泡沫金屬對石蠟微膠囊相變蓄熱性能影響的試驗(yàn)研究

祝藝丹，王春青，黃仁強(qiáng)

（1.吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長春 130114；2.吉林建筑大學(xué)，長春 130118；3.吉林建工集團(tuán)有限公司，長春 130052）

目前，為了實(shí)現(xiàn)建筑低能耗的目標(biāo)，響應(yīng)國家“煤改電”政策，提高電能源的利用效率，人們要將電所提供的熱能存儲起來，需要時將其利用，而蓄熱材料的應(yīng)用將有助于解決上述問題。蓄熱包括顯熱蓄熱和潛熱蓄熱，本文將利用一種新型定型相變蓄熱材料——石蠟微膠囊作為相變主體材料，該材料以潛熱形式進(jìn)行蓄熱?？梢赃x擇在用電谷時（低電價）進(jìn)行供熱蓄熱，用電高峰時段（高電價）進(jìn)行放熱，合理協(xié)調(diào)分配了熱用戶需求及電供熱時間的關(guān)系。但是，由于定型材料導(dǎo)熱性能較差，影響石蠟的蓄熱效果，因此本文提出用高孔隙率泡沫金屬來加強(qiáng)熱量對新型相變材料的傳遞，通過試驗(yàn)研究其對相變材料蓄熱性能的影響。

1 強(qiáng)化蓄熱材料的選擇

為了提高電熱對石蠟微膠囊熱傳遞的效果，相關(guān)人士提出了多種方法。例如，將相變材料封裝在帶有翅片的鋁管中，或者加上肋片，增加導(dǎo)熱面積；將相變蓄熱材料與導(dǎo)熱效果好的材料（如石墨、鋁粉等）摻混在一起[1]?？紤]到蓄熱材料要與強(qiáng)化傳熱材料充分接觸、相變材料石蠟微膠囊結(jié)構(gòu)不被破環(huán)以及導(dǎo)熱性能效果較好等因素，本文將選用高孔隙率的泡沫金屬作為強(qiáng)化傳熱材料。

2 強(qiáng)化蓄熱性能試驗(yàn)過程

該試驗(yàn)所需要的材料是物質(zhì)形態(tài)為粉末狀的石蠟微膠囊，選定相變點(diǎn)溫度為42℃，泡沫金屬材料種類較多，其中選擇導(dǎo)熱效果較好的泡沫金屬銅和泡沫金屬鋁兩種，通過試驗(yàn)對比分析得出哪種更具優(yōu)勢[2-3]。

該試驗(yàn)所涉及的熱工測試技術(shù)為溫度測試，溫度數(shù)據(jù)采集儀器為Keysight34970A數(shù)據(jù)采集儀，溫度測量元件為熱電偶。由于熱電偶中銅-康銅熱電偶即T型熱電偶測溫范圍與本次測試溫度范圍接近，價格較廉價，其被選作本次測試的主要測溫元件。

將T型熱電偶非測溫端與數(shù)據(jù)采集儀插槽內(nèi)的模塊進(jìn)行連接，通過感溫元件采集數(shù)據(jù)之前，先調(diào)試所用的采集儀器，對儀器操作時的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。另外，溫度數(shù)據(jù)顯示需要計算機(jī)安裝的相關(guān)配套軟件進(jìn)行觀察讀取及導(dǎo)出，以上調(diào)試結(jié)束后，對溫度進(jìn)行校正，確定能正常測溫及讀取數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行試驗(yàn)。

首先準(zhǔn)備好三組被測試樣即1組為單質(zhì)石蠟微膠囊相變材料、2組為泡沫金屬銅與石蠟微膠囊復(fù)合相變蓄熱材料以及3組泡沫金屬鋁與石蠟微膠囊復(fù)合相變材料。將三種不同的材料分別裝入三個塑封袋中，保證三種被測試樣中石蠟微膠囊的用量相同。然后，將T型熱電偶的感溫觸點(diǎn)深入三組被測試樣中，使其與被測材料直接接觸，測點(diǎn)為塑封袋的中心位置。本試驗(yàn)用恒溫水浴模擬供熱熱源，溫度參數(shù)設(shè)置為60℃，測試時間設(shè)置為30 min。將三組被測試樣同一時間一起放入加熱容器中（前提三組被測試樣通過T型熱電偶及溫度數(shù)據(jù)采集器傳出的起始溫度應(yīng)一致），試驗(yàn)開始，試驗(yàn)整體系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)過程分為兩個測試階段，一是蓄熱測試階段，二是放熱測試階段。蓄熱測試階段，將三組被測試樣同一時間置于恒溫水浴箱內(nèi)，啟動裝置，進(jìn)行升溫，為了測試每個時間節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)情況，將軟件中的測試時間間隔參數(shù)設(shè)置為1 s，相變蓄熱材料在達(dá)到相變點(diǎn)后進(jìn)行蓄熱，蓄熱過程結(jié)束后，相變材料溫度繼續(xù)上升，直至被測試樣溫度達(dá)到恒溫水浴箱設(shè)置的60℃，蓄熱測試階段結(jié)束。

放熱測試階段，將三組被測試樣同一時間取出進(jìn)行降溫。該過程在室內(nèi)進(jìn)行（環(huán)境溫度為18℃），隨著溫度的降低，接近相變溫度時，相變蓄熱材料開始釋放所儲的潛熱。與蓄熱測試階段相同，軟件中的測試時間間隔參數(shù)設(shè)置為1 s，當(dāng)數(shù)據(jù)采集器末端輸出三組被測試樣的溫度與室溫接近后，放熱測試階段結(jié)束。

3 蓄放熱過程測試結(jié)果研究分析

將計算機(jī)相關(guān)軟件內(nèi)三組被測試樣的蓄放熱過程所采集到的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用數(shù)據(jù)分析軟件Origin分別做出蓄熱過程以及放熱過程的溫度-時間變化曲線，如圖2、圖3所示。

3.1 蓄熱過程

圖2為蓄熱測試階段的溫升曲線，由此可以看出，起始溫度一致，皆為室內(nèi)環(huán)境溫度，18℃左右，隨著時間的推進(jìn)，三組被測試樣的溫升速度較快，幾乎呈線性增長，其中泡沫銅與石蠟微膠囊復(fù)合相變材料溫升速率最大，最先達(dá)到相變溫度點(diǎn)（42℃），加快了相變蓄熱過程的開始；三組被測試樣逐次到達(dá)相變點(diǎn)后，開始蓄熱過程，該過程熱量以潛熱的形式儲存，因此溫度隨時間沒有變化，此過程曲線幾乎可看成是直線；蓄熱結(jié)束后，由于水浴與相變蓄熱材料之間仍有溫度差，所以三組被測試樣的溫度曲線繼續(xù)呈上升趨勢，但溫升速度逐漸放緩，最后與恒溫水浴設(shè)置溫度參數(shù)60℃一致，停止蓄熱測試。通過被測試樣的三條溫度隨時間變化的曲線對比觀察可得，泡沫金屬可加快相變蓄熱過程的開始，效果較為明顯，且溫升與單質(zhì)石蠟微膠囊相比較快，儲存相同的熱量所需時間較少。以上分析可得出，帶有泡沫金屬的相變復(fù)合蓄熱材料蓄熱能力有所提高，使相變響應(yīng)時間提前。

另外，通過圖2還可以觀察到，加入加強(qiáng)傳熱材料的不同，蓄熱效果也有所不同。分析泡沫金屬銅石蠟微膠囊復(fù)合材料與泡沫金屬鋁石蠟微膠囊復(fù)合材料兩條溫度隨時間變化的曲線，前者溫度隨時間上升較快，較后者提前進(jìn)入相變蓄熱過程，即溫度較后者先與水浴溫度一致。通過有無強(qiáng)化蓄熱材料以及兩種強(qiáng)化蓄熱效果的橫縱全面對比分析可得，泡沫金屬銅在強(qiáng)化蓄熱方面有較大的優(yōu)勢。

3.2 放熱過程

圖3為放熱測試階段的溫降曲線，觀察該圖可看出，起始溫度一致，皆為被測試樣從恒溫水浴取出時瞬時溫度，即42℃左右。隨著時間的推進(jìn)，三組被測試樣的溫降速度較快，其中加入泡沫金屬銅的測試樣品最先降到相變溫度，由于釋放存儲的相變潛熱，該過程溫度值不變，因此該過程溫度曲線近似看成一條曲線，相變潛熱釋放完后，三組被測試樣溫度繼續(xù)下降，直至與室內(nèi)環(huán)境溫度一致。

圖2 蓄熱過程溫度-時間變化曲線

圖3 放熱過程溫度-時間變化曲線

從圖3放熱過程三條溫度曲線可觀察到，多孔介質(zhì)泡沫金屬銅和泡沫金屬鋁有較好的傳熱性，放熱速率快，散熱能力強(qiáng)。

通過以上兩個過程、三種方案全面深入分析可得，帶有泡沫金屬的相變蓄熱復(fù)合材料蓄熱能力及向外傳熱能力都較強(qiáng)，能較好地蓄熱和供熱，滿足熱用戶的熱舒適度要求。同時，也證明了泡沫銅與石蠟微膠囊復(fù)合的相變材料在蓄放熱過程中更具有優(yōu)勢，所以在今后的實(shí)踐與應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先選擇泡沫金屬銅作為強(qiáng)化傳熱的主要材料。

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)方案的設(shè)計、試驗(yàn)過程操作以及對數(shù)據(jù)處理分析可得，在相變蓄熱材料石蠟微膠囊蓄熱過程中，泡沫金屬將熱源產(chǎn)生的熱量較好較快地傳遞給蓄熱材料，提高了相變蓄熱材料蓄熱能力，使相變響應(yīng)時間提前。在相變蓄熱材料石蠟微膠囊放熱過程中，泡沫金屬以其傳熱效果好的優(yōu)勢使釋放的潛熱較好地散到室內(nèi)環(huán)境中，滿足熱用戶的要求。另外，試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫金屬銅強(qiáng)化傳熱，提升蓄熱能力的效果更具有優(yōu)勢。在今后的實(shí)踐與應(yīng)用中，泡沫金屬銅可作為強(qiáng)化傳熱的主要材料。