中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 金屬蜂窩增強(qiáng)相變儲(chǔ)能系統(tǒng)是提升潛熱儲(chǔ)能效率的先進(jìn)技術(shù)之一。為了研究其熔化儲(chǔ)熱性能，首先設(shè)計(jì)出循環(huán)水加熱系統(tǒng)，解決穩(wěn)定、均勻熱源問題。隨后開展恒定溫度下增強(qiáng)相變材料的熔化儲(chǔ)熱試驗(yàn)，獲得熱量傳輸和熔化邊界演化特征。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金屬蜂窩主要通過提升熱傳導(dǎo)率、削弱自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)以及改變?nèi)刍瘍?chǔ)熱模式等角度影響熔化儲(chǔ)熱效率。為了量化金屬蜂窩的影響，建立流-固-熱三場(chǎng)耦合下的熔化儲(chǔ)熱計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明，5×5金屬蜂窩構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道可使熱傳導(dǎo)率提升39.7倍，同時(shí)將液相自然對(duì)流傳熱效應(yīng)削弱至19.1%，整體熔化儲(chǔ)熱效率提升了67.1%。儲(chǔ)熱速率提升主要集中在0<f <0.5階段，而0.50<f <1階段的平均儲(chǔ)熱速率與純相變材料基本一致。在熱傳導(dǎo)與自然對(duì)流傳熱的競(jìng)爭(zhēng)下，熔化儲(chǔ)熱效率隨蜂窩數(shù)目增長(zhǎng)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，其中3×3蜂窩結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱效率最低。蜂窩數(shù)目在(1×1)~(3×3)的范圍內(nèi)時(shí)，熱量傳輸由液相自然對(duì)流傳熱所主導(dǎo)；當(dāng)蜂窩數(shù)目大于3×3后，熱量傳輸將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俜涓C熱傳導(dǎo)主導(dǎo)。
關(guān)鍵詞 金屬蜂窩；正十八烷；熔化儲(chǔ)熱；試驗(yàn)測(cè)試；數(shù)值模擬
新能源和儲(chǔ)能新體系是科技進(jìn)步和民生保障的關(guān)鍵所在。面對(duì)能源開發(fā)與利用間的時(shí)空不匹配導(dǎo)致的供需矛盾問題，開發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)可保證能源的轉(zhuǎn)化效率并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng)，成為備受矚目的研究方向。在諸多儲(chǔ)能材料中，相變材料(phase change materials, PCM)因潛熱儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)熱溫度恒定、價(jià)格便宜、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想媒介，被廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能減排、工業(yè)廢熱回收以及太陽能儲(chǔ)熱等領(lǐng)域。
相變材料依據(jù)熔化溫度可分為低溫(小于90 ℃)、中溫(介于90~550 ℃)和高溫(大于550 ℃)3類，而按照化學(xué)成分可分為有機(jī)、無機(jī)和復(fù)合3類。常用的低溫有機(jī)相變材料，例如烷烴、脂肪酸等，均存在導(dǎo)熱性能差的天然缺陷。為了克服這一缺點(diǎn)，研究者提出了嵌入多孔金屬介質(zhì)構(gòu)建熱量傳輸通道、添加高導(dǎo)熱納米材料提升導(dǎo)熱率以及添加翅片來增加熱接觸面積等措施，有效地提升了有機(jī)相變材料的儲(chǔ)熱效率。Bose等回顧了擴(kuò)展加熱面積和添加納米顆粒在提高相變材料導(dǎo)熱性方面的應(yīng)用，并建議將相變材料封裝以防止熱量損失。閉口金屬蜂窩結(jié)構(gòu)因具有表面積大、導(dǎo)熱性高且與有機(jī)相變材料結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)，與相變材料結(jié)合后不僅可改善傳熱，還可以提供空間緊湊性，同時(shí)避免液相泄漏，逐漸被用于設(shè)計(jì)增強(qiáng)相變材料。倪鵬等采用COMSOL模擬了金屬蜂窩對(duì)石蠟熔化儲(chǔ)熱性能的影響，指出金屬蜂窩增強(qiáng)效果存在0.77的熔化分?jǐn)?shù)閾值。Bian等通過分析熱源方向的影響，發(fā)現(xiàn)底邊、側(cè)邊、頂邊熱源下的金屬蜂窩可使石蠟儲(chǔ)熱效率分別提升2.7、5.5、69.3倍。進(jìn)一步設(shè)計(jì)的梯度金屬蜂窩結(jié)構(gòu)，使得儲(chǔ)熱效率再次提升約21%。Liu等對(duì)比不同形狀、尺寸蜂窩腔內(nèi)自然對(duì)流條件下的相變材料熔化差異性，提出了蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。Cihan等系統(tǒng)分析了蜂窩壁厚、直徑等幾何參數(shù)對(duì)相變石蠟傳熱速率的影響。然而，采用金屬蜂窩提升相變材料的熱傳導(dǎo)率時(shí)，同步觸發(fā)了液相對(duì)流傳熱的尺寸效應(yīng)和熱源方向相關(guān)性，使得熔化儲(chǔ)熱機(jī)理變得極為復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的相關(guān)研究成果鮮有報(bào)道。
本工作針對(duì)金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料的熔化儲(chǔ)熱性能開展試驗(yàn)測(cè)試與理論研究。首先開展恒定溫度下增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱試驗(yàn)，測(cè)試熔化邊界演化特征。隨后建立流-固-熱三場(chǎng)耦合下的相變儲(chǔ)能計(jì)算模型，從熱傳導(dǎo)提升、自然對(duì)流削弱以及兩者相互競(jìng)爭(zhēng)三個(gè)角度系統(tǒng)研究了金屬蜂窩的影響，進(jìn)而明確增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析蜂窩陣列結(jié)構(gòu)對(duì)熔化儲(chǔ)能效率的影響，研究成果為金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1 增強(qiáng)相變材料制備
增強(qiáng)相變材料由高導(dǎo)熱金屬蜂窩骨架和相變材料兩部分構(gòu)成，如圖1(a)所示。金屬蜂窩骨架長(zhǎng)度為100 mm，單胞壁厚為0.5 mm，材質(zhì)為AlSi10Mg鋁合金，采用中瑞科技的iSLM280型金屬3D打印機(jī)制備的樣品見圖1(b)。相變材料選用正十八烷，其熔點(diǎn)為28.2 ℃、潛熱為243.5 kJ/kg。將金屬蜂窩骨架置于儲(chǔ)腔內(nèi)，并灌注正十八烷，可構(gòu)成金屬蜂窩增強(qiáng)相變儲(chǔ)能材料。
圖1 金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料設(shè)計(jì)與制備
2 熔化儲(chǔ)能試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法
為了研究金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱性能，設(shè)計(jì)了圖2所示的熔化儲(chǔ)熱試驗(yàn)。
圖2 金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化試驗(yàn)裝置
（1）高精度恒溫槽由蟻博士科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為MDC-0510，控溫精度為0.1 ℃。試驗(yàn)時(shí)恒溫槽溫度設(shè)定為70 ℃。
（2）循環(huán)水箱腔內(nèi)尺寸為100 mm×40 mm×40 mm，厚度為10 mm，材質(zhì)為高透明亞克力板。水箱兩側(cè)安裝銅制閥門開關(guān)，并與恒溫槽外循環(huán)相連，形成高溫循環(huán)水加熱系統(tǒng)。
（3）高導(dǎo)熱銅板厚度為2 mm，通過耐高溫焊接膠與下部水箱、上部方腔粘接在一起，實(shí)現(xiàn)水箱內(nèi)熱量向腔內(nèi)相變材料的穩(wěn)定、均勻傳輸。
（4）方腔腔內(nèi)上下貫通，尺寸為100 mm×110 mm×10 mm，材質(zhì)為高透明亞克力板，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄腔內(nèi)相變材料的熔化邊界形態(tài)。方腔頂為一可拆卸密封蓋，便于置換相變材料并減少熱量損失。
（5）金屬蜂窩置于亞克力方腔內(nèi)，底部通過高導(dǎo)熱硅膠與銅板粘接。
（6）待金屬蜂窩粘接牢固后，向方腔內(nèi)灌注正十八烷相變材料，直至淹沒金屬蜂窩。
（7）多路溫度測(cè)試儀由優(yōu)利德中國(guó)股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為UT3208，設(shè)備自帶的K型熱電偶測(cè)量精度為0.1 ℃。方腔內(nèi)5個(gè)K型熱電偶布置間隔為20 mm。
（8）熔化儲(chǔ)熱過程的溫度變化通過預(yù)埋的K型熱電偶實(shí)時(shí)采集并儲(chǔ)存在電腦內(nèi)，溫度采集間隔為1 s。
（9）熔化儲(chǔ)熱過程的邊界形態(tài)演化通過數(shù)碼相機(jī)拍照記錄，拍照間隔為5 min。
為了驗(yàn)證試驗(yàn)裝置中加熱銅板溫度的可靠性，在銅板面上隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，采用熱電偶監(jiān)測(cè)其溫度變化規(guī)律見圖3。測(cè)試結(jié)果表明，打開高溫循環(huán)水閥門后，銅板表面溫度在不到2 min即可達(dá)到設(shè)定值，溫度波動(dòng)值≤0.1 ℃，而加熱面溫度不均勻度≤0.2 ℃，滿足試驗(yàn)測(cè)試溫度要求。試驗(yàn)前，需將潛熱儲(chǔ)能核心部件置于20 ℃的恒溫箱內(nèi)，見圖2(b)，靜置時(shí)間不少于24小時(shí)，以獲得均勻的初始溫度條件。試驗(yàn)時(shí)，將恒溫槽溫度設(shè)定為70 ℃，并用多路溫度測(cè)試儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水槽內(nèi)溫度。待溫度穩(wěn)定后，在30 s內(nèi)完成潛熱儲(chǔ)能核心部件與水槽外循環(huán)的連接。隨后打開閥門，正式開始熔化儲(chǔ)能試驗(yàn)。
圖3 銅板表面溫度變化
2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
圖4為純相變材料熔化邊界演化特征試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。由圖4(a)可知，底部恒溫?zé)嵩聪拢角粌?nèi)純相變材料熔化儲(chǔ)熱初期的熔化邊界基本為直線，且平行于底部熱壁面，該邊界形態(tài)由熱傳導(dǎo)主導(dǎo)的單向傳熱所引起。待熔化至f=0.034時(shí)，熔化邊界將轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)波浪形，該邊界形態(tài)由液相區(qū)內(nèi)形成的瑞利-貝納特流所引起，標(biāo)志著液相區(qū)自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)開始被激活。隨著熔化儲(chǔ)熱的持續(xù)，瑞利-貝納特流中相鄰環(huán)流將相互合并，熔化邊界將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)多波形，但熔化邊界波浪數(shù)與液相環(huán)流數(shù)始終保持一致。自f=0.034起，熔化邊界由隨機(jī)多波形轉(zhuǎn)變?yōu)閱我徊ㄐ?，其中中間區(qū)域的熔化速率顯著大于其他區(qū)域，標(biāo)志著此階段液相區(qū)內(nèi)形成了一個(gè)大的環(huán)流，直至完成熔化儲(chǔ)熱。
圖4 純相變材料熔化儲(chǔ)熱過程
為了研究增強(qiáng)相變材料的熔化儲(chǔ)熱特性，本工作測(cè)試了增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程中的熔化邊界演化規(guī)律，見圖5。由圖5(a)可知，增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程中，熱量將優(yōu)先沿著高導(dǎo)熱金屬網(wǎng)絡(luò)向內(nèi)部快速運(yùn)輸，在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)底層正十八烷的高溫包裹，轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪吶刍瘍?chǔ)熱模式，但底邊熔化速率要高于其他邊，見圖5(b)。當(dāng)腔體邊界正十八烷熔化后，在固液密度差下固相將下沉至腔底，直至全部熔化，見圖5(c)、(f)、(g)。此外，因鋁合金的高導(dǎo)熱特性，會(huì)使得金屬蜂窩網(wǎng)的溫度明顯高于腔內(nèi)正十八烷，形成相鄰雙層腔體內(nèi)正十八烷共熔的現(xiàn)象，見圖5(g)，持續(xù)至完成熔化儲(chǔ)熱。
圖5 金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程
通過對(duì)比純相變材料和增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程中的熱量傳輸與熔化邊界形態(tài)差異性，發(fā)現(xiàn)金屬蜂窩對(duì)相變材料熔化儲(chǔ)能機(jī)理的影響主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
（1）金屬蜂窩構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道，提升了熱傳導(dǎo)率，加速熱量向內(nèi)部的傳輸；
（2）金屬蜂窩高溫包裹相變材料，導(dǎo)致的固相下沉，改變了熔化儲(chǔ)熱模式；
（3）金屬蜂窩網(wǎng)格化分割相變材料，減小了液相流動(dòng)空間，削弱了液相自然對(duì)流傳熱的作用效果。
3 熔化儲(chǔ)能計(jì)算模型
3.1 基本假設(shè)
由上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，在增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程中，存在熱量傳輸、潛熱存儲(chǔ)、固液相變、液相流動(dòng)和固相下沉等現(xiàn)象，涉及到固、流、熱三個(gè)物理場(chǎng)耦合問題。依據(jù)熔化邊界形態(tài)特征，可對(duì)各因素的影響進(jìn)行定性描述，但定量分析需借助先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法。為了構(gòu)建流-固-熱三場(chǎng)耦合下的熔化儲(chǔ)熱控制方程，提出了如下基本假設(shè)：
（1）金屬蜂窩與正十八烷接觸良好，界面熱阻忽略不計(jì)；
（2）液相密度變化引起的浮升力滿足Boussinesq假設(shè)；
（3）液相自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流；
（4）熱物理參數(shù)的固、液相差異性，在模糊區(qū)內(nèi)線性過渡。
3.2 控制方程
基于上述假設(shè)，采用焓-孔法模擬增強(qiáng)相變材料的熔化儲(chǔ)熱過程時(shí)，須同時(shí)滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量定理和能量方程，分別見式(1)、(2)、(3)：
式中，▽是哈密頓算子；u是速度矢量；ρ是密度；t是時(shí)間；p是壓強(qiáng)；μ是液相動(dòng)力黏度；g是重力加速度；α是熱膨脹系數(shù)；T是溫度；Tm是相變溫度；A、ε是模糊區(qū)控制參數(shù)，分別取值為105和0.001；f是液體分?jǐn)?shù)；C是比熱容；k是熱傳導(dǎo)系數(shù)。
液體分?jǐn)?shù)f與熔化溫度Tm、熔化區(qū)間ΔT的關(guān)系為[8]：
當(dāng)f=0時(shí)表示正十八烷處于固態(tài)，當(dāng)f=1時(shí)處于液態(tài)，當(dāng)0<f<1時(shí)處于熔化狀態(tài)。
考慮密度ρ、熱傳導(dǎo)系數(shù)k、比熱容C等熱物理參數(shù)固液相的差異性，依據(jù)液體分?jǐn)?shù)f可表述為：
式中，下標(biāo)s、l分別表示固相、液相；L是相變潛熱；D(T)是高斯分布函數(shù)。
3.3 計(jì)算模型
基于上述控制方程，建立了純相變材料、增強(qiáng)相變材料兩種熔化儲(chǔ)熱計(jì)算模型，見圖6。計(jì)算模型的尺寸與邊界條件與本試驗(yàn)保持一致，底部熱壁面設(shè)置為70 ℃的恒定溫度。AlSi10Mg鋁合金蜂窩和正十八烷相變材料的熱物理參數(shù)見表1。
圖6 計(jì)算模型
表1 熱物理參數(shù)
3.4 計(jì)算工況
為了定量分析增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程中，金屬蜂窩對(duì)熱傳導(dǎo)率提升、液相自然對(duì)流傳熱削弱，以及兩者間的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，本工作設(shè)計(jì)出表2所列4種計(jì)算工況，在遵循單一變量原則下，通過交叉對(duì)比分析逐步解析出各影響因素的貢獻(xiàn)度，進(jìn)而明確金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱機(jī)理。
表2 計(jì)算工況
4 計(jì)算結(jié)果及分析
4.1 計(jì)算模型驗(yàn)證
首先選擇表2中工況4，計(jì)算得金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程見圖7。圖中藍(lán)色表示固相(f=0)，紅色表示液相(f=1)，而中間色表示過渡區(qū)(0<f<1)。
圖7 金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱過程
由圖7可知，在底部恒溫?zé)嵩聪拢饘俜涓C增強(qiáng)相變材料自下而上逐層熔化，且存在多層共熔的儲(chǔ)熱特征。當(dāng)高溫蜂窩壁熔化壁面正十八烷后，固相將下沉至腔底，并在腔內(nèi)形成一對(duì)反對(duì)稱環(huán)流，直至全部熔化。通過與圖5所示實(shí)測(cè)熔化邊界形態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的熔化邊界形態(tài)演化特征基本一致，表明本工作所建立的熔化儲(chǔ)熱計(jì)算模型基本是正確的。
4.2 金屬蜂窩對(duì)熱傳導(dǎo)的增強(qiáng)作用
為了分析金屬蜂窩構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道對(duì)熱傳導(dǎo)的影響，屏蔽液相自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)，僅保留熱傳導(dǎo)傳熱方式，選擇表2中計(jì)算工況1和3，計(jì)算得兩種工況的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線見圖8。
圖8 無對(duì)流下熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線
由圖8可知，在屏蔽液相自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)下，方腔內(nèi)純相變材料完成熔化儲(chǔ)熱所需時(shí)間為tt1=2798.5 min，金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料的總?cè)刍瘯r(shí)間為tt3=70.5 min。采用式(8)計(jì)算熱傳導(dǎo)增強(qiáng)系數(shù)λk，得出金屬蜂窩構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道使熱傳導(dǎo)率提升了39.7倍，顯著提升了熱量傳輸效率。
4.3 金屬蜂窩對(duì)自然對(duì)流的抑制作用
金屬蜂窩在構(gòu)建高導(dǎo)熱通道時(shí)，將正十八烷相變材料分散隔離在5×5的蜂窩網(wǎng)格內(nèi)，極大地縮減了液相的可流動(dòng)空間。由作者前期的研究成果可知，液相自然對(duì)流傳熱增強(qiáng)效果存在顯著的尺寸效應(yīng)。方腔內(nèi)液相自然對(duì)流傳熱增強(qiáng)效果隨著尺寸減小而削弱，故金屬蜂窩將100 mm方腔分割為19 mm后對(duì)自然對(duì)流傳熱起到抑制作用。為了量化金屬蜂窩對(duì)液相自然對(duì)流傳熱的影響，選擇表2中工況1和2，計(jì)算得方腔邊長(zhǎng)分別為L(zhǎng)=100 mm、19 mm時(shí)的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線，見圖9。
圖9 方腔內(nèi)純正十八烷的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線
由圖9可知，無金屬蜂窩時(shí)，邊長(zhǎng)為100 mm的方腔內(nèi)正十八烷在忽略自然對(duì)流傳熱時(shí)完成熔化儲(chǔ)熱所需時(shí)間為tt1=2798.5 min(工況1，L=100 mm)，而考慮自然對(duì)流影響時(shí)總?cè)刍瘯r(shí)間降低至tt2=72.2 min(工況2，L=100 mm)。采用式(9)計(jì)算自然對(duì)流傳熱的增強(qiáng)系數(shù)λc，得出L=100 mm方腔內(nèi)純正十八烷熔化儲(chǔ)熱過程中自然對(duì)流傳熱的增強(qiáng)系數(shù)λc=38.76。同理，當(dāng)方腔內(nèi)嵌入5×5金屬蜂窩后，液相的可流動(dòng)空間將由100 mm×100 mm縮減至19 mm×19 mm，此時(shí)液相自然對(duì)流傳熱的增強(qiáng)系數(shù)被削弱至λc=114.5÷15.5=7.39。通過前后對(duì)比，可量化出金屬蜂窩對(duì)自然對(duì)流傳熱的削弱程度超過了81%。
4.4 熱傳導(dǎo)與自然對(duì)流傳熱的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系
由上述分析可知，金屬蜂窩與正十八烷相結(jié)合構(gòu)成的增強(qiáng)相變材料，通過構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道顯著提升了熱傳導(dǎo)率，但同時(shí)削弱了液相自然對(duì)流傳熱效應(yīng)，即兩種熱量傳輸方式間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。為了評(píng)估兩種熱量傳輸方式間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，選擇表2中工況2和4，計(jì)算得兩種工況的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線見圖10。
圖10 熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線
由圖10可知，純正十八烷熔化分?jǐn)?shù)與時(shí)間關(guān)系曲線近似呈直線，整個(gè)熔化過程儲(chǔ)熱速率基本恒定。與之相反，受高導(dǎo)熱金屬蜂窩的影響，增強(qiáng)相變材料在0<f<0.5前半段的儲(chǔ)熱速率得到了顯著的提升，而0.50<f<1后半段的平均儲(chǔ)熱速率與純正十八烷基本一致，已無增強(qiáng)效果。以總?cè)刍瘯r(shí)間進(jìn)行比較，增強(qiáng)相變材料完成熔化儲(chǔ)熱所需時(shí)間為43.2 min，與純正十八烷的總?cè)刍瘯r(shí)間72.2 min相比，整體熔化儲(chǔ)熱效率提升了67.1%。
4.5 蜂窩結(jié)構(gòu)的影響
為了進(jìn)一步研究蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱的影響，補(bǔ)充計(jì)算1×1、2×2、3×3、4×4蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線，見圖11。結(jié)合圖10計(jì)算結(jié)果，獲得總?cè)刍瘯r(shí)間與蜂窩數(shù)目的關(guān)系曲線見圖12。不同蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的熔化邊界形態(tài)及液相流動(dòng)特征見圖13。
圖11 不同蜂窩結(jié)構(gòu)的熔化分?jǐn)?shù)-時(shí)間關(guān)系曲線
圖12 總?cè)刍瘯r(shí)間與蜂窩結(jié)構(gòu)的關(guān)系曲線
圖13 蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)熔化形態(tài)及流動(dòng)狀態(tài)的影響(f=0.5)
由圖12可知，底部熱源下，當(dāng)純正十八烷采用1×1的金屬方腔封裝后，其熔化儲(chǔ)熱效率得到了大幅提升。其原因可由圖13(a)、(b)進(jìn)行解釋：①高導(dǎo)熱金屬壁加速了熱量的傳輸，增大了方腔內(nèi)正十八烷的受熱面積；②固相沉入腔底后始終與高溫?zé)岜诿嬷苯咏佑|，加速了熱量的傳輸。隨著蜂窩數(shù)目的增加，增強(qiáng)相變材料完成熔化的總時(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)是由熱傳導(dǎo)提升和自然對(duì)流傳熱削弱相互競(jìng)爭(zhēng)引起的。蜂窩數(shù)在(1×1)~(3×3)的范圍內(nèi)時(shí)，熱量傳輸由液相自然對(duì)流傳熱所主導(dǎo)；當(dāng)蜂窩數(shù)目大于3×3后，熱量傳輸將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俜涓C熱傳導(dǎo)主導(dǎo)，且總?cè)刍瘍?chǔ)熱時(shí)間隨著蜂窩數(shù)增加而持續(xù)線性減小。在進(jìn)行鋁合金蜂窩/正十八烷增強(qiáng)相變潛熱儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避開3×3的蜂窩結(jié)構(gòu)。
需要注意的是，隨著蜂窩數(shù)目的增加，總?cè)刍瘯r(shí)間呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)以及熱量傳輸由液相自然對(duì)流主導(dǎo)向金屬蜂窩熱傳導(dǎo)主導(dǎo)的主控機(jī)制轉(zhuǎn)變均不受材料類型的限制，具有普遍適用性。但是，3×3的臨界值是本工作所設(shè)計(jì)的鋁合金蜂窩/正十八烷增強(qiáng)相變材料的特定解，該臨界值是由正十八烷液相自然對(duì)流傳熱和鋁合金蜂窩熱傳導(dǎo)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。當(dāng)相變材料更改為脂肪酸、水合鹽等，金屬蜂窩修改為泡沫銅、泡沫鎳等其他材料后，臨界值可按照本工作的計(jì)算方法更新，相應(yīng)的計(jì)算方法具有普遍適用性。
5 結(jié) 論
本工作針對(duì)金屬蜂窩增強(qiáng)相變材料的熔化儲(chǔ)熱性能問題開展試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：
（1）本工作設(shè)計(jì)的循環(huán)水加熱系統(tǒng)可提供波動(dòng)值≤0.1 ℃、不均勻度≤0.2 ℃的穩(wěn)定熱壁面條件，滿足恒定溫度下的相變材料熔化儲(chǔ)熱試驗(yàn)測(cè)試溫度要求。
（2）與純相變材料相比，金屬蜂窩主要通過提升熱傳導(dǎo)率、削弱自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)以及改變?nèi)刍瘍?chǔ)熱模式等方式影響熔化儲(chǔ)熱效率。以5×5金屬蜂窩為例，其構(gòu)建的高導(dǎo)熱通道使得熱傳導(dǎo)率提升39.7倍，同時(shí)將液相自然對(duì)流傳熱效應(yīng)削弱至19.1%，整體熔化儲(chǔ)熱效率提升率為67.1%。
（3）在熱傳導(dǎo)提升與自然對(duì)流削弱的競(jìng)爭(zhēng)下，增強(qiáng)相變材料熔化儲(chǔ)熱效率呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，其中3×3蜂窩結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱效率最低。蜂窩數(shù)目在(1×1)~(3×3)的范圍內(nèi)時(shí)，熱量傳輸由液相自然對(duì)流傳熱所主導(dǎo)；當(dāng)蜂窩數(shù)目大于3×3后，熱量傳輸將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俜涓C熱傳導(dǎo)主導(dǎo)。
