复合相变蓄热采暖装置热性能实验研究

祝艺丹，王春青，谭慧琳，杜 瑞，索雨麦

1吉林建筑科技学院 长春 130114 2吉林建筑大学 市政与环境工程学院 长春 130118

0 引言

“建筑节能”、“清洁供暖”已经成为国家能源战略的重要组成部分.推动能源体系革命性变革,是我国能源战略的重要取向[1].近年来,由于北方采暖地区燃煤采暖造成的环境污染问题较为严重,清洁能源采暖的发展受到广泛关注.为配合“峰谷电价”等清洁能源政策,蓄热式电采暖系统快速发展.蓄热技术在建筑采暖系统中的应用,既可提高能源的利用效率、保护环境,又可以调整电力负荷变化,降低电供暖成本,促进相关产业发展[2-3].

结合供暖系统间歇运行变化规律,应用石蜡微胶囊[内材:石蜡,壁材:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)][4-6]相变蓄热特性,是降低供热系统能耗和热用户成本的有效途径.但由于相变石蜡微胶囊导热能力较弱,相变响应时间较长,材料内部受热不均等原因,在实际应用中,很难满足间歇供热下室内采暖要求.通过设计1种泡沫金属铜与石蜡微胶囊复合[7]的蓄热主体材料,可有效提高材料热响应特性,实现蓄热快速响应.石蜡微胶囊物质形态为粉末,其平均粒径为 12.03 μm;泡沫金属铜是铜基体中均匀分布连通孔洞的新型材料,其孔径范围是1 mm～3 mm,将石蜡微胶囊粉末填充到泡沫铜的孔隙中,以强化其导热蓄热响应时间.

本文根据相变材料理论,拟搭建复合相变蓄热采暖装置实验台,将实验台蓄热层设为泡沫金属石蜡微胶囊复合相变材料与纯石蜡微胶囊相变材料，在相同实验条件下测试采集温度数据,通过对比分析,确定复合相变蓄热采暖装置的热性能.

1 实验

1.1 实验方案

为探究泡沫金属复合相变蓄热材料的热性能,在实验设计方案(方案A:石蜡微胶囊 + 95 %孔隙率的泡沫铜的复合相变材料)的基础上，提出2个参照方案即方案B:石蜡微胶囊 + 90 %孔隙率泡沫铜的复合相变材料和方案C:石蜡微胶囊蓄热相变材料.实验中,控制蓄热材料用量与实验操作环境一致.

1.2 实验台

拟从实验台构成、结构层设计、测温点分布和实验台搭建等4个方面介绍复合相变蓄热采暖装置实验台.

1.2.1 实验台构成

整个测试复合相变蓄热材料热性能系统包括复合相变蓄热采暖结构、温度数据采集仪器、测温元件和计算机等.复合相变蓄热采暖装置实验台如图1所示.

图1 复合相变蓄热采暖装置实验台的照片Fig.1 Photo of test bench for composite phase change heat storage heating system

1.2.2 结构层设计

为满足在相同热源条件下进行3组方案的热性能实验,将3种方案涉及的相变材料放入尺寸大小为1 500 mm×1 000 mm×100 mm木质模具内,3种方案均做绝热处理,尺寸规格保持一致.模具底面及四周均设绝热层.相变蓄热装置结构自下而上分依次为30 mm厚绝热层、铝箔纸反射层、20 mm厚相变蓄热层、铁网、硅胶碳纤维发热电缆和20 mm水泥砂浆找平层.结构层如图2所示.

1.2.3 测温点分布

本实验测量端为感温元件T型热电偶及集数据采集、测量运算、存储记录于一体的数据采集记录仪.通过温度测试,分别采集3种方案中发热源表面、相变蓄热层及结构层表面的温度.

(1) 发热源表面测点.将3根T型热电偶分别用铝箔胶带固定在3种方案发热源的相同位置处.观察温度变化,以保证发热源温度相同即温度环境相同.感温元件固定位置如图3所示.

(2) 相变蓄热层内测点.纵向测点分布如图4所示,分别在3种方案构件发热电缆表面固定感温元件T型热电偶,在其下方的相变蓄热层内埋入感温元件,并保证T型热电偶在3种方案中相变蓄热层内埋入深度相同.

(3) 结构层表面测点.如图5所示,将T型热电偶探头位置固定在结构层表面上,多处多次测量求平均值,以保证所测数据的准确性.

图2 结构层Fig.2 Structural layer

图3 电缆表面的感温元件分布Fig.3 Distribution of temperature sensing elements on cable surface

图4 相变蓄热层内的感温元件分布Fig.4 Distribution of temperature sensing elements in phase change heat storage layer

图5 结构层表面的感温元件分布Fig.5 Distribution of temperature sensing elements on the surface of structural layer

1.2.4 实验台搭建

复合相变蓄热采暖结构按结构层的设计,其铺设过程如图6所示.

在图6(a)～图6(b)所示的实验台中从左至右依次将95 %孔隙率的泡沫金属铜与石蜡胶囊复合材料、90 %孔隙率的泡沫金属铜与石蜡胶囊复合材料及纯石蜡微胶囊填入对应的模块内.

如图6(c)所示,单回型铺设发热电缆并用卡扣将其固定在铁网上,发热电缆间距控制在100 mm左右.

如图6(d)所示,水泥砂浆找平之前,在各方案蓄热层等高相同位置处埋设并固定测温元件T型热电偶.待找平层养护好后,各方案表面相同位置处用铝箔胶带将T型热电偶固定好.

感温元件另一端连接安捷伦温度数据采集仪的模块上进行数据采集,通过计算机对数据进行显示及处理.

(a) 绝热处理的实验台 (a) Test platform of thermal insulation treatment

(b) 铺设的蓄热主体材料 (b) Laid main body material for heat storage

(c) 铺设的固定发热源 (c) Fixed heating source for laying

(d) 铺设的找平层 (d) Laid leveling layer

1.3 实验过程

该实验过程利用发热电缆放热,石蜡受热升温,达到相变点,存储潜热;发热电缆停止供热后相变蓄热结构放热,温度降到相变点后,释放潜热的原理进行.当日21∶00时开始供电供热,次日7∶00时停止供热,以此为测量周期,该时段避开用电高峰,电价较低.实验过程中观察并收集各测点温度,为了保证实验数据的准确性,可多次测量,并对数据进行处理.

2 实验结果及分析

2.1 蓄热过程

按照实验过程设计要求进行实验,将3种方案(即方案A:石蜡微胶囊 + 95 %孔隙率泡沫铜的复合相变材料、方案B:石蜡微胶囊 + 90 %孔隙率泡沫铜的复合相变材料和方案C:石蜡微胶囊相变材料)所得数据进行整理并绘制出蓄热过程蓄热层温度随时间变化的曲线,如图7(a)～图7(b)所示.

从图7(a)～图7(b)可观察到,3种实验方案均经历了显热供热(升温)、潜热蓄热(温度维持在42 ℃左右)和显热继续供热(继续升温)等3个过程.蓄热初始阶段:与方案C相比,方案A、方案B相变蓄热结构层内部温度上升速率较快,且相变响应时间较方案C提前4 400 s左右.

由此可知,复合相变蓄热层中的泡沫金属在加热过程中,以导热性能好的优势将热量较快地传递给蓄热主体材料,使石蜡微胶囊提前达到相变温度开始蓄热过程;蓄热阶段:蓄热材料利用潜热蓄热,温度不变,因此图中曲线大致为一条直线;蓄热结束阶段:温度继续升高,该阶段温升曲线斜率逐渐变小,直至趋于平缓.

通过观察方案A与方案B的两条温升曲线,并经分析可得,石蜡微胶囊受热熔化状况受泡沫金属孔隙率大小的影响.实验表明,孔隙率大的泡沫金属利于热量传向蓄热主体材料.

(a) 蓄热过程中各方案蓄热层内温度随时间的变化 (a) Variation of the temperature in heat-accumulating layer of each plan with time in heat-accumulating process

(b) 蓄热过程中各方案结构层表面温度随时间的变化 (b) Variation of the structure layer surface temperature of each plan with time in heat-accumulating process

2.2 放热过程

次日7∶00时停止供热,测得3种方案相变蓄热层及结构层表面温度数据并整理绘制成曲线,如图8(a)～图8(b)所示.

(a) 放热过程中各方案蓄热层内温度随时间的变化 (a) Variation of the temperature in heat-accumulating layer of each plan with time in exothermic process

(b) 放热过程中各方案结构层表面温度随时间的变化 (b) Variation of the structure layer surface temperature of each plan with time in exothermic process

由图8(a)～图8 (b)可观察到,3种方案都经历了内芯液态石蜡显热放热、相变潜热放热及呈固态后继续放热阶段,其中在停止供热之初可明显地观察到方案A与方案B中温度随时间降低的速度较方案C快，相变响应时间较方案C提前.由此可分析得出,泡沫金属的加入强化了热量向外的传导即将热较好地传递出去,满足供热需求,而方案C相变蓄热层只含有石蜡微胶囊,导热能力弱,热量集中在蓄热层,向外传递效果差,导致蓄热层与结构层表面温差较小.随着热量不断向外传递,温度降至石蜡相变温度点时,温度随时间的相变曲线近乎成一条直线,开始用蓄热阶段所储热量供热.潜热放热结束后继续以显热放热,直至温度降至与实验环境温度接近为止.

再由方案A和方案B蓄热层及构件表面温度随时间变化曲线的对比分析可知,在满足足够放热时间的前提下,95 %孔隙率的泡沫铜石蜡微胶囊复合相变材料(方案A)可使整个相变蓄热电采暖结构散热性能更优.

3 结论

本文分别对蓄热层填充石蜡微胶囊和泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料的蓄热结构供热蓄热、放热过程中内部传热状况进行了实验研究,得出如下结论:

(1) 新型复合式相变材料中泡沫铜的加入,强化了传热效果,解决了纯石蜡微胶囊导热系数低的问题.实验结果表明,新型泡沫铜/石蜡微胶囊复合相变材料的设计可使相变响应时间提前,同一时间下,向蓄热层导热效果更明显.

(2) 泡沫铜强化了蓄热层传热效果,增强了蓄热材料蓄热能力,且泡沫铜孔隙率越大,强化传热效果越好.

(3) 泡沫金属的加入同时也使得整个相变蓄热电采暖结构散热性能更优.