5 min,直至石蠟完全熔化。改變閥門(mén)使熱流體循環(huán)為內(nèi)循環(huán)狀態(tài),完成測(cè)試并記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后,停止水浴箱加熱,打開(kāi)保溫棉和有機(jī)玻璃蓋自然冷卻至方形相變蓄熱裝置中石蠟完全凝固。更換試件,重復(fù)上述步驟。

1.4 實(shí)驗(yàn)不確定度分析

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相界面變化與完全熔化時(shí)間

在70 ℃的熱源溫度下分別對(duì)3組試件進(jìn)行熔化實(shí)驗(yàn),并通過(guò)相機(jī)拍攝不同加熱溫度下相界面的變化過(guò)程,選取4個(gè)時(shí)刻下的相界面進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4所示。

圖4 方形相變蓄熱裝置相界面變化Fig.4 Phase interface change in a square phase change heat storage unit

從各組圖像中可以觀察到:在初始階段并未出現(xiàn)明顯的熔化相界面,僅在靠近壁面處有很薄的一層熔化區(qū)域;在加熱一段時(shí)間之后,純石蠟和銅泡沫組在900 s出現(xiàn)較為明顯的熔化區(qū)域,均是從靠近壁面?zhèn)认乳_(kāi)始熔化,同時(shí)發(fā)現(xiàn)在純石蠟和銅泡沫組中,由于上部存在自然對(duì)流的作用,靠近上側(cè)的石蠟熔化速率較快,出現(xiàn)相界面呈現(xiàn)圖中所示的上部較快,下部較慢的趨勢(shì)。由于銅泡沫強(qiáng)化換熱而純石蠟組主要依靠自然對(duì)流的作用,銅泡沫組的相界面傾斜程度要低于純石蠟組;添加銅泡沫會(huì)使得導(dǎo)熱的作用強(qiáng)化,因此銅泡沫組的相界面曲率更小,相對(duì)平緩,熔化相界面較為平齊規(guī)整。翅片-銅泡沫組整體開(kāi)始出現(xiàn)明顯固液相界面的時(shí)間晚于其他兩組,這主要是由于翅片高導(dǎo)熱性將熱量更多的輸運(yùn)到復(fù)合相變材料內(nèi)部以提高整體溫度,故而出現(xiàn)固液相界面的時(shí)機(jī)推后。隨著時(shí)間推移,當(dāng)明顯出現(xiàn)固液相界面(例如1 800 s)時(shí),靠近翅片的石蠟區(qū)域熔化要顯著快于遠(yuǎn)離翅片的石蠟區(qū)域,這說(shuō)明翅片的導(dǎo)熱作用對(duì)石蠟的熔化有著較為重要的影響;同時(shí),由于翅片和銅泡沫的復(fù)合強(qiáng)化導(dǎo)熱作用,相對(duì)削弱了液態(tài)石蠟的自然對(duì)流作用,因此相界面呈現(xiàn)以翅片為中心的分布。隨著熔化的進(jìn)行,遠(yuǎn)離加熱壁面的溫度較低、密度較大的石蠟沿著豎直方向堆積,這與另外兩組的傾斜相界面明顯不同。

圖5給出了3組試件完全熔化時(shí)間對(duì)比。從圖5的數(shù)值上看,純石蠟(PCM)、銅泡沫(MF)和翅片-銅泡沫(FMF)組的完全熔化時(shí)間分別為6 900、3 900、3 600 s,相較于純石蠟組,銅泡沫和翅片-銅泡沫可分別減少完全熔化時(shí)間的43.47%和47.82%?？梢?jiàn),添加銅泡沫即可大幅減少石蠟的完全熔化時(shí)間,而翅片的添加對(duì)完全熔化時(shí)間的貢獻(xiàn)較小,主要體現(xiàn)在對(duì)相界面的影響上,添加翅片可改變相界面的曲率,使得相界面移動(dòng)更加平齊,熔化過(guò)程更加均勻。

圖5 3組試件完全熔化時(shí)間對(duì)比Fig.5 Comparison of complete melting time

2.2 測(cè)點(diǎn)溫度變化

為了更進(jìn)一步地研究方形相變蓄熱裝置中的溫度變化情況,同時(shí)也可以與相界面的變化進(jìn)行對(duì)照,對(duì)純石蠟、銅泡沫和翅片-銅泡沫組中的溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2.2.1 加熱壁面溫度對(duì)比 方形相變蓄熱裝置底部加熱面上3個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)的壁面溫度Tw曲線如圖6所示。在初始階段,3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度在短時(shí)間內(nèi)先迅速升高,至100 s后開(kāi)始存在溫度偏差,其中P2和P3測(cè)點(diǎn)溫度接近,幾乎相同(小于0.1 ℃),而P1點(diǎn)溫度略低于其余兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),且在熔化過(guò)程中溫差逐漸減小。P1點(diǎn)與其余兩點(diǎn)的溫差最大為初始100 s時(shí)的2.85 ℃,逐漸減小至小于0.02 ℃。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度均低于熱源溫度,最后穩(wěn)定在69.84 ℃左右。其中,P1測(cè)點(diǎn)溫度低于其余兩個(gè)測(cè)點(diǎn),原因在于P1測(cè)點(diǎn)更靠近換熱流體出口側(cè),換熱流體溫度相對(duì)較低,而初始階段三者溫差的原因在于金屬槽內(nèi)涂抹的導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱銀膠不均勻,導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)存在溫差,但隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行,溫差逐漸減小,使得溫度趨向均勻分布。對(duì)于900和1 800 s時(shí),P1測(cè)點(diǎn)與其余兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫差分別在1.2和0.9 ℃左右,由于P1靠近流體出口側(cè),在熔化過(guò)程中對(duì)相界面的上下部分布不均勻也產(chǎn)生了一定的影響,與上部石蠟的自然對(duì)流共同導(dǎo)致了相界面分布不均勻。

圖6 70 ℃熱源加熱條件下壁面溫度對(duì)比Fig.6 Wall temperature comparison among different points under the heating source of 70 ℃

2.2.2 近壁面翅片表面溫度對(duì)比P4測(cè)點(diǎn)位于方形相變蓄熱裝置左側(cè)翅片中間位置,距加熱壁面15 mm,其溫度T4曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn),純石蠟組P4點(diǎn)的溫升顯著慢于其余兩組,而銅泡沫組與翅片-銅泡沫組P4點(diǎn)的溫度曲線變化趨勢(shì)基本相近。對(duì)于純石蠟組而言,由于前期升溫較慢,固相升溫和相變過(guò)程在溫度上沒(méi)有明顯差異,在5 500 s左右開(kāi)始出現(xiàn)較快的升溫趨勢(shì)后,溫度逐漸趨向穩(wěn)定。銅泡沫與翅片-銅泡沫兩組中,盡管初始溫度銅泡沫高于翅片-銅泡沫組1.0 ℃,然而在熔化過(guò)程中,翅片-銅泡沫組率先在900 s升溫到相變階段,同時(shí)溫度達(dá)到50 ℃。銅泡沫組的測(cè)點(diǎn)溫度與翅片-銅泡沫組溫差先逐漸增大,并在630 s時(shí)達(dá)到最大值7.33 ℃,直到進(jìn)入相變階段時(shí)溫差逐漸減小,在2.80～4.90 ℃附近波動(dòng),相變結(jié)束后,受到翅片的作用,翅片-銅泡沫組升溫較快,在2 640 s達(dá)到最值5.02 ℃。

圖7 蓄熱裝置左側(cè)翅片中間位置溫度對(duì)比Fig.7 Temperature comparison among three cases on the fin surface on the left side of the energy storage unit

到熔化結(jié)束時(shí),純石蠟組P4測(cè)點(diǎn)溫度最高,為65.03 ℃;翅片-銅泡沫組P4測(cè)點(diǎn)的溫度次之,為64.96 ℃;銅泡沫組最低,為62.74 ℃。這個(gè)現(xiàn)象的主要原因在于純石蠟組熔化時(shí)間最長(zhǎng),大部分區(qū)域熔化完成后熔化區(qū)域溫度繼續(xù)升高,而翅片-銅泡沫由于翅片存在升溫較快,在幾乎相同的時(shí)間內(nèi)率先完成相變,石蠟液相升溫時(shí)間段長(zhǎng),且升溫速率也較快,因此溫度高于銅泡沫組。

2.2.3 右側(cè)翅片溫度對(duì)比 位于方形相變蓄熱裝置內(nèi)部右側(cè)的翅片可反映內(nèi)部溫度變化和傳熱過(guò)程,P5測(cè)點(diǎn)位于距觀察窗壁面20 mm、距底板15 mm的翅片表面,其溫度T5曲線如圖8所示。對(duì)于其余兩組沒(méi)有翅片的蓄熱結(jié)構(gòu)而言,熱電偶布置固定在相同位置。

圖8 蓄熱裝置右側(cè)翅片中間位置溫度對(duì)比Fig.8 Temperature comparison among three cases on the fin surface on the right side of the energy storage unit

3組實(shí)驗(yàn)對(duì)象在P5測(cè)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律與測(cè)點(diǎn)P4處相近,其中純石蠟組基本沒(méi)有變化,熔化結(jié)束時(shí)P5測(cè)點(diǎn)溫度為65.30 ℃,與P4點(diǎn)溫度僅相差0.27 ℃。翅片-銅泡沫組與銅泡沫組顯示出了類似的變化規(guī)律,呈現(xiàn)出溫差先增大,至690 s時(shí)達(dá)到最大值7.94 ℃,而后溫差在3.10～6.20 ℃內(nèi)波動(dòng)的變化規(guī)律。在初始的固相升溫階段,翅片-銅泡沫組由于翅片的存在升溫快于銅泡沫組,溫差逐漸增大;在進(jìn)入相變階段時(shí),石蠟相變吸收大量熱量使得升溫速率減緩,兩者溫差減小。在相變完成后,繼續(xù)升溫,此時(shí)由于翅片的作用翅片-銅泡沫組升溫速率呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律,在2 730 s時(shí)達(dá)到最值6.19 ℃,后受到加熱溫度的限制而減慢。在熔化結(jié)束時(shí),翅片-銅泡沫與銅泡沫組P5測(cè)點(diǎn)溫度分別為64.80和62.46 ℃,與P4點(diǎn)相比差別不大。

2.2.4 側(cè)壁溫度對(duì)比P6測(cè)點(diǎn)位于觀察窗壁面的對(duì)側(cè)面,距底板為15 mm,其溫度T6曲線如圖9所示。由圖可知,純石蠟組P6測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)與P4、P5兩點(diǎn)相同,均在5 500 s左右開(kāi)始出現(xiàn)升溫加快的趨勢(shì),在熔化結(jié)束時(shí)的溫度為65.24 ℃,3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫差不超過(guò)0.3 ℃,可見(jiàn)對(duì)于純石蠟的熔化來(lái)說(shuō),在距離底板同樣的位置,垂直于重力方向的溫度是處處均勻的,幾乎不受其與壁面距離的影響。對(duì)于翅片-銅泡沫和銅泡沫組來(lái)說(shuō),溫差也保持著先增大后減小的趨勢(shì)。在570 s時(shí)溫差達(dá)到最大值,為8.15 ℃,之后進(jìn)入相變階段溫差逐漸減小,直到相變結(jié)束時(shí),P6點(diǎn)受到翅片影響升溫速率加快,但增幅較小,在2 580 s時(shí)達(dá)到最值5.19 ℃,此后兩組溫度逐漸趨向相同,溫差在2.30～5.20 ℃間波動(dòng)?？梢?jiàn),雖然P6測(cè)點(diǎn)與翅片存在一定間隔17 mm,但仍然會(huì)受到翅片強(qiáng)化導(dǎo)熱作用的影響,從而使得在初始固相升溫和相變結(jié)束后升溫速率快于僅使用銅泡沫的情況。

圖9 側(cè)壁面溫度對(duì)比Fig.9 Temperature comparison among three cases on the side surface of the energy storage unit

3 結(jié) 論

本文對(duì)純石蠟、銅泡沫與石蠟復(fù)合材料、嵌有翅片的銅泡沫和石蠟的復(fù)合相變材料在70 ℃加熱壁溫下的熔化過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,記錄了3組石蠟熔化的相界面變化和各測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度響應(yīng),討論了純石蠟、銅泡沫與翅片-銅泡沫組在實(shí)驗(yàn)中不同測(cè)點(diǎn)(加熱壁面測(cè)點(diǎn)、近壁面翅片測(cè)點(diǎn)、遠(yuǎn)壁面翅片測(cè)點(diǎn))的溫度變化規(guī)律及對(duì)石蠟熔化的影響,根據(jù)結(jié)果分析得出以下結(jié)論。

(1)金屬泡沫的加入對(duì)固液相變傳熱起主導(dǎo)作用。以純石蠟組完全熔化時(shí)間為基準(zhǔn),銅泡沫的加入可以減少43.47%的完全熔化時(shí)間,而翅片的額外加入對(duì)完全熔化時(shí)間產(chǎn)生的影響較小,翅片-銅泡沫組可以減少47.82%的完全熔化時(shí)間。

(2)翅片的存在可以使得內(nèi)部溫度升高更快,這種影響存在于整個(gè)方形相變蓄熱裝置內(nèi)部。翅片-銅泡沫組的相界面是以翅片為中心移動(dòng),而其余兩組呈現(xiàn)傾斜界面,上部受自然對(duì)流影響熔化較快。

(3)翅片與金屬泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)化固液相變傳熱優(yōu)勢(shì)明顯:一方面可以加快蓄熱速率,節(jié)省時(shí)間;另一方面可以提升熔化過(guò)程蓄熱器內(nèi)部的溫度均勻性。這對(duì)于蓄熱器高效蓄熱、長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了設(shè)計(jì)參考和工程指導(dǎo)。