TPS法测定泡沫铜-石蜡复合相变材料热物性

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1、万方数据第3l卷第5期2010年5月太阳能学报ACrAENERG!AESOL邺SIMCAv01．31．No．5May，2010文章编号：O'Ls4．0096(ZOlO)Os．0604-06TPS法测定泡沫铜／石蜡复合相变材料热物性张涛，余建祖，高红霞(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：运用瞬态平面热源法(TransientPlaneSource--TPS)对4种孔隙率的泡沫铜／石蜡复合材料热物性进行了测量。以10tLm厚的镍金属按双螺旋线布置作为测量探头。泡沫铜材料孔隙率分别为E

2、=97．79％、￡=96．17％、￡=94．94％和￡=93．26％，经线切割加工后向内灌入液态石蜡，凝固后作为测试样品。在室温(25±l℃)和常压下对复合材料的等效导热系数、热容及热扩散率进行了测量。测试结果表明：复合材料导热系数和热扩散率因泡沫铜的加入而大幅提高，在孔隙率e=93．26％时，等效导热系数已达到单纯石蜡的25倍，而复合材料等效热容则由于铜金属加入的绝对量较少相对原石蜡热容变化较小。以比例加成的方法对泡沫铜，石蜡复合材料的等效热容进行了计算，并利用实验数据拟合了其等效导热系数的计算公式，运

3、用这些公式对复合材料物性的计算结果与实验结果非常吻合。关键词：储能技术；泡沫铜；相变材料；瞬态平面热源法；热物性参数中图分类号：TK02文献标识码-A0引言近年来，泡沫金属复合相变材料概念引起了国内外科研工作者的极大兴趣，在这方面做了大量工作[1。]。文献[1]以泡沫铝与水以及泡沫铝与空气的复合导热系数测量数据为依据，给出了计算高孔隙率泡沫金属与石蜡复合的等效导热系数估算公式，并利用准稳态方法建立了复合相变材料在凝固过程中的数值模型，对其凝固过程的传热特性进行了理沦分析；文献[2]将泡沫金属结构简化为二维

4、的循环扩展六边形网格形式，推导出了泡沫金属／石蜡复合材料有效导热系数与孔隙率的函数关系，并与填充翅片的方式进行了对比，结果表明泡沫金属作为填充材料，其整体效果要优于翅片；文献[3]将石蜡在不同孑L径和孔隙率泡沫铝中的熔化过程进行了实验比较；文献[4]与文献[5]采用泡沫铜和石蜡分别制成平板式和圆柱式复合相变储热装置进行储能实验，实验表明泡沫铜的添加使得相变储热装置导热能力和储能效率都得到了明显改善。上述研究中，泡沫金属的添加主要是为了提高复合材料的等效导热系数，故研究方向都主要集中在导热系数的推导和计算上

5、，对泡沫金属／石蜡复合相变材料的热容等物性没有一个较为全面的测量和讨论。另外，文献中对等效导热系数的计算或是建立在泡沫金属与其它物质(如水和空气)复合导热系数测量数据的基础上，或是直接对泡沫金属几何结构简化后进行推导得出，这些方法与实际情况存在较大差异。而在储能过程的实验研究方面，由于缺少复合材料相关方面的物性参数，难以进行定量分析，只能得到一些定性结论。为了准确获得泡沫铜与石蜡相结合所形成复合材料的热物性，本文采用瞬态平面热源(TransientPlaneSource--TPS)法对几种不同孔隙率的泡沫

6、铜／石蜡复合相变材料导热系数等热物性进行测量，最后通过实验数据拟合出实验用泡沫铜复合相变材料导热系数随孑L隙率变化的近似计算式。1测试原理及方法导热系数的测量方法主要分为稳态法和非稳态法两种。在稳态测试方法中，测试样品内的温度分布是不随时间而变化的稳态温度场，当样品达到热平衡后，借助测量试样每单位面积的热流密度和温度梯度，就可直接测定样品的导热系数。在非稳态测试方法中，测试样品内的温度分布是随着时间而收稿日期：2008-09—16通讯作者：余建祖(1943一)，男，教授、博士生导师，主要从事换热器设计及实

7、验、电子设备散热、高效相变储能等方面的研究。yjz@buaa．edu．印万方数据5期张涛等：TPS法测定泡沫铜／石蜡复合相变材料热物性变化的非稳态温度场，借助测量样品温度变化的速率，就可以测定样品的热扩散率，从而得到材料的导热系数。因为稳态测量法中达到稳态温度场的耗时较长，并且测量中引人的误差因素较多，精度有限，所以其应用受到一定限制。而非稳态方法是一种瞬态测试方法，适合测量的材料导热系数的范围较广、测量时间也比较短。目前常用的非稳态导热系数测试方法主要有热线法、瞬态热带法及瞬态板热源法。热线法及其随后发

8、展的探针法主要用来测量松散介质的导热系数，不适于测量大块固体和液体介质，且测量存在一定误差，测量结果受接触热阻影响；热带法是基于热线法发展起来的测试方法，其原理和热线法基本相同，只是将线热源压扁成带状从而扩大热源和介质的接触面积，减少接触热阻；瞬态板热源(TransientPlaneSource---TPS)法，即瞬态平面热源法是在热带法和热线法的基础上进一步发展而来的，将原本拉直的热源弯曲成螺旋状，形成平面板热源，在更小的空