泡沫铜作为填充材料的相变储热实验.pdf
2007年9月第33卷 第9期北 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal ofBeijingUniversity ofAeronautics and AstronauticsSeptember2007Vol.33No19 收稿日期:2006209215 基金项目:航空科学基金资助项目(2004ZE51048);教育部博士点基金资助项目(20040006012)作者简介:张 涛(1981-),男,云南昆明人,博士生,.泡沫铜作为填充材料的相变储热实验张 涛 余建祖(北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京100083)摘 要:对填充有泡沫铜的固 2 液相变储热装置进行了试验研究.采用纯度为98%的正21烷(C21H44)作为相变材料(PCM),通过抽真空灌注的方法将其灌注到泡沫铜内部,封装并作绝热处理后作为试验件.在进行储热试验时,用嵌入了加热棒的铝制底座模拟被散热件对试验件加热,利用探针式和贴片式铂电阻(pt100)测量试验件温度并通过数据采集仪进行采集.整理绘制了在不同加热功率下的温度时间曲线,讨论和分析了此装置的热性能,结果表明泡沫铜作为填充材料能明显改善相变储能装置的传热性能和内部温度均匀性.关 键 词:泡沫铜;相变材料;石蜡;热性能中图分类号:TK 02文献标识码:A 文 章 编 号:100125965(2007)0921021204Experi m ent of solid2liquid phase change in copper foamZhang TaoYu Jianzu(School ofAeronautic Science and Engineering,BeijingUniversity ofAeronautics and Astronautics,Beijing 100083,China)Abstract:The ther mal perfor mance of solid2liquid phase change thermal storage device which embeddedwith copper foam was investigated.The 98%pure Heneicosane(C21H44)was used as the phase change mate2rial(PCM),and itwas filled in the copper foam through a vacuuming procedure.The PCM and the copperfoam were sealed and insulated to get the test vessel.An aluminum bed plate which embedded with heatingrodswas used to heat the test vessel,and the temperature of the vesselwasmeasured by some plate2type andprobe2type platinum2resistance thermocouples(pt100)and collected by a data acquisition unit.The tempera2ture variation curves under various heating powerwere plotted and the resultswere discussed.Experimental re2sults indicate that,the thermal conductivity and perfor mance of the phase change ther mal storage device is ob2viously improved while copper foam as a heat transfer enhancement.Key wo rds:copper foam;phase change material(PCM);paraffin wax;ther mal perfor mance 随着现代电子和光学等技术的进步,以及对航空航天飞行任务要求的提高,出现了一系列具有超高热流密度、短时和间歇工作的大功率组件,如激光武器、行波管和机动飞行控制系统等.这类系统的短时峰值发热量大大地超过了平均发热量,如星载雷达上的组合遥感器,其峰值辐射功率大于2 000W,峰值工作时间占总时间的20%,而平均功率则小于600W1.传统上对这类系统有两种的散热设计:根据峰值功率工况进行设计和根据平均功率工况进行设计.前者的优点是可以保证在整个运行过程中电子设备温度都能保持在设计值以内,但其缺点是造成系统重量和体积过大,能耗大,且大多数情况下容量过剩;后者所设计的系统会有较小的体积和重量,但在峰值功率工况下运行时由于散热量不足会引起电子设备温度过高甚至烧毁,这使得其热可靠性明显降低并且也大大缩短了电子设备的使用寿命.固 2 液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热,能有效地解决短时、周期性大功率电子器件的散热问题,在国外航空、航天和微电子等系统上得到越来越广泛应用2-3.但是常用的相变材料普遍具有导热率较低的缺点,难以满足现代高科技系统和装备上作业任务的要求.为了改善相变储热装置的导热性能,通常在其中添加金属翅片、金属网格、金属或石墨粉末等填充材料,国内外许多研究人员都在这方面作了大量工作4-5.其中文献4 研究了翅片分布对相变储能装置热性能的影响,证明了随着翅片分布的细化相变装置的热性能得到逐渐改善;文献5 中运用泡沫铝作为填充材料制作了相变储能装置,试验表明相变储热装置热性能得到明显改善.本文采用泡沫铜作为填充材料加工制作了相变储能装置,通过试验测得其温度曲线,并对传热性能进行了分析讨论,结果表明泡沫铜能提高相变储能装置内部温度的均匀性和增强热传导能力,相变储能装置整体热性能得到明显改善.1 相变储能装置1.1 材料选择泡沫铜是一种在铜金属基体中均匀分布着大量连通和不连通的孔洞的新型轻质多功能材料,具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点6,其结构如图1所示.为了在相变储能过程中利用泡沫铜的各种特性,应选用孔径小、空隙率高的泡沫铜材料,但同时要考虑到相变材料的可填充问题和保证其充装量,试验中选用孔径23mm、空隙率为95%的通孔型泡沫铜作为填充材料.图1 泡沫铜结构照片石蜡类相变材料主要由直链烷烃混合而成,可用通式CnH2n+2表示,其熔点和熔解热随碳链的增长而增大,表1中列出了部分石蜡的热物性.本次试验中选择熔化温度为40.6、纯度98%的正21烷(C21H44)作为相变材料.1.2 加工制造相变储能装置外形尺寸为300mm200mm33mm,装置外壳采用厚度为3mm的铜合金板材加工焊接而成.为了减小接触热阻,铜壳的内表面需加工得光滑平整,并且泡沫铜与铜壳之间采用过盈配合,通过挤压的方式将泡沫铜嵌入后再把上盖压合焊接,形成储热装置的结构件.在进行相变材料灌注时,由于泡沫铜孔径很小,普通灌注方法由于石蜡的粘性会使得泡沫铜通孔内残留大量气泡,这样不仅大大减少了储热装置中相变材料的含有量,并且残留的气泡还会造成较大热阻,降低储热装置传热性能.试验中使用专门设计制造的石蜡真空熔灌系统为试验件抽真空灌注石蜡,真空度(Pa):10.0,这样通过泡沫铜的高连通性和较高的真空度保证了相变材料填充的均匀度.试验装置的组装体系结构示意图如图2所示.表1 石蜡类相变材料热物性名称相变点/相变潜热/(kJkg-1)比热/(Jkg-1K-1)导热系数/(Wm-1K-1)C18H3827.6#244#2231.90.27C19H4023332#51.213162.93#2241.90.27C20H4236.8#241#2350.00.274C21H4432.6340.652.23160.84#2247.00.28C22H4641.3342.0#117.033128.01#2379.30.293 注:3 代表从晶型II 晶型I的固 2 固相变潜热;#代表从晶型I 液态的固 2 液相变潜热.图2 试验系统组装示意图 为防止后期试验加热熔化过程中石蜡体积改变产生过大的膨胀应力,灌注过程保持整个系统温度稳定在70(试验过程中的上限温度),灌注后进行密封处理,使装置在冷却后留有一定真空空隙.组装完成后的试验装置如图3所示.图3 相变储能装置照片1.3 热性能测试试验主要是检验泡沫铜对相变装置导热性能的增强作用以及测试储能装置在工作过程中温度的均匀性.采用嵌入电加热棒的加热底座模拟发2201北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 2007年 热的电子组件给储能装置加热,加热功率通过可控硅调功器控制.为了测试储能装置的热性能,将试验件分为4个温度层,其中在上表面温度层布置了5个贴片式pt100温度传感器,内部3层分别布置了5个探针式pt100温度传感器,所有传感器均连接到安捷伦数据采集仪上实时观测和记录各点温度数据,测温点布置示意图如图4所示.图4 测温点布置示意图(单位:mm)试验在大气环境下进行,环境温度21,装置除上表面外,其余各面均采用绝热棉包裹以绝热,包裹厚度大于50mm,这样保证了热流从底板完全进入储热装置中,便于试验结果的分析.试验时储能装置水平放置,试验工况见表2.表2 试验工况设计工况/(Wm-2)设计加热功率/W实际加热功率/W实际工况/(Wm-2)2501514.1234.25003035583.3100060671116.720001201252083.32 热性能测试结果及分析根据表2的设计工况对相变储能装置进行试验,温度采集时间间隔为10 s,整理并绘制了各个测温点的温度 2 时间曲线,结果见图5图13,其图5250W/m2工况下热平衡时各温度层平均温度分布中“x0y”代表第x测温层y号测温结点的温度曲线.从图5 图13可以看出:1)由于装置采用铜壳封装,四壁的导热能力高于内部泡沫铜与石蜡混合体的导热能力,使得热量传递并不是严格的一维导热.如图5所示,功率密度为250W/m2工况下经过16 h后所达到的热平衡状态,从底部第1温度层至顶部第4温度图6250W/m2工况下装置温度随时间的变化图7250W/m2工况下装置内部最大温差随时间变化图8500W/m2工况下装置温度随时间的变化图9500W/m2工况下装置内部最大温差随时间变化图101000W/m2工况下装置温度随时间的变化3201 第9期 张 涛等:泡沫铜作为填充材料的相变储热实验图111000W/m2工况下装置内部最大温差随时间变化图122000W/m2工况下装置温度随时间的变化图132000W/m2工况下装置内部最大温差随时间变化层,温度梯度逐渐增大,说明在热量传递过程中通过泡沫铜与石蜡混合体所传递的热量不恒定,故不能通过此次试验定量确定出泡沫铜与21烷混合体的有效导热系数,但从底部与顶层之间温差仅在2 以内可以看出,装置整体的导热能力有了明显改善;2)由于热量传递并不是严格的一维导热,同一测温层各区域不是同时达到相变温度,温度曲线在相变过程仍然存在一较小斜率,如图6、图8、图10、图12所示;3)相变储能试验装置很好地延缓了电子组件升温过程,在功率密度2 000W/m2的情况下仍有一个多小时的温升缓冲时间(见图12),保证了电子元器件长时间保持较低工作温度的需要;4)泡沫铜作为相变储能装置的填充材料,大大提高了储能装置内部的温度均匀性,使得装置内部无论是在固态、液态还是相变过程中,都保持了较小温差,如图7、图9、图11、图13所示;5)在相变过程中,装置内温差逐渐增大,在两个相变结束点时装置内温差达到最大,这是由于在接近相变结束时,靠近热源的部分最先完成相变,开始快速升温,而远离热源的部分还在进行着相变过程,并且由于热量泄漏等原因使得这部分所接受的热量又小于靠近热源部分,故温度上升较慢,形成了温差增大的现象.但可以看出,由于泡沫铜对装置内部温度的拉平作用,使得最大温差基本也在10 以内,并且大温差所持续的时间比较短暂.3 结 束 语泡沫铜作为相变储能装置填充材料大大增强了储能装置的传热性能,提高了装置内的温度均匀性,使得热量能迅速被相变材料所吸收,如果与风扇或制冷工质回路等主动冷却系统相结合,可以很好地解决航天器和航空器上高热流密度、短时和间歇性大功率组件的温控问题.参考文献(References)1 王爱华,梁新刚,任建勋.航天器短时大功率排热系统质量分析J.清华大学学报(自然科学版),2004,44(8):1130-1133WangAihua,Liang Xingang,Ren Jianxun.Weight analysis ofspacecraft heat rejection systems with high heat rejection rateJ.Journal of Tsinghua University,2004,44(8):1130-1133(in Chinese)2 谢晓峰,陈爱英.新型蓄能技术 2 相变蓄能J.株洲师范高等专科学校学报,2003,8(5):13-17Xie Xiaofeng,Chen Aiying.New technology of energy storage2phase change energy storage J.Journal of Zhuzhou TeachersCollege,2003,8(5):13-17(in Chinese)3 张寅平,胡汉东,孔祥东.相变储能 理论和利用M.合肥:中国科技大学出版社,1996:22-25Zhang Yinping,Hu 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