泡沫金属内嵌石蜡水平蓄器内凝固放热实验.docxVIP

摘要蓄能技术，尤其是蓄热技术，与太阳能光热利用系统集成耦合，可有力解决太阳能间隙性问题，提高太阳能热利用品质和利用效率，为光热利用系统提供稳定的能流输出。为解决工程常见的相变材料热导率低、蓄/放热系统效率不高的关键问题，选取石蜡为蓄热介质，设计了一种水平管内填充泡沫金属的蓄热单元，探究相同蓄热工况(70.0℃蓄热)、不同放热流体温度(10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃)下泡沫金属内嵌石蜡的凝固相变行为。通过高清相机拍摄得到凝固相界面的实时位置，通过热电偶测量获得凝固过程中内部温度响应规律。实验结果表明，冷流体温度越低，凝固速率越快；相比较30.0℃的放热工况，冷流体为10.0℃时石蜡完全凝固时间缩短了52.0%。同一径向距离测点的竖直高度越高，温降越快，其温度响应率也越大；但轴向位置对凝固测点温度变化影响差异不大。以1b测点的温度响应值为基准进行比较，10.0℃、15.0℃、20.0℃、25.0℃、30.0℃冷却工况下1a点温度响应率分别提高了7.2%、8.8%、10.3%、10.8%、11.7%。本研究有助于推广泡沫金属相变蓄热器的工程应用，为泡沫金属内嵌固液相变材料的结构设计与运行参数选取提供指导和帮助。

关键词相变放热；水平管壳式换热器；泡沫金属；换热流体温度；相界面

太阳能具有清洁、零排放、无污染、储量大的特点，是众多可再生能源中极具潜力的能源形式。通过太阳能低温光热利用可满足生活热水、建筑供暖等重要需求，是实现建筑低碳运行的有力措施。然而，太阳能存在时空分布不均、昼夜/季节波动大等问题，严重限制了太阳能低温光热利用效率与供能品质。蓄能技术，尤其是蓄热技术，与太阳能光热利用系统集成耦合，可有力解决上述问题，提高太阳能热利用品质和利用效率，为光热利用系统提供稳定的能流输出。

相较于其他两种蓄热技术(即显热蓄热与热化学蓄热)，固液相变蓄热技术具有蓄热密度大、易维护、蓄/放热过程温度恒定等优势，尤其是放热过程温度恒定的特点与建筑供暖运行特点高度契合，在太阳能低温光热利用中具有得天独厚的优势。然而，工程常见固液相变材料热导率较低，显著限制了蓄/放热效率。为此，开发新型高导热复合相变材料与强化换热措施是固液相变蓄/放热系统研究的热点。

提高固液相变效率的关键在于提高相变材料的热导率、增大换热流体与相变材料之间的换热面积、提升换热流体与相变材料之间的换热系数。泡沫金属类材料具有极大的比表面积、高孔隙率、骨架高导热等特点，内部金属骨架相互贯通，有利于填充于小孔内部的相变材料发生固液相变传热。一方面，高导热骨架易于热量传导、提高了相变材料的整体热导率；另一方面，大比表面积有利于充分接触换热。已有研究结果表明泡沫金属可显著提高固液相变蓄/放效率。Zhang等实验和数值研究了填充有泡沫金属的矩形腔中石蜡的熔融传热，表明复合相变材料的熔化速率和温度分布大大优于纯石蜡。杨佳霖等通过实验研究了管壳式潜热蓄热器中的铜泡沫对石蜡的传热增强特性，证明相变材料的温度分布均匀性得到了极大提高。Ferfera等进行了实验和数值研究，分析了不同孔隙率和孔密度的Cu/Ni泡沫复合相变材料的储热性能，得出的结论是，复合相变材料的热导率和热扩散率分别显著提高了35倍和6倍。Wang等研究了装有径向梯度孔隙率铜泡沫的竖直管壳式潜热蓄热器的蓄/放热特性，表明与均质铜泡沫相比，总熔化时间减少了37.6%。Tao等研究发现导热性能与泡沫金属的孔密度有着明显关系，同时孔密度的增加会在一定程度上削弱蓄热单元内的自然对流作用。Feng等在孔径尺度下采用内切球形十四面体结构建立模型对开孔金属泡沫进行直接数值模拟。Yao等利用孔隙尺度方法数值模拟研究了熔融过程中金属泡沫/石蜡复合材料的相态、温度、热通量和流场。李文强等采用多孔介质的体积平均模型，建立了金属泡沫内固-液相变的两方程数学物理模型，并考虑到非达西效应和石蜡与泡沫之间的局部非热平衡效应，比较了石蜡和泡沫的温度场差异，证实了采用两方程模型的必要性。此外，Esapour等通过三维数值模拟研究发现金属泡沫不仅能提升相变材料的熔化效率，还能提升相变材料的凝固效率。Zhang等声称金属泡沫可以提升石蜡整体的有效热导率从而提升相变速率。在相变效率提升上，与纯石蜡相比，金属泡沫可以提升超过50%的相变速率。这些研究表明金属泡沫对相变材料的蓄热和凝固效率有很大的提升。但是这些研究主要是数值模拟的研究。此外，以往的研究缺乏对凝固过程常见温度范围内结构的实验测试。然而，这些结果不仅需要实验验证，而且实验能够更好反映实际的放热性能和热损失。

虽然文献对泡沫的凝固放热进行了广泛的研究，但是现有的研究主要是数值研究，缺少相应的实验研究。金属泡沫可以产生更均匀的传热和加强石蜡的内部热传导。与以前