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倾角对矩形装置内相变材料对流驱动熔化影响的实验研究
Babak Kamkari , Hossein Shokouhmand , Frank Bruno
摘要:本文研究了不同倾角矩形装置中相变材料（PCM）的熔化过程。使用具有高普朗特数（Prasymp;100）的月桂酸作为PCM。装置从一侧等温加热，其余壁面绝热。对于0°，45°和90°等不同的倾角，在热源温度为55，60和70℃的条件下进行实验：3times;6times;108 ≦ Ra≦ 8.3times;108。根据融化过程的相界面以及记录的温度分布计算液相率、努塞尔特数和固 - 液界面处的局部传热速率。定性时间依赖的自然对流流动结构是从固 - 液界面的瞬时形状间接推导出来的，这通过温度测量的定量数据得到证实。结果表明，装置倾角对自然对流的形成有显着影响，从而影响PCM的传热速率和熔化时间。随着倾角从90°减小到0°，装置中的对流作用增加，出现混沌流动结构。当水平倾斜的装置中开始熔化时，固-液界面线出现波动，这意味着在液体PCM中形成Benard不用翻译对流单元。热源温度相同时，倾角的减小导致从热源到PCM的能量传输显着增强。结果发现，水平装置的传热增强比是垂直装置的两倍以上。
关键词：相变材料； 自然对流； 强化传热； 蓄热； 倾角； 熔化
1.引言
近几十年来，与相变材料（PCM）相关的固液相变问题越来越受到关注。PCM是有吸引力的，因为它们能够在温度几乎恒定的条件下熔化和凝固，并吸收和释放相当大量的能量。它们可以应用到各种热系统中，其中潜热用于热存储或排热。PCM的应用范围很广，例如太阳能热系统[1,2]，（海水的）脱盐[3]，热回收[4]，建筑物[5,6]，冷藏[7]，电子热管理[8,9]，宇宙飞船[10,11]和智能纺织品[12]。为了使应用PCM系统的热性能最大化，需要更好地理解PCM的热性能。在过去的几十年中，已经进行了几项调查来研究自然对流对熔融传热和固液界面形态的影响。这些研究根据使用的PCM的普朗特数分为两组：低普朗特数（Pr lt;1）和高普朗特数（Prge;1）PCMs。后面的翻译开始不通顺，用中文习惯的表达方式来表达，一句话说不清楚的，可以拆分成两句或者多句。
金属PCM具有高导热率并且被归类为低普朗特数PCM。该领域的首批研究之一由Gau和Viskanta[13]进行。自然对流对纯镓（Pr 0.021）固液界面运动的作用，在从下面熔化和从上面凝固成矩形装置的过程中进行了研究。确定了不同的自然对流流动状态，并且发现液体PCM 内的湍流自然对流显着地扭曲了固液界面并提高了熔化速率。当他们开始从矩形腔底部熔化lipowitz共晶时，他们也报告了类似的发现（Pr asymp;0.067）[14]。在同一研究者的另一项实验工作中[15]研究了自然对流对垂直壁上镓相变过程中熔化传热的影响。尽管金属的导热系数很高PCM可以增加传导传热的作用，确定了固 - 液界面形状和熔化速率受层流浮力驱动的自然对流的影响很大。评估对流电流对锡熔化的影响（Pr 0.009）在Wolf和Viskanta[16]考虑的矩形装置中.结果表明，液 - 液界面的形状不受液态金属中自然对流的很大影响。.这是由于Kasymp;60W/mK的高导热性导致的，与非金属PCMS相比，这使得传导传热成为主要的传热机制。Beckermann and Viskanta [17]研究了镓固相过冷对长方形装置中浮力驱动熔化的影响。发现与熔融温度下固体熔化相比，固体过冷显着降低了熔化速率。
时间（t）温度
（°C）
熔化温度（°C）热源温度
（°C）
装置热源上的瑞利数字
gbeth;Tw -mT THORN;H
嘛
Ra
t T
Tm Tw
表面平均努塞尔数
时间平均努塞尔数普朗特号码
装置散热量（kJ）
加热源面积（m2）
矩形装置高度（m）平均传热系数（W / m2 K）导热系数（W / m K）
Aw H
h k
Naacute;ztn度
胡伊Pr Qloss
3
命名法
尽管金属PCM的高导热性提高了传热速率，但由于它们的高成本，低或非常高的熔化温度，它们很少用于实际应用。
具有高普朗特数的第二组PCM的例子是水，链烷烃和脂肪酸。该领域的首批研究之一由Boger和Westwater[18]完成.他们研究了浮力对水的融化和凝固的影响（Pr 10）。由于这种物质特有的水的密度反演，它们对浮力和密度变化对水的熔化速率的影响的结果不能一概而论。Hale.Viskanta[19]和Gao 等人[20]报道了自然对流对固 - 液界面形状和从底部熔化正十八烷（Pr 68）时的传热速率的显着影响。
Ho和Viskanta[21] 报道了在矩形装置的等温垂直壁上正十八烷熔化期间的基本传热数据。研究了自然对流对熔化速率和熔化前沿剖面的影响。Webb and Viskanta [22]研究了倾斜矩形装置中正八面体的熔化传热。在实验期间，唯一记录的参数是界面形状，然后用于推 断流动结构。已经发现，减小倾斜角会增加流场的三维性并导致固体PCM的不均匀熔化。
Pal and Joshi [23]研究了高三角形装置中正三十烷（Pr 31.8）的熔化，其中一个垂直侧壁以恒定的热通量加热。他们将注意力集中在自然对流对熔化传热的影响上。结论是自然对流在熔化的初始阶 段起主导作用，并且当其接近完全熔化时其强度减小。
Shokouhmand和Kamkari[24]进行了实验研究，以显示垂直矩形装置中月桂酸（Pr 100）熔化过程中的界面演变和温度分布。确定了月桂酸的热物理性质，讨论了不同熔融阶段自然对流换热的作用。
Assis [25] 等人研究了RT27（Pr 35）在球形几何形状中的熔化。该研究通过实验测量和数值模拟得出结论。观察到球形壳中的熔化是通 过液体中固体的下沉和壳与固体PCM之间的紧密接触的热传递来实现的。
Tan[26]进行了一项实验研究，比较球形容器中正十八烷的受约束和不受约束的熔化。对于约束熔化，固体PCM受到限制而不会下沉。对于不受约束的熔化，由于重力，固体PCM允许下沉到球体的底部。据观察，在约束熔化期间，热传导仅在熔化过程开始时存在，并且在稍后时间，主要的传热模式是液体PCM中的自然对流。在无约束熔化中，固体PCM下沉并且下半部分的熔化由于固体PCM下部的热传导而加速。在另一项实验和计算研究中，Tan等人[27]研究了在球形胶囊内石蜡（Pr 59.5）的约束熔化过程中浮力驱动对流的作用。观察到球体上半部分中液体PCM的强烈热分层。而且，球体底部的测量温度的波动支持混沌流动结构的建立，该混乱流动结构导致固体PCM底部界面的波纹。Regin等人 [28]还研究了石蜡的无约束熔融。通过可视化熔化过程在水平圆柱形胶囊中。结果表明，在熔化过程的不同阶段，自然对流和紧密接触熔化具有重要作用。
许多预期的PCM，特别是有机的PCM的主要缺点是它们的低导热率（kasymp;60W/mK）可防止在储热（熔化）和热回收（凝固）过程中快速传热。因此，大 多数潜热热能储存应用和热调节系统需要传热增强技术。已经研究了不同的方法来增加PCM的热性能，包括使用延伸表面[29–33]，浸渍多 孔材料[34–36]，放置高导热金属结构[37,38]，嵌入热管[39]，分散高导电性颗粒[40–42]，添加碳纤维[43,44] 和碳纳米管[45,46] 并利用动态熔化[47].这些增强方法中的大多数依赖于增加PCM的导热率以增加传热速率。考虑到高普朗特数PCM中的熔化速率主要由液体PCM中 形成的自然对流控制，自然对流强度的任何增加都可导致熔化速率的 显着改善。使用装置中不是PCM的流体，已经证明自然对流传热很大程度上受到装置倾斜角的影响[48].研究人员研究了倾斜角度对装置中PCM的热行为和熔化速率的影响。Akgun等。[49] 实验研究了熔化和凝固过程石蜡在垂直环形装置中。发现当装置从其垂直位置倾斜5°时，熔化时 间可减少30％。Sharifi等人研究了从垂直温暖圆筒向外熔化过程中倾斜的影响。对5°和10°的小倾角进行实验。观察到装置的适度倾斜显着影响PCM内的温度分布，以及具有三维形状的固液界面的时间演变。这是液体PCM中的3D对流与固体界面之间相互作用的结果。
石蜡在垂直环形装置中。发现当装置从其垂直位置倾斜5°时，熔化时 间可减少30％。Sharifi等人研究了从垂直温暖圆筒向外熔化过程中倾斜的影响。对5°和10°的小倾角进行实验。观察到装置的适度倾斜显着影响PCM内的温度分布，以及具有三维形状的固液界面的时间演变。这是液体PCM中的3D对流与固体界面之间相互作用的结果。
最近，Baby和Balaji实验评估了取向（0-120°）对填充多孔基质PCM的散热器的传热增强的影响。通过将PCM置于多孔基质中获得 显着的传热增强。然而，散热器的方向没有显示出对散热器性能的任 何显着影响。这些结果归因于对金属基质的小孔产生的对流电流的限 制，因此增强了热传导的主导作用。
更实用和有效的蓄热单元和热调节系统的设计需要更深入地理解控制PCM熔化过程的传热机制。尽管如上所述，许多研究人员已经研究了熔化过程中自然对流在不同几何形状中的作用，但文献中没有详细的比较研究，即倾斜角度对自然对流和矩形装置中熔化速率的影响。本文研究了不同倾角下矩形装置中月桂酸（作为高普朗特数PCM）的固 - 液相变过程中的传热过程和熔化行为。通过可视化装置内的固液界面图案和温度分布来进行定性和定量研究。目前的工作揭示了仅通过倾斜装置就可以提高熔化速率的程度。
热电偶孔
25mm厚有机玻璃
热交换器
图1.测试单元示意图（装置的EPDM绝缘层不是如图所示）
等温热源
图2.矩形装置垂直中段面上的热电偶分布
2.实验
2.1试验装置和过程
本文设计并搭建了一种实验装置，以精确测量PCM融化的瞬态固液界面变化和温度分布。容器是一个矩形装置，内部尺寸为50毫米宽，120毫米高，120毫米深。使用热交换器使装置的右壁保持温度恒定。装置的另外五个面由25毫米厚的透明有机玻璃板制成，可以直接观察和拍摄熔化过程，并采用低导热率（k = 0.17 W / m K）材料最大限度地减少装置的热量损失。对于额外的保温层，装置设置3厘米厚的EPDM保温板（k = 0.042 W / m K）。图1显示了测试矩形装置的示意图。将32个T型热电偶（线径小于0.21 mm）放置在装置的垂直中段面上，以测量装置内的瞬态温度分布（图2)。在该研究中使用纯度为99％的月桂酸（从Panreac Chemical获得）作为PCM。月桂酸的热物理性质列于表格1。为了研究倾角对PCM熔化过程的影响，将装置安装在可调节的倾斜台上。
使用70，60和55℃三种不同壁温对90°，45°和0°三组倾角进行实验。所有实验均由固体PCM在25℃的初始温度下开始，同时实验室温度控制在25plusmn;1 ℃。
热水在所需温度下循环通过热交换器开始实验。图3显示出了在热交换器表面上记录的平均温度的变化过程。可以看出，在初始转变之后，热源温度保持在约0.1℃的恒定值。该图仅显示了放大初始转换时间的实验的前20分钟。由于实验通常需要2至9小时，因此最初的实验结果的瞬变周期可以忽略不计。实验装置和测试程序的更多细节如下，在前一篇文章中描述。
月桂酸的热物理性质
|
固体/液体比热容（kJ/kg k） |
2.18/2.39 |
|
熔化温度范围（℃） |
43.5/48.2 |
|
熔化潜热（kJ/kg） |
187.21 |
|
导热系数固体/液体（W/mk） |
0.16/0.14 |
|
固体/液体密度（kg/m3） |
940/885 |
|
运动粘度（/s） |
106 |
|
普朗特数 |
100.7 |
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