泡沫复合相变材料储放热过程的实验数值模拟研究

正十八烷／泡沫相变复合材料蓄热实验研究张靖驰;盛强;童铁峰;任维佳【期刊名称】《制冷学报》【年(卷),期】2016(037)006【摘要】通过实验对相变复合材料的相变过程进行研究，将相变材料正十八烷（C18）分别填充到泡沫铜和泡沫碳中来提高相变材料的导热性能，采用差示扫描量热法（ DSC）分析了正十八烷相变材料的热物性。

利用相变蓄热装置对三种不同材料（ C18、C18／泡沫碳、C18／泡沫铜）进行蓄放热对比实验，记录温度测试数据，分析这三种不同材料的温控性能与蓄热能力，并与正十八烷的结果对比。

结果表明：泡沫材料的填充大幅提高相变材料的温控性能，使蓄热装置温度分布更均匀。

【总页数】5页(P61-65)【作者】张靖驰;盛强;童铁峰;任维佳【作者单位】中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心北京 100094; 中国科学院大学北京 100049;中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心北京 100094;中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心北京 100094;中国科学院太空应用重点实验室中国科学院空间应用工程与技术中心北京 100094【正文语种】中文【中图分类】TB34;TK02【相关文献】1.硅藻土吸附正十八烷高相变焓复合相变材料的制备及其性能研究 [J], 宋秀龙;康虹;高向华;许并社;魏丽乔;马森源2.铜纳米粒子强化正十八烷相变传热性能的实验研究 [J], 李庆领;王艳;路海滨;周艳3.纳米金属粒子强化正十八烷相变传热性能的实验研究 [J], 周艳;张金辉;王艳;路海滨;李庆领4.石蜡/泡沫碳相变复合材料的制备及蓄热实验∗ [J], 张靖驰;盛强;童铁峰;任维佳5.正十八烷/OBC/EG复合定型相变材料制备及热物性 [J], 何起帆;吴闽强;李廷贤;王如竹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

论泡沫金属复合相变材料制备及性能一些相变材料在经过多次熔化/凝固循环后会发生相分离、过冷现象和相变点温度、体积变化等问题,这大大地限制了它们的使用。

因此,一种相变储能装置的成功应用主要取决于选用相变材料的热稳定性,通过相变材料反复的热循环试验查看其热物性变化确保该储能装置可以长期稳定运行[18]。

本文采用0～120℃低温相变温度区的单位体积相变焓最高的结晶水合盐——八水氢氧化钡（Ba(OH)2•8H2O）。

经过150次热循环试验分析其主要热力学参数的变化情况,并设计制备了三套八水氢氧化钡的相变潜热储能装置,通过实验测试分析了填充多孔金属泡沫对结晶水合盐性能的影响。

实验材料和方法1.实验材料八水氢氧化钡为分析纯（纯度≥98%）；一组泡沫铜的孔密度（poresperinch,PPI）为10,孔隙率为97.13%,另一组泡沫铜PPI为25,孔隙率为96.58%。

2.泡沫复合相变材料的制备应用泡沫铜为载体,Ba(OH)2•8H2O为相变材料,制备复合相变储能材料。

由于Ba(OH)2•8H2O在熔融状态下极易与空气中的二氧化碳发生反应,需要使用真空加热炉对八水氢氧化钡进行均匀加热,固态的Ba(OH)2•8H2O熔化为液态,完成Ba(OH)2•8H2O相变储能材料在氩气保护的条件下进行多孔材料吸附和填充。

为了避免相变储能装置在导热过程中出现不良影响,对泡沫铜与相变储能装置空腔采用微过盈配合。

并再次对装配泡沫铜的相变储能装置在真空充氩条件下均匀加热,二次填充熔融状态下的Ba(OH)2•8H2O,这样反复操作,尽可能提高Ba(OH)2•8H2O的填充量。

在填充相变材料过程中发现,由于泡沫铜的毛细力和表面张力的配合作用,熔融状态的相变材料一般不易渗出,从而克服了相变材料在制备工艺中液相流动问题。

3.八水氢氧化钡热循环实验相变材料经过反复多次熔化/凝固过程,为了确保相变储能系统具有较长的使用寿命,要求相变材料在反复吸热/放热循环之后其相变温度与相变潜热保持稳定。

摘要蓄能技术，尤其是蓄热技术，与太阳能光热利用系统集成耦合，可有力解决太阳能间隙性问题，提高太阳能热利用品质和利用效率，为光热利用系统提供稳定的能流输出。

为解决工程常见的相变材料热导率低、蓄/放热系统效率不高的关键问题，选取石蜡为蓄热介质，设计了一种水平管内填充泡沫金属的蓄热单元，探究相同蓄热工况(70.0 ℃蓄热)、不同放热流体温度(10.0 ℃、15.0 ℃、20.0 ℃、25.0 ℃、30.0 ℃)下泡沫金属内嵌石蜡的凝固相变行为。

通过高清相机拍摄得到凝固相界面的实时位置，通过热电偶测量获得凝固过程中内部温度响应规律。

实验结果表明，冷流体温度越低，凝固速率越快；相比较30.0 ℃的放热工况，冷流体为10.0 ℃时石蜡完全凝固时间缩短了52.0%。

同一径向距离测点的竖直高度越高，温降越快，其温度响应率也越大；但轴向位置对凝固测点温度变化影响差异不大。

以1b测点的温度响应值为基准进行比较，10.0 ℃、15.0 ℃、20.0 ℃、25.0 ℃、30.0 ℃冷却工况下1a点温度响应率分别提高了7.2%、8.8%、10.3%、10.8%、11.7%。

本研究有助于推广泡沫金属相变蓄热器的工程应用，为泡沫金属内嵌固液相变材料的结构设计与运行参数选取提供指导和帮助。

关键词相变放热；水平管壳式换热器；泡沫金属；换热流体温度；相界面太阳能具有清洁、零排放、无污染、储量大的特点，是众多可再生能源中极具潜力的能源形式。

通过太阳能低温光热利用可满足生活热水、建筑供暖等重要需求，是实现建筑低碳运行的有力措施。

然而，太阳能存在时空分布不均、昼夜/季节波动大等问题，严重限制了太阳能低温光热利用效率与供能品质。

蓄能技术，尤其是蓄热技术，与太阳能光热利用系统集成耦合，可有力解决上述问题，提高太阳能热利用品质和利用效率，为光热利用系统提供稳定的能流输出。

相较于其他两种蓄热技术(即显热蓄热与热化学蓄热)，固液相变蓄热技术具有蓄热密度大、易维护、蓄/放热过程温度恒定等优势，尤其是放热过程温度恒定的特点与建筑供暖运行特点高度契合，在太阳能低温光热利用中具有得天独厚的优势。

2013—2014学年度第一学期信息检索与利用专题检索报告课题：泡沫铜复合相变材料动力电池散热学院材料与能源学院专业热电班级 12级1班学号 3112007119姓名谭健康指导教师2013年10 月日泡沫铜复合相变材料动力电池散热相关概念：（1）泡沫铜：泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料，其导电性、导热性和延展性好。

（2）相变材料：相变材料指随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质。

转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。

（3）动力电池：动力电池即为工具提供动力来源的电源，本课题指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

选题原因：当今年代化石燃料紧缺，环境污染严重，电力逐渐发挥其环保、廉价、便捷的优势，在运输、工业、化工等行业中获得越来越高的地位。

然而在大容量，高效率的电池方面，安全系数并不是很高，原因是这种电池的发热特别大，加上电池能量密度非常高，导致电池容易发生爆炸现象，造成人们生命和财产的损失，特选此为课题，帮助电池在更多的领域发挥更大的作用。

可行性：所用材料均为常见且廉价的材料，石蜡相变潜热大，泡沫铜增强石蜡的导热系数，可以更快的带走大量电池散发的热流量。

检索词：（1）泡沫铜、散热(2)相变材料（PCM - Phase Change Material）、散热（3）燃料电池（Battery）、散热（4）泡沫铜、填充、相变材料（5）泡沫材料、电池散热（6）动力电池、散热（7）相变材料、导热系数（thermal conductivity）（8）泡沫铜石蜡检索情况：等、、检索结果：（1）泡沫复合相变材料储放热过程的实验数值模拟研究盛强邢玉明．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１００１９１；．黑龙江大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０）（2）泡沫金属的特点、应用、制备与发展陈文革张强西安理工大学材料科学与工程学院, 陕西西安710048西安惠宇金属基复合材料公司, 陕西西安710000（3）水在开孔泡沫铜中的池沸腾传热特性程云１，李菊香２，莫光东３（１中建安装石化工程设计院，江苏南京２１００４６；２南京工业大学能源学院，江苏南京２１０００９；３扬子石化－巴斯夫有限责任公司，江苏南京２１００４８）（4）翅片－泡沫铜复合结构的导热增强作用迟蓬涛，高红霞，余建祖，谢永奇（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京１００１９１）（5）使用泡沫铜增强相变材料换热性能的实验研究唐小梅，于航(同济大学机械工程学院，上海201804)（6）基于泡沫铜／石蜡的动力电池散热性能研究张国庆，张文静，张云云，张江云（广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１０００６）（7）相变装置中填充泡沫金属的传热强化分析张涛余建祖(北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083)外文文献：（1）Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageing LiFePO4 power battery（仿真和实验的热能管理与相变材料磷酸铁锂动力电池老化情况）Zhonghao Rao, Shuangfeng Wang, Guoqing Zhang摘要：Thermal energy management performance of ageing commercial rectangula r LiFePO4 power batteries using phase change material (PCM) and therm al behavior related to thermal conductivity between the PCM and the c ell are discussed in this paper.（热能管理性能的磷酸铁锂动力电池老化商业矩形使用相变材料(PCM)和热行为与热导率和细胞之间的PCM进行了探讨。