[科普中国]-相变贮热管

概述

相变贮热管是一种调温功能性材料。可以利用它在特定温度（相变温度）下发生物相的变化而引起吸热和放热的过程，来控制环境温度，如用于人造卫星制造中涉及仪器的恒温控制问题，以及民用节能材料方面。目前，美国和法国已将CaCl2·6H2O及Na2SO4·10H2O等相变材料制成了贮热管用于住宅热温取暖。前者，吸热在29.9℃时熔融成为液体，后者，吸热在32.4℃时熔融。利用它们的相变，吸热、放热来调节周围环境温度。采用相变材料的温控系统具有许多优点，如装置简单，不需要一整套的供热、输热的管道设施占地面积小，使用方面，不需管理和维修、节省能源、成本较低。

基本原理相变材料用于热能的贮存具有很多优点，如相变温度范围很小，单位质量及体积贮热密度大等。但相对于大的贮热能力，它们的导热系数一般偏小，这严重制约了相变材料在一些场合的应用。例如在太阳能系统中，尽管热量的贮存阶段较长，但热量的抽取则要求在较短的时间内完成，这就需要改善相变材料的传热。改善传热的手段很多，已有不少人做了这方面的研究工作，其中较为常用、效果明显且研究较多的方法可归为3类：

在相变材料中埋设金属丝网XinglinTong等人建立了详细的数学模型，对垂直的环状空间（ ）中均匀布置铝网的水的相变过程进行了数值模拟。模拟发现当铝网的体积份数达到5%时，可使传热速率提高一个数量级。Hisham.M等人对套管式相变换热进行了实验研究。该实验装置内管走传热流体，外管中为石蜡，其中填设了金属网和金属球。实验结果表明，当金属网和球的体积份数接近2%时，可使Nus-selt数增大为原来的3倍。OsamaMesalhy等人对水平放置的套管中的相变过程进行了数值模拟。套管内壁处于恒定温度，外壁面绝热。在相变材料中布置导热性能好、孔隙率大的固体网格可显著增强换热。

将碳纤维与相变材料共混JunFukai等人对一种管壳式相变换热器的强化换热进行了研究。相变材料位于壳侧，管侧走传热介质，沿管轴向布置碳纤维刷的方式增强相变材料的传热。研究发现，当体积添加比例为1.2%时，可使相变材料的导热系数增至原来的3倍；但由于临近管壁处热阻的影响，碳纤维刷的直径超过管间距时，传热效果不会改善。F.Frusteri等人利用热线法研究了碳纤维对一种无机相变材料导热性能的改善情况，发现碳纤维与相变材料混合的均匀程度对传热改善效果具有重要影响。在添加质量比小于10%时，碳纤维的添加量与导热系数的增加呈线性关系；在质量添加比例为7%时，长度为0.2mm的微纤维可使相变材料的导热系数增至原值的4倍。

采用金属肋片AytuncErek等人对采用肋片强化相变材料的换热效果进行了实验和数值研究。实验装置为一带外部肋片的管，管内走传热介质，管外为相变材料。他们研究了肋片的间距及直径和流动参数的影响。ZhongliangLiu等人建立了一套实验装置，研究了环状容器中硬脂酸的融解过程及肋片对传热效果的影响。该实验装置的中心为电加热棒。实验数据表明，采用肋片可使相变材料的当量导热系数提高至原来的3倍。

以上3种改善相变材料传热的方式各有优缺点。在相变材料中埋设金属丝网可显著改善相变材料内部的传热状况，但实现比较麻烦，不利于工业化，并且金属丝网与壁面的接触状况较差，会严重影响传热速率。采用将相变材料与碳纤维共混的方式易于在工艺上实现，但传热增强的效果不尽人意，同时也存在与传热壁面的接触问题。采用金属肋片有利于工业化的实现，且与传热壁面具有良好的热接触，但到目前为止，鲜有较完整的改善效果的文献报道。1