陳華  柳秀麗  趙松田  李戈
天津商業大學,天津市制冷技術重點實驗室

      【摘  要】石蠟作為一種有機固液相變材料，因其具有高潛熱值、無毒、無腐蝕、性能穩定等優點被廣泛應用于熱蓄存、電子冷卻及建筑溫控等領域。然而，因石蠟導熱系數過低，導致蓄熱時間過長、溫差過大。為此，本實驗按照1：3的比例將金屬泡沫銅均勻分布在石蠟箱體中，探究泡沫銅對石蠟相變速率的影響。結果顯示：加入泡沫銅后，有效的促進了石蠟的相變速率，縮短了石蠟相變的時間。同時加入泡沫銅后，內部溫差明顯減小，溫度分布更加均勻，并且有效緩解了自然對流造成的頂部過熱和底部不融化現象。

      【關鍵詞】泡沫銅；相變材料；熱性能

Abstract:As an organic solid-liquid phase change material, paraffin is widely used in the fields of thermal storage, electronic cooling and building temperature control because of its high latent heat value, non-toxic, non-corrosive and stable performance. However, due to too low paraffin thermal conductivity, resulting in heat storage time is too long, the temperature difference is too large. For this purpose, the metal foam was evenly distributed in the paraffin box in proportion to 1:3, and the influence of the copper foam on the phase change rate of paraffin wax was investigated.The results show that the addition of copper foam effectively promoted the paraffin phase transformation rate and shortened the paraffin phase transition time. At the same time, after adding the foam copper, the internal temperature difference is obviously reduced, the temperature distribution is more uniform, and the top overheating and the bottom unmelting phenomenon caused by natural convection are effectively relieved.
Keywords: Copper foam; phase change material; thermal property

0 引言

      隨著世界經濟的發展，我國經濟與社會已進入大量消耗能源階段?？照{系統能耗作為主要能耗之一，其制冷運行工況所產生的冷凝熱量很大，如直接排入大氣，不僅浪費能源，而且會導致環境溫度升高。所以，可以考慮將冷凝熱回收利用^[1] 。我們所熟知的空調冷凝熱回收系統主要包括熱回收器和蓄熱裝置^[2] 。蓄熱裝置可采用水蓄熱式和相變蓄熱式兩種形式，水蓄熱式存在系統體積龐大、輸入功率大等問題，而相變式蓄熱式既解決了熱水供應時間和數量不同步的問題，又有箱體小，靈活布置的特點^[3] 。

      朱家玲等^[4]對地源熱泵供熱系統中，利用低谷電蓄能的相變蓄能裝置進行研究，模擬結果顯示，采用相變材料蓄熱可充分利用谷電，節約運行成本，具有良好的經濟性。張紅瑞、廖海鮫、賀鵬和葉三寶等^[5-8]分別設計并改進了相變蓄熱系統，為相變蓄熱系統的設計和優化提供了理論支持和參考。

      同時，為提高相變材料的導熱性能，很多學者對相關方面進行了研究，其主要思想是在相變材料中添加高導熱系數的添加物來提高其導熱系數，目前所采用的技術包括在石蠟中添加石墨^[9]、翅片^[10]、高導熱性能的納米纖維或納米顆粒^[11]以及泡沫金屬^{[12、13]}。

      Hawlader 等^[14]在實驗研究中，制成一種膠囊型相變材料，將石蠟作為相變材料，明膠與阿拉伯樹膠作為膠囊體材料，乙醇與甲醛作為溶劑，結果表明，該新型膠囊相變蓄熱效果令人滿意。

      本文借鑒以往的實驗研究結果，通過查閱文獻[15]發現，高孔隙的泡沫金屬材料是近年來開發出的一種新型材料。它采用燒結等工藝制成，含有泡沫氣孔，其中的固體（銅、鋁）和流體（空氣、水等）導熱系數相差較大，具有導熱率、高比表面及高滲透性等優點^[16]。故而本實驗在以石蠟為主的蓄熱箱中，按照1：3的比例將金屬泡沫銅均勻分布在石蠟箱體中，進而研究石蠟的相變速率。得到了較好的實驗結果。

1 實驗系統介紹及實驗方法

      1.1 實驗系統

      本實驗臺可以實現單獨制冷、單獨制熱水( 獨立熱回收) 、同時制冷與熱回收等功能。與常規熱泵系統一樣，只是在原來的相變蓄熱裝置內添加了泡沫金屬，其工作流程也同普通制冷循環類似，系統結構圖如圖所示。實驗過程中，通過控制閥門的啟閉來實現制冷，蓄熱等多個功能。

      1.2 實驗方法

      實驗中應用的純石蠟，其物性TA-Q200型差掃描測量儀（DSC）測定，測得的石蠟熔點為60~65℃，固體狀態密度為91㎏· 。實驗中的泡沫銅參數如表1。

      注：表中ε表示銅泡沫孔隙率，PPI為銅泡沫孔密度。

      金屬泡沫銅及溫度測點圖分布如圖2：

      實驗測得的各測點溫度變化情況：左側為蓄熱箱中只為純石蠟的圖像，右側為蓄熱箱中加入金屬泡沫銅的圖像

2 實驗結果分析

      圖3、圖4、圖5及圖6分別對比了蓄熱箱中只放純石蠟與石蠟中加入金屬泡沫銅后蓄熱箱中上、中、下及中軸各測點石蠟融化過程中溫度隨時間的變化。

      總體來看，可以看到，純石蠟相變過程中，測點溫度曲線在60~65℃之間升溫緩慢，表明在整個融化升溫過程中，該溫度區內吸熱明顯。

      橫向來看，通過兩兩圖像對比，可以看到，加入金屬泡沫后，在前三百分鐘內石蠟快速吸熱，溫度升高，上中下及中軸的每個測點相對溶解時間都縮短，右側圖線斜率明顯大于左側，吸熱速率明顯加快，達到熔點的時間明顯短于純石蠟。

      縱向來看，左側純石蠟蓄熱箱中，各測點溫差較大，頂部測點由于強烈的自然對流過程，升溫較快，可快速完成相變過程，而底部測點在整個過程中均未達到相變溫度，內部溫度分布也及其不均。而右側部分，再按照1：3的比列加入金屬泡沫銅后，豎直方向上，各測點升溫曲線相對同步，均可較快達到融化溫度，從側面驗證了在石蠟中加入金屬泡沫銅有效抑制了自然對流作用，使得導熱占據主導。

3 實驗結論

      通過在石蠟蓄熱箱中加入金屬泡沫銅，觀察泡沫金屬對石蠟蓄熱過程性能影響的實驗，得到如下結論：

      （1）金屬泡沫銅加入到石蠟中大大增強了傳熱性能，縮短了石蠟融化時間，提高了石蠟的蓄熱性能。

      （2）石蠟中加入金屬泡沫銅，提高了溫度場內的溫度均勻性，使得熱量能迅速被相變材料所吸收，減弱了自然對流的影響，有效緩解了蓄熱箱中上下中等各部融化不均的現象。

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      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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