泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

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2015 年2月 CIESC Journal

February 2015

第66 卷第2期化工学报 Vol.66No.2

泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验

杨佳霖，杜小泽，杨立军，杨勇平

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京 102206）

摘要：相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜

内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料，通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用

DSC 示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对

象，提取对称结构进行可视化设计，对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复合材料在相同运行条件下的相变过程，追踪

二者熔化过程的相界面位置随时间的演化过程并布置热电偶准确测量材料内部的温度分布。结果显示加入泡沫金

属后的复合材料的内部温差明显减小，温度分布均匀，蓄热热通量显著增大，有效缩短相变时间并缓解了自然对

流造成的顶部过热和底部不熔化现象。

关键词：相变；多孔介质；泡沫金属；自然对流；可视化实验

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20141182

中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2015）02—0497—07

Visualized experiment on dynamic thermal behavior of phase change

material in metal foam

YANG Jialin, DU Xiaoze, YANG Lijun, YANG Yongping

(Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education,

North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract: Latent heat thermal energy storage technology is a promising option for future cost reduction in

parabolic trough power system, however, low thermal conductivity of phase change material (PCM) is the major

shortage leading to large temperature difference between heat transfer surface and solid-liquid interface of the

PCM, and low energy storage rate. A charging experimental system was set up for testing the dynamic thermal

behavior of phase change material in metal foam. Paraffin wax is used as PCM and its thermal properties were

determined with differential scanning calorimetry (DSC). Metal foam was made of red copper. The sample of

PCM-foam composite with semi-circular slot was placed inside a transparent cuboid Plexiglas enclosure, and a

copper tube with the same radius as the semi-circular slot was in close bonding with the PCM-foam composite.

High temperature water flowed through the copper tube as the heat transfer fluid (HTF) heating the composite

material. The temperature field and melting process of PCM at pore size were studied using appropriate

thermocouple and high definition camera. Thermal characteristics, including temperature profiles and position of

solid/liquid interface were investigated and recorded, and the effects of heating temperature and flow rate of HTF

on temperature uniformity and melting rate were documented and discussed. Metal foam could effectively

improve heat transfer performance of PCM and decrease charging time Temperature difference was smaller and

heating flux was larger in the composite than those in pure paraffin.

2014-08-06 收到初稿，2014-11-19 收到修改稿。

联系人：杜小泽。第一作者：杨佳霖（1986—），男，博士研究生。

基金项目：国家自然科学基金项目（U1361108）。

Received date: 2014-08-06.

Corresponding author: Prof. DU Xiaoze, duxz@ncepu.edu.cn

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation

of China (U1361108).

化工学报第66 卷

·498·

Key words: phase change; porous media; metal foam; natural convection; visualization

引言

蓄热技术是太阳能热利用时解决能量数量性

与时域性差异的最佳手段。目前主要的蓄热方式包

括：显热蓄热、潜热蓄热和化学能蓄热[1]。较之显

热蓄热、化学能蓄热，潜热蓄热具备蓄放热过程能

量密度高、温度稳定、相变材料价格低廉的优势，

但相变材料的低热导率一直是限制潜热蓄热广泛应

用和发展的最大障碍[2]。提高相变材料的热导率，

强化相变材料的换热性能也成为潜热蓄热研究领域

的热门问题。分析潜热蓄热系统强化换热技术，提

高潜热蓄热系统换热性能的方法大体包括：①增加

扩展表面[3-4]；②多种相变材料共用[5]；③填充高导

材料[6-7]；④相变材料微囊化技术[8]。

将相变材料填充入大孔隙率泡沫金属中，金属

的高热导率使复合材料较纯相变材料的热导率得到

了提升；同时泡沫金属是一种高孔隙率的多孔介质，

大面体比也发挥了强化换热性能的作用[9]。Calmidi

等[10-12]提取出高孔隙率泡沫金属的组成单元，在

结构角度给出了泡沫金属的有效热导率、渗透率、

内部阻力系数的计算方法，对比计算结果与实验数

据，吻合度较好。Zhao 等[13-16]采用非等温热平衡方

程对泡沫金属中相变材料的熔化和凝固过程进行模

拟研究，计算出自然对流影响下相界面的位置并分

析了孔隙率、孔密度、材料物性等参数对相变过程

的影响。Li 等[17-20]将相变材料填充入泡沫金属中，

对混合材料进行实验研究，结果表明：尽管泡沫金

属对液相的自然对流存在阻碍作用，但复合材料的

导热性能明显好于纯相变材料，蓄放热时间显著

缩短。

纵观近期泡沫金属强化相变材料蓄热的实验，

其内容主要集中于对方腔内蓄热过程的研究，边界

条件一般为定热流边界条件，其实验目的主要是为

模拟过程提供验证。本文对管壳式潜热蓄热结构的

泡沫金属强化相变材料蓄热过程进行了实验研究，

以流动热水作为载热流体，为相变材料蓄热提供热

源。蓄热过程中，对固-液相界面进行可视化追踪，

得到清晰的相界面发展图像。同时在相变材料内布

置热电偶，能够准确获得材料内部的温度分布。实

验结果为探讨泡沫金属强化相变换热过程的作用机

制提供实验基础，也可为后续采用泡沫金属强化换

热的管壳式蓄热结构的优化设计提供充分有效的

验证。

1 材料制备及热物性测量

1.1 泡沫金属填充石蜡复合材料的制备

采用真空注入法[21-22]制备泡沫金属填充石蜡复

合材料，填充系统包括真空泵(上海飞鲁泵业旋片式

真空泵)、真空表(上海仪川压力真空表)、真空阀（KF

型手动挡板阀），所用材料为泡沫金属铜，孔隙率为

0.92，孔密度为 20 PPI；纯石蜡（熔点 48～50℃，

国药集团化学试剂有限公司），石蜡固体状态密度为

914 kg·m−3。将足量的固体石蜡置于不锈钢真空罐

底部，切割成型的实验件连同支架置于固体石蜡上

部。封装真空罐，连接抽真空管路，开启真空泵，

控制真空表示数在−0.08 MPa 以下，拧紧管路真空

阀门，关闭真空泵，维持真空。真空罐置于 90℃水

浴中加热。随着石蜡熔化，泡沫金属和支架逐渐下

沉，熔化的石蜡液体进入泡沫金属中。待石蜡完全

熔化，泡沫金属完全沉没于液体石蜡，停止加热。

将真空罐置于自然温度水浴中冷却，直至石蜡完全

凝固，开启真空阀门。微热分离石蜡与壁面，取出

实验件样品，并去除多余石蜡。填充石蜡前后的照

片对比如图 1所示。

图1 泡沫金属铜填充石蜡前后的图像

Fig.1 Metal foam copper (a) and composite of metal foam

copper and paraffin (b)

以注入比 α来表征真空填充程度，即填充相变

材料体积占孔隙体积的大小，其计算式如下

PCM t cu

ore PCM total

Vmm

αερ

−

== (1)

式中，VPCM 为填充入泡沫金属中相变材料的体

积，Vpore 为泡沫金属孔隙体积，Vtotal 为泡沫金属总

体积，mt

−

mcu 为填充后与填充前实验件的质量差，

ρPCM 为相变材料密度，ε为泡沫金属孔隙率。通过

第2期杨佳霖等：泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验 ·499·

测量质量差及泡沫金属总体积，可得到注入比为

96.7%。由于降温过程中石蜡存在收缩，故注入比

不能达到 100%，从注入比的数值可以看出，材料

复合较好，石蜡和泡沫金属具有较好的相容性。

1.2 石蜡的相变特性

为探讨石蜡的相变特性，对石蜡进行 DSC 分

析，其 DSC 曲线如图 2所示。可以看到，石蜡相变

是个持续的升温过程，并在熔化过程中在温度为

34.0℃和 56.0℃出现两个相变吸热峰，存在明显的

固-固相变过程和固-液相变过程，其吸收潜热分别

为44.8 kJ·kg−1和136.4 kJ·kg−1。固-液相变的起

始点为 48.2℃，终止点为 60.5℃，相变潜热为固-

固相变与固-液相变潜热之和，为 181.2 kJ·kg−1。

2 实验装置及实验方法

图3为实验测试系统示意图，整个系统可分为

3个模块：热源模块，实验件模块及数据采集模块。

热源模块由恒温水箱、压力泵、流动管路及调节阀

组成，其功能是为实验件提供恒定流量、恒定进口

温度的载热流体，实验中载热流体为水。实验件模

图2 石蜡的 DSC 相变特性曲线

Fig.2 Phase change characteristic of paraffin

measured by DSC

图3 实验测试系统示意图

Fig.3 Schematic diagram of experimental setup

图4 实验件及热电偶测温系统布置位置

Fig.4 Test section and location of thermal couple test point

块由 PE 箱体，高透有机玻璃盖板及蓄热材料组成，

如图 4 (a)所示，PE 箱体板和有机玻璃盖板厚度均

为20 mm，并在外侧包裹橡塑保温棉，以实现近似

绝热的效果，蓄热材料形状为带有半圆形槽的长

方体，其尺寸为 240 mm×120 mm×60 mm，在

240 mm×120 mm 截面中心位置开 20 mm 直径的半

圆形槽，半圆槽与加热管管径过盈配合，箱体与观

察窗采用螺栓压紧并以固体硅酮胶黏合密封，此模

型为管壳式蓄热单元的一半，用以观察蓄热单元内

相变过程相界面沿径向方向的演化进程。数据采集

模块由热电偶（Omega T 型热电偶），PT100 温度变

送器、高清数码相机（Nikon D7000）、涡轮流量计

及安捷伦数据采集器（34970A）组成，PT100 用以

采集实验件进出口载热流体的温度，最小分辨率为

0.1℃，热电偶布置在如图 4 (b)所示截面，标定后其

测量的精度为 0.1℃，布置位置如图 4 (c)所示。

实验中，先开启恒温水浴箱，设定所需温度，

待达到后，开通流量调节旁路及蓄热单元旁路，恒

温水浴箱中热水经压力泵增压，克服管道阻力，实

现系统循环。待载热流体温度及流量稳定后，扳动

实验件两端 T型换向阀，改变水流通道，由蓄热单

元旁路迅速切换至蓄热单元管路，保证了蓄热单元

准确、稳定的初始条件。分别对纯石蜡和复合材料

进行蓄热全过程测量并进行对比，其基本条件是：

①保证纯石蜡的质量与复合材料中石蜡的质量相

等；②保证恒温水浴提供给实验件相同的载热流体

进口水温和流动速度，恒温水浴温度设定为 70℃，

流速为 0.1 m3·h−1。

3 实验结果与讨论

3.1 相变界面的演化进程

图5所示为纯石蜡相变过程固-液界面随时间

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摘要：

2015年2月CIESCJournalFebruary2015第66卷第2期化工学报Vol.66No.2泡沫金属强化石蜡相变蓄热过程可视化实验杨佳霖，杜小泽，杨立军，杨勇平（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京102206）摘要：相变材料的低热导率是限制潜热蓄热广泛应用的重要原因。将相变材料石蜡真空条件下注入到泡沫金属铜内制备泡沫金属铜-石蜡复合相变材料，通过铜的高热导率及高孔隙材料的大面体比来强化相变换热过程。采用DSC示差扫描量热法对石蜡进行热物性测量获得准确的石蜡相变温度及相变潜热。以管壳式相变蓄热结构为对象，提取对称结构进行可视化设计，对比纯石蜡及泡沫金属铜-石蜡复...

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