儲能科學與技術 - 《儲能科學與技術》推薦|柴進等：納米顆粒協同肋片強化相變材料傳熱性能試驗－鑽石舞台

Nov 07 Mon 2022 15:01
儲能科學與技術 - 《儲能科學與技術》推薦|柴進等：納米顆粒協同肋片強化相變材料傳熱性能試驗

作者：柴進王軍倪奇強

單位：江蘇大學汽車與交通工程學院

引用：柴進,王軍,倪奇強.納米顆粒協同肋片強化相變材料傳熱性能試驗[J].儲能科學與技術,2022,11(10):3161-3170.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0021

摘要以石蠟作為相變材料(phase change material，PCM)，設計並搭建了一套PCM傳熱強化試驗系統，在PCM中加入了高導熱率納米顆粒和金屬肋片，結合溫度數據採集系統對PCM熔化過程進行了試驗測試，對PCM內部不同測點的溫度變化趨勢進行了分析，研究了納米顆粒質量分數和肋片數對PCM傳熱性能的影響。結果表明：添加納米顆粒可有效提升PCM溫升速率，0.06%(質量分數，余同)石墨烯/PCM溫升速率較高，與其他組分的石墨烯/PCM相比傳熱效果更好；加入肋片可加快PCM內部溫度響應，9肋片/PCM的整體傳熱性能優於其他數量的肋片/PCM；納米顆粒協同肋片結構可促進PCM傳熱性能的提升，9肋片、0.06%石墨烯/PCM與9肋片、0.09%石墨烯/PCM啟動時間早，溫升幅度高，傳熱性能好，為強化PCM傳熱性能中的較優組合。

關鍵詞納米顆粒；肋片；相變材料；傳熱性能

相變材料(phase change material，PCM)作為高潛熱儲能介質，可在相變過程中保持溫度近似恆定，並以潛熱的形式吸收和釋放大量熱能，基於PCM潛熱特性的相變儲能技術可削弱熱源的溫度波動，增強系統溫度穩定性，故在電池熱管理、工業餘熱回收、太陽能熱利用[3]和建築熱調控等領域具有廣闊的應用前景。然而，PCM普遍存在導熱性能較低的缺點，在實際應用中其較低的熱導率會成為傳熱的主要障礙，進而影響其作為熱管理系統的工作效率和整體性能。

近年來，國內外學者在增強PCM的傳熱性能方面進行了大量的工作，科研人員嘗試在PCM中加入金屬肋片以增大傳熱面積，從而提升整體傳熱性能。楊賓等通過搭建傳熱方腔試驗台對肋片強化石蠟PCM傳熱進行了研究，記錄分析了傳熱過程中的溫度-時間數據，結果表明，在儲熱系統中加入肋片可加快PCM內部溫度響應，提高PCM熔化速度。Mostafavi等通過數值模擬對PCM中肋片的溫度分布進行了研究，計算結果表明，存在合適的肋片尺寸，使得翅片傳熱量較大，整體傳熱性能較好。Hosseinizadeh等對肋片在PCM中的傳熱性能進行了試驗和數值研究，發現增加肋片數量和高度可顯著提高PCM傳熱性能，但肋片厚度的影響較小。

納米顆粒具有較強的界面效應和大的比表面積，在提升PCM導熱性能方面具有明顯優勢，將高導熱納米顆粒嵌入到PCM中製備複合PCM(composite phase change material，CPCM)逐漸成為研究熱點，Sahan等對Fe3O4/石蠟PCM進行了增強熱導率的研究，結果表明，相較於純PCM，Fe3O4質量分數為10%和20%時，CPCM的熱導率分別提高了48%和60%，且潛熱提升了3.3%和8.8%。Shafee等通過數值模擬對CuO/水的凝固過程進行了研究，結果表明，CuO納米顆粒的體積分數對水凝固性能的影響大於顆粒形狀的影響，水的凝固速度隨CuO的體積分數增大而增大。Aqib等在石蠟PCM中分別添加了2%、4%和6%的多壁碳納米管，對CPCM的內部溫度進行了對比，結果表明，隨納米管質量分數的增加，PCM溫升速率提高，含6%多壁碳納米管的石蠟基CPCM的溫升效果和傳熱性能較好。然而Sun等製備了不同組分的石墨/石蠟PCM和椰殼炭/石蠟PCM，利用熱電偶和紅外攝像機對CPCM的傳熱性能進行研究後發現，納米顆粒質量分數的過度增加會導致黏度增大，抑制自然對流，削弱傳熱效果。

綜上，肋片的確可大幅提高PCM傳熱性能，但過度增加肋片數量和尺寸會影響PCM的整體布置空間；高導熱納米顆粒可於PCM內部形成導熱網絡，在保持系統輕量化的同時大幅提升PCM傳熱性能，但過量加入納米顆粒反而會導致CPCM穩定性下降，減弱其傳熱性能，可見肋片數量、尺寸與納米顆粒質量分數均存在最優範圍使得PCM傳熱性能較佳。目前，已有部分學者對肋片協同納米顆粒強化PCM傳熱展開了研究，但關於此方面的研究仍然較少，尤其是肋片數量與納米顆粒質量分數對於強化PCM傳熱的影響仍有待探究。本工作在PCM容器中布置肋片並加入納米顆粒，搭建PCM傳熱強化試驗系統，深入研究不同數量肋片和不同質量分數石墨烯納米顆粒對PCM相變過程及傳熱性能的綜合影響，探究肋片數量與納米顆粒質量分數在強化PCM傳熱性能中的較優組合。

1 複合相變材料及傳熱強化試驗系統

1.1　複合相變材料製備及肋片布置方案

採用兩步法製備了不同質量分數石墨烯納米顆粒的石蠟基CPCM，製備過程如圖1所示，具體材料參數如表1所示。首先，利用高精度分析天平稱取4份160 g石蠟，將石蠟分別加入300 mL燒杯中，再將其放置在集熱式磁力攪拌器的90 ℃恆溫水浴鍋中加熱熔化。石蠟完全熔化後，將已稱取的0.048 g、0.096 g、0.144 g石墨烯分別加入其中，利用鋁箔紙將燒杯口密封，先通過磁力攪拌60 min，再通過超聲波水浴儀震盪處理60 min，實現納米顆粒均勻分散，最後製成石墨烯質量分數分別為0%、0.03%、0.06%及0.09%的CPCM，將其依次命名為CPCM0、CPCM1、CPCM2與CPCM3。

圖1複合相變材料製備過程

表1材料參數

為分析肋片數量對強化PCM傳熱性能的影響，搭建如圖2所示的肋片強化裝置，該裝置操作性強，易拆裝，可搭載不同數量的肋片，亦可做到完全可視化，便於PCM體積的精準控制，能較大程度降低試驗誤差。此裝置由300 mL平底燒杯、57孔孔板以及直徑4 mm的純銅肋片構成，其中孔板為不鏽鋼材質，孔徑4 mm，孔距7 mm，厚度2 mm。該裝置分為3組進行布置，各組依次布置有1、5、9根肋片，編號為F1、F5及F9。圖2中，F1肋片布置在孔板中心位置；F5在第三圈位置圍繞中心再次添加4根肋片；F9在F5基礎上於外圈依次布置4根肋片。

圖2肋片強化裝置

1.2　傳熱強化試驗系統

試驗所用設備主要參數如下，STA499F3綜合熱分析儀(德國耐馳)，包含差示掃描量熱(differential scanning calorimetry，DSC)分析系統，DSC靈敏度1 μW；YM-010S超聲波水浴儀(深圳潔盟超聲儀器有限公司)，加熱功率100 W，超聲功率80 W；DF-101S集熱式恆溫加熱磁力攪拌器(上海力辰儀器科技有限公司)，最高轉速為2600 r/min，最高加熱溫度為300 ℃；HC1004高精度電子天平(上海花潮電器有限公司)，其稱量精度為0.0001 g；V-1515恆溫加熱平台(東莞威鐵克自動化科技有限公司)，工作電壓220 V，功率400 W，工作面積150 mm×150 mm；THJ多路溫度巡檢儀(餘姚騰輝溫控儀表廠)，可同時採集16路溫度，誤差在±0.1 ℃以內，溫度測量採用型號為SA1-TT-K-30-SEL的K型熱電偶(蘇瑪電器儀表有限公司)，其測溫範圍-200～500 ℃。

為記錄PCM內部溫度變化，觀察其傳熱過程，分析不同質量分數石墨烯和不同數量肋片對PCM傳熱性能的強化作用，搭建了如圖3所示的PCM傳熱強化試驗系統。該試驗系統利用恆溫加熱台對燒杯進行80 ℃恆溫加熱，加熱時長為90 min，以保證PCM可完全相變。加熱後燒杯被放置在鋪有石棉材料的工作檯上進行自然冷卻，其中燒杯底部與加熱台工作面之間填充有4.5 W/(mol·K)的GK-860-A導熱硅脂，外壁面裹有石棉進行隔熱處理。燒杯內部布置K型熱電偶進行測溫，所測得的溫度數據由溫度巡檢儀輸入計算機。

圖3複合相變材料傳熱強化試驗系統

為在納米強化型PCM和肋片強化型PCM內部獲取具有代表性的溫升情況，試驗中採用兩種熱電偶布置方式，分別為垂直分段式與螺旋式熱電偶布置，如圖4所示。垂直分段式熱電偶用於測量CPCM內部溫度特徵；螺旋式熱電偶用於測量肋片強化裝置中PCM內部溫度特徵。圖4(a)中，石英柱經由不鏽鋼孔板垂直固定在燒杯中心處，4組測溫深度不同的熱電偶固定於石英棒上，呈垂直等距排布，距燒杯底面依次為0 mm、15 mm、30 mm、45 mm，測點分別命名為底面、底部、中部、上部。圖4(b)中，利用4根石英柱將熱電偶布置在不鏽鋼孔板的第四圈孔洞上，控制其測溫探頭螺旋式上升，上升高度依舊為0 mm、15 mm、30 mm、45 mm。

圖4熱電偶布置方式

2 強化相變材料傳熱試驗分析

2.1　材料表徵分析

採用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)對石墨烯樣品進行微觀形貌測試，測試結果如圖5所示。由圖5(a)中的石墨烯SEM圖像可見，此納米顆粒呈褶皺狀的多片層結構，層數為6～10層，排布緊密，說明石墨烯正反兩面均可與其他分子相接觸，從而大幅降低接觸熱阻。結合圖5(b)中的石墨烯TEM圖像可知，多層石墨烯蜷曲較少，且石墨烯高導熱方向為片層延伸方向，故熱量增加帶來的分子震動動能可通過石墨烯進行快速有序傳播，從而提升納米複合材料熱導率。

圖5石墨烯微觀形貌特徵

採用綜合熱分析儀在氮氣氣氛中以10 ℃/min的升溫速率對CPCM進行差示掃描量熱分析，得到相變特性曲線如圖6所示。由圖6可見，四種CPCM均在52～53 ℃處出現吸熱峰，發生相變，說明石墨烯含量對PCM相變溫度的影響較小。通過對吸熱峰面積進行數值積分，經計算分析可知，CPCM0熔化潛熱為177.4 J/g，相比於CPCM0，CPCM1熔化潛熱增加5.8%，CPCM2和CPCM3熔化潛熱分別增加16.3%和21.2%，由此可知，石蠟PCM相變潛熱隨石墨烯質量分數的增加而增大。

圖6複合相變材料DSC曲線

2.2　納米強化型相變材料傳熱性能試驗

將不同質量分數石墨烯的CPCM加入燒杯中依次進行熔化試驗，其內部各測點溫度變化趨勢如圖7所示。由圖7可見，CPCM在傳熱過程的整體溫升趨勢類似，在熔化初期(階段Ⅰ)，由於底面靠近熱源，且固相PCM熱導率較低，熱量在短時間內無法散出，故底面溫度迅速上升，底面附近CPCM逐漸熔化；熔化中期(階段Ⅱ)，更多PCM發生相變，流體中密度差導致的自然對流逐漸成為主導，與熱傳導共同影響PCM傳熱過程，PCM中、上部溫度上升速率顯著增大，溫升劇烈；熔化後期(階段Ⅲ)，上層PCM完全熔化，液相環境下的整體溫度逐漸趨於一致，共同上升，且部分熱量會通過PCM液面熱輻射散入空氣中，溫升速率減緩。其中CPCM3因溫升緩慢，較晚進入階段Ⅲ，其整體溫度於90 min處趨於一致。由圖7可見，CPCM2熔化時間短，溫升快，於68 min完成階段Ⅱ，最早進入階段Ⅲ。此外，CPCM中所測得的底面溫度在熔化後期持續升高，遠高於另三組測點溫度，這是因為試驗後期石墨烯在液相PCM中會產生少量的聚沉現象，導致底面測溫處熱阻減小，溫度顯著升高。

圖7複合相變材料沿垂直方向溫升曲線

由於在該試驗中PCM內部傳熱向上，熱電偶所測得的上部溫度可用以衡量不同CPCM的傳熱性能，故對各CPCM上部溫度特徵進行比較。由圖8可見，CPCM在熔化初期溫升速率無明顯差別，整體上升趨勢類似。隨後在熔化中、後期，其傳熱速率都有顯著提高，溫升劇烈，其中CPCM2溫度啟動時間最短，升溫速率最快，於69 min時達到最大值3.86，其溫升速率相對於CPCM0增加61.25%，同時CPCM1和CPCM3依次開始劇烈升溫，啟動時間晚於CPCM0，但升溫速率較CPCM0增加30.42%和11.25%。可見CPCM的溫升速率均高於PCM，說明該質量分數量級下的石墨烯可通過無規則熱運動產生的微對流提高熱量傳遞速率，以提升PCM整體傳熱性能。然而，過低和過高的石墨烯質量分數均會導致啟動時間的滯後，故在溫升速率和啟動時間的綜合影響下CPCM2的溫升幅度更大，傳熱效果更好。這是因為石墨烯質量分數的增大雖在一定範圍內可使得PCM傳熱性能增強，但當石墨烯質量分數過大時，懸浮在PCM中的納米糰聚體會因范德華力和布朗力不足以對抗重力作用而發生較為嚴重的沉降，CPCM的傳熱性能也會隨之下降。

圖8複合相變材料上部溫度特徵

2.3　肋片強化型相變材料傳熱性能測試

該試驗採用肋片強化裝置進行肋片數量對強化PCM傳熱影響的研究，圖9為肋片強化裝置中PCM內部各測點溫度上升過程。由圖9可見，F-CPCM與CPCM0在三個階段的整體溫升規律類似，但在內部布置肋片後，PCM底部溫升速率顯著增加，且隨着肋片數量的增加，PCM進入階段Ⅱ的時間逐漸縮短至40 min、31 min及30 min。這是因為燒杯底部開始升溫後肋片會進行強化傳熱，但石蠟熱導率較低，遠低於銅質肋片，故PCM中、上部區域短時間內無法啟動，導致局部過熱，造成底部溫度過高，且隨肋片數量的增加，PCM啟動時間得以縮短。此外，由於F-CPCM內部有肋片作為導熱「橋樑」，在固液共存階段時，其內部傳熱方式與CPCM0相比，除PCM中自然對流與熱傳導外還存在肋片的縱嚮導熱，該縱嚮導熱模式在肋片數量足夠時起主導作用，可較大幅度提高溫升，縮短整體熔化時間。

圖9肋片強化型相變材料沿垂直方向溫升曲線

如圖10所示，F1-CPCM0溫升速率較CPCM0高30.42%，但啟動時間過於落後，故上部溫度在60～90 min時間段內明顯低於CPCM0，主因在於肋片數較少時可增加的換熱面積有限，且肋片固定在PCM中心位置，單根肋片的高導熱作用會使PCM的已熔化區域頂部呈現圓錐形態，而熱電偶在孔板第四圈採用螺旋式布置，會導致測溫點距離肋片位置較遠，熱電偶測得溫度較低。由此說明，肋片數量不足時，徑向溫度響應不均衡，熱量擴散程度不高，難以提升整體傳熱性能。此外，F5-CPCM0和F9-CPCM0上部溫升幅度均大於CPCM0，其中F9-CPCM0的傳熱強化效果較為明顯，升溫速率較CPCM0增加50%，溫升幅度較高，可見，當肋片數量為9時，高導熱的肋片結構可增加徑向溫度響應，提升整體傳熱性能。

圖10肋片強化型相變材料上部溫度特徵

2.4　納米協同肋片強化相變材料傳熱性能分析

由圖7～圖10可知，在納米材料強化PCM傳熱試驗中，CPCM2溫升速率較高，傳熱效果較好；在肋片強化PCM傳熱試驗中，加入肋片可提高PCM內部溫度響應，F9-CPCM0的整體傳熱性能優於其他數量的F-CPCM0。為探究強化PCM傳熱性能的較優組合模式，對比分析石墨烯質量分數為0.06%時不同肋片數量和肋片數量為9時不同石墨烯質量分數的強化傳熱特性，PCM上部溫度特徵如圖11所示。由圖11可見，F9-CPCM2與F9-CPCM3上部溫度曲線明顯高於其他組合，66 min後F9-CPCM3迅速升溫，啟動速率相比於F9-CPCM2提高32.16%，造成TF9-CPCM2<TF9-CPCM3。由此可見，CPCM2協同F9依舊可表現出優良的傳熱性能，但在熔化後期F9-CPCM3的溫升速率顯著提升，整體溫度會略高於F9-CPCM2。且結合圖7(d)可知，布置F9後，CPCM3的上部溫度整體溫升情況得到改善，說明充足數量的肋片結構對高質量分數納米顆粒的團聚沉降現象具有抑制作用，可使納米顆粒充分發揮其強化性能。

圖11納米協同肋片複合強化模式下相變材料上部溫度特徵

將強化效果明顯的強化模式進行綜合比較，不同強化模式下PCM上部溫度特徵如圖12所示。由圖12可見，由於肋片結構的高導熱骨架作用，F-CPCM0的前期溫度普遍高於CPCM，其中因肋片頂部延伸至空氣中，在熔化後期會加速熱量流失，導致啟動時間延緩，溫升速率減小，65 min後TF9-CPCM0<TCPCM2。F9-CPCM2和F9-CPCM3上部溫度優先啟動，在整個熔化期間，溫升幅度明顯高於其他強化模式，說明納米顆粒與肋片結構相結合可縮短PCM啟動時間，提高溫升幅度，以共同促進PCM傳熱性能的提升。

圖12不同強化模式下PCM上部溫度特徵

3 結論

為探究納米顆粒質量分數和肋片數量對PCM傳熱性能的影響，搭建了PCM傳熱強化試驗系統，通過兩種熱電偶布置方式對PCM內部各點溫度進行監測，研究分析PCM內部溫度變化，探討在強化PCM傳熱性能中效果較好的強化模式，結論如下：

（1）石墨烯的加入可有效提高石蠟溫升速率，但0.03%和0.09%的石墨烯均會導致啟動時間的滯後，而CPCM2可優先啟動，相對於CPCM0，CPCM2的啟動時間減少4.17%，溫升速率增加61.25%。與其他組分的CPCM相比，CPCM2啟動更快，溫升速率更大，故溫升幅度大，傳熱效果好。

（2）在PCM內布置的肋片數量不足時，會造成其徑向溫度響應不均衡，熱量擴散程度低，當肋片數量為9時，肋片結構能夠充分發揮導熱橋樑作用，以增加徑向溫度響應，強化PCM內部傳熱。相比於F1-CPCM0和F2-CPCM0，F9加快了CPCM0的升溫進程，提高了溫升速率，使得F9-CPCM0具有較高的溫升幅度和較好的傳熱性能。

（3）在納米顆粒協同肋片結構強化PCM傳熱後，充足數量的肋片結構對高質量分數納米顆粒的團聚沉降現象具有抑制作用，可使納米顆粒得以充分發揮其強化性能，從而縮短PCM啟動時間，提高溫升幅度，以共同促進PCM傳熱性能的提升。其中F9-CPCM2與F9-CPCM3啟動時間早，溫升幅度高，傳熱性能好，為強化PCM傳熱性能中的較優組合。

第一作者：柴進（1998—），男，碩士研究生，主要從事相變儲能及溫差發電等方面的研究，E-mail：cj_020498@163.com；

通訊作者：王軍，博士，教授，博士生導師，主要從事相變儲能及溫差發電等方面的研究，E-mail：qcwjun@ujs.edu.cn。

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