CN115449350A - 一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料及其效果验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料及其效果验证方法，包括导热材料体、亲水海绵、水基相变材料、疏水海绵；导热材料体设有多个凹位，相邻的凹位的开口朝向相反；多个亲水海绵一一放置于多个凹位中；水基相变材料吸附于多个亲水海绵中；两疏水海绵分别置于导热材料体的两侧；两疏水海绵外还设有外壳，外壳的前端面为透明塑料片，外壳的其他端面为导热金属片，外壳包围导热材料、亲水海绵、水基相变材料和疏水海绵。在采用上述材料后，能将水基相变材料吸附于亲水海绵中，提高蓄冷密度；能利用导热材料，增强水基相变材料的导热系数；能利用疏水海绵，抵消水基相变材料结冰的体积膨胀；同时降低成本，实现地面试验等效验证。
Description
技术领域
本发明涉及相变材料领域，特别涉及一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料及其效果验证方法。
背景技术
随着航天领域的探索日益深入，对处于太空环境的在航天器中的储能系统提出了更高的要求，如高能量密度、轻便等。
目前常用的储能系统一般采用相变材料，在相变材料发生相变过程中，其潜热的吸收或释放可有效缓冲温度的变化，适用于太空中的周期性热环境，进而有效提高储能系统的性能，但由于在太空的重力环境与地球不同，相变材料的性能在太空中有所削弱，针对此问题，工程师们着眼于改善相变材料的热导率，以增强相变材料在太空中的性能，并提出使用高热导率支撑材料，提升相变材料的导热能力，如宣益民等人将孔隙率为92％的泡沫铝与石蜡组合，其表观导热系数可达5W/(m·K)以上，提高了近25倍。
然而，目前泡沫金属的制作成本高昂，技术不成熟，且泡沫金属的平均孔径为5～40PPI(0.5～5mm)，空隙率和孔径较大，而相变材料与泡沫金属的结合方式主要依靠孔隙的毛细作用力吸附于基体的孔隙中，孔径越大，其毛细作用力越弱，结合效果越差，这导致利用泡沫金属与相变材料结合的复合材料在地面上进行地面试验等效验证预测其在太空中性能时，一方面由于泡沫金属孔径太大，毛细作用力无法完全吸附相变材料导致其积聚在底部，无法进行实验预测；另一方面由于泡沫金属的大孔径没有有效抑制自然对流效应，因而导致在地面上对相变材料在太空中的性能预测并不准确，这对相变材料在太空中的应用造成了一定局限性，目前也有一些利用抛物线飞机进行的地面试验等效验证，但这无疑成本十分高昂。
近年来，水基相变材料由于其突出且优异的潜热值成为研究热点，水基相变材料的热导率也优于石蜡。
但也有研究表明，水基相变材料在冻结时会产生体积膨胀并存在过冷现象等问题，导致其利用困难。
有研究利用水与泡沫金属制备复合相变材料，大大的增大了水的热导率，Bhattacharya等人将水充入孔隙率为94.6％的泡沫铝中，其等效导热系数可由0.6W/(m·K)提高了8倍，达到5.4W/(m·K)。
然而，水和泡沫铝之间存在兼容性问题。
姚元鹏等人提出一种针对泡沫金属等效热导率预测的新模型，并通过计算发现将水充入孔隙率为90％的泡沫铜中，其等效热导率可达13.4W/(m·K)，提高了约21倍。
此类方案虽能有效提高水的热导率，但其体积膨胀问题仍未解决，且仍存在地面试验等效验证困难等问题，这些问题仍需工程师们的探索与努力。
因此，寻找一种能在太空中具有高性能的复合型的相变材料，且这种复合型的相变材料能既能实现地面试验等效验证，又能解决体积膨胀问题，还能降低生产成本成为迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料及其效果验证方法，以解决现有航天领域相变材料的不足、相变材料蓄冷时体积膨胀、成本昂贵和难以进行地面实验等效验证等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料，包括导热材料体、亲水海绵、水基相变材料、疏水海绵；所述导热材料体设有多个凹位，相邻的所述凹位的开口朝向相反；多个所述亲水海绵一一放置于多个所述凹位中；所述水基相变材料吸附于多个所述亲水海绵中；两所述疏水海绵分别置于所述导热材料体的两侧。
在其中一个实施例中，所述导热材料体为铝箔体。
在其中一个实施例中，所述亲水海绵为PVA海绵。
在其中一个实施例中，所述水基相变材料为去离子水。
在其中一个实施例中，所述疏水海绵为聚氨酯海绵。
在其中一个实施例中，所述疏水海绵的体积和所述亲水海绵的体积占比不小于1：19，所述疏水海绵的体积和所述亲水海绵的体积占比不大于1：9。
在其中一个实施例中，两所述疏水海绵外还设有外壳，所述外壳包围所述导热材料、所述亲水海绵、所述水基相变材料和所述疏水海绵。
在其中一个实施例中，所述外壳的前端面为透明塑料片，所述外壳的其他端面为导热金属片。
在其中一个实施例中，所述透明塑料片为亚克力片，所述导热金属片为铝片。
本发明还提供一种效果验证方法，
S1，利用外壳对所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行封装处理，所述外壳的前端面采用透明材料制成，所述外壳的其他端面采用导热材料制成；
S2，所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料连接平行流换热器，所述平行换热器两端各连接热电偶，形成一个相变蓄冷器作为验证的主体；
S3，进行实验装置一和二的搭建；
进行实验装置一的搭建：依次管道连接相变蓄冷器、科氏力流量计、泵、第一手阀和预热器，所述科氏力流量计和所述泵之间外接第二手阀和储液器，第二手阀控制储液器的运行，所述泵两侧外接DPS装置，所述第一手阀和所述预热器之间外接APS装置；
进行实验装置二的搭建：依次管道连接导通微通道换热器和恒温水箱；
S4，进行实验装置一和实验装置二的连接：将所述平行流换热器与多个TEC片的冷端连接，将所述微通道换热器与多个所述TEC片的热端连接；
S5，往所述恒温水箱中通入工质水，使其在所述实验装置二中循环流动；
S6，向多块所述TEC片接通电流，使其对所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行蓄冷直至完全凝固；
S7，往所述平行流换热器中通入工质R134a，使其在所述实验装置一中循环流动；
S8，提取所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的冷量；
S9，用所述所述泵和所述科氏力流量计调控实验装置一中的质量流量，获得不同流量下所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的释冷情况，同时用照相机透过所述外壳的前端拍摄所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的变化。
在其中一个实施例中，所述透明材料为亚克力片但不限于亚克力片，所述导热材料为金属铝片但不限于金属铝片。
在其中一个实施例中，向多块所述TEC片接通电流的电流值为0.25A至0.3A5之间。
在其中一个实施例中，往所述平行流换热器中通入工质R134a的温度控制在20℃到30℃之间。
在其中一个实施例中，所述实验装置一中用于管道连接的为不锈钢管。
在其中一个实施例中，所述实验装置二中用于管道连接的为胶管。
本发明的有益效果如下：
本发明利用具有高潜热的去离子水作为水基相变材料，使用亲水海绵作为水基相变材料的基体，由于亲水海绵具有高吸水能力、密度低、有弹性、孔径小等特点，能将水基相变材料均匀吸附于亲水海绵的孔隙中，提高储能密度，增大对水基相变材料的毛细作用力以平衡地面上的重力，实现地面试验等效验证；通过导热材料和水基相变材料的结合，利用导热材料的特性，能增强水基相变材料的导热系数；利用疏水海绵，抵消水基相变材料结冰时的体积膨胀；利用外壳封装，实现水基相变材料在微重力的太空环境中需要固态化的要求；同时该材料能有效降低研制成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施方式提供的新型水基海绵相变蓄冷复合材料的结构示意图；
图2是本发明优选实施方式提供的外壳的结构示意图；
图3是本发明优选实施方式提供的实验装置一和实验装置二的示意图；
图4是本发明优选实施方式提供的蓄冷实验中，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间的变化曲线图；
图5是本发明优选实施方式提供的释冷实验中，流量值为0.3g/s时，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间的变化曲线图；
图6是本发明优选实施方式提供的释冷过程中，流量值为0.6g/s时，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间的变化曲线图；
图7是本发明优选实施方式提供的释冷过程中，流量值为1.0g/s时，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间的变化曲线图；
图8是本发明优选实施方式提供的释冷过程中，流量值为2.0g/s时，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间的变化曲线图；
附图标记如下：
1、导热材料体；10、凹位；
2、亲水海绵；
3、水基相变材料；
4、疏水海绵；
5、外壳；50、透明塑料片；51、导热金属片；
6、实验装置一；6-1、平行换热器；6-2、热电偶一；6-3、科氏力流量计；6-4、泵；6-5、第一手阀；6-6、预热器；6-7、热电偶二；6-8、第二手阀；6-9、储液器；6-10、加热器；6-11、热电偶三；6-12、DPS装置；6-13、APS装置；
7、照相机；
8、实验装置二；8-1、微通道换热器；8-2、恒温水箱；
9、TEC片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其实施例如图1至图2所示，包括导热材料体1、亲水海绵2、水基相变材料3、疏水海绵4；导热材料体1设有多个凹位10，相邻的凹位10的开口朝向相反；多个亲水海绵2一一放置于多个凹位10中；水基相变材料3吸附于多个亲水海绵2中；两疏水海绵4分别置于导热材料体1的两侧。
在采用上述设置方式后，利用具有高潜热的去离子水作为水基相变材料3，使用亲水海绵2作为水基相变材料3的基体，由于亲水海绵2具有高吸水能力、密度低、有弹性、孔径小等特点，能将水基相变材料3均匀吸附于亲水海绵2的孔隙中，提高储能密度，增大对水基相变材料3的毛细作用力以平衡地面上的重力，实现地面试验等效验证；通过导热材料1和水基相变材料3的结合，利用导热材料1的特性，能增强水基相变材料3的导热系数；利用疏水海绵4，抵消水基相变材料3结冰时的体积膨胀。
如图1至图2所示，导热材料体1为铝箔体但不限于铝箔体，导热材料体1的厚度为0.1mm，导热材料体1的各个凹位10的深度为28mm。
在采用上述设置方式后，将铝箔体与水基相变材料3结合，利用导热材料体1的特性，能增强水基相变材料3的导热系数，从而增强水基相变材料3的导热率，实现高效储能。
如图1至图2所示，亲水海绵2为PVA海绵但不限于PVA海绵，PVA海绵采用已经商用化的厚度为2mm，孔隙率为85％、孔隙直径为50μm～1.5mm的PVA海绵，多个PVA海绵排列后形成的整体尺寸为(168×28×2)mm3；
PVA海绵和水结合的新型水基海绵相变蓄冷复合材料是多种材料和相变材料结合性能对比后选取的最佳材料，对比结果如下表1所示；
已知亲水海绵2的孔隙率为85％，水的潜热为330kJ/kg，实验测量新型水基海绵相变蓄冷复合材料的质量为0.5kg，经过计算可以得出新型水基海绵相变蓄冷复合材料的理论蓄冷量为136kJ，理论储能密度为272kJ/kg；本次实验以0.3g/s流量下测得的释冷量作为实际蓄冷量即为134kJ，因此该新型水基海绵相变蓄冷复合材料的实际储能密度为268kJ/kg；对比下表1中其他复合相变材料计算得出的实际储能密度，新型水基海绵相变蓄冷复合材料在各方面的性能有了很大的提升。
表1
*：通过表1的数据进行等效计算得出，\：未提及。
储能密度(即总蓄冷量/总质量)的计算公式为：
表观热导率为：κeff＝κPCM*ε+κM*(1-ε)，
其中ε为基体孔隙率，LPCM、κPCM、ρPCM分别为相变材料的潜热、热导率和密度，κM、ρM分别为为基体材料的热导率和密度。
在采用上述设置方式后，利用亲水海绵2高吸水能力、密度低、有弹性、孔径小等特点，将其作为水基相变材料3的基体，能将水基相变材料3均匀吸附于亲水海绵2的孔隙中，提高储能密度，增大对水基相变材料3的毛细作用力以平衡地面上的重力，实现地面试验等效验证，实现航天应用中高能量密度的要求，增大水基相变材料3的储能密度。
如图1至图2所示，水基相变材料3为去离子水但不限于去离子水。
在采用上述设置方式后，去离子水由于其突出且优异的潜热值，可实现航天应用中高能量的需求，其热导率也优于其他相变材料，能更高效地储能释能。
如图1至图2所示，疏水海绵4为聚氨酯海绵，聚氨酯海绵的厚度为5mm。
在采用上述设置方式后，利用聚氨酯海绵不吸附水基相变材料3的特点，可抵消水基相变材料3冷冻结冰时的体积膨胀。
如图1至图2所示，疏水海绵4的体积和亲水海绵2的体积占比不小于1：19，疏水海绵4的体积和亲水海绵2的体积占比不大于1：9。
在采用上述设置方式后，疏水海绵4和亲水海绵2的体积占比在1：9到1：19之间，该占比使亲水海绵2和疏水海绵4所发挥的效果达到较佳状态。
如图1至图2所示，两疏水海绵4外还设有外壳5，外壳5包围导热材料1、亲水海绵2、水基相变材料3和疏水海绵4；外壳5的前端面为透明塑料片50，外壳5的其他端面为导热金属片51；透明塑料片50为亚克力片但不限于亚克力片，导热金属片51为铝片但不限于铝片。
在采用上述设置方式后，利用外壳5封装，可实现水基相变材料3在微重力的太空环境中需要固态化的要求；同时铝片是导热金属片51，可增强该新型水基海绵相变蓄冷复合材料的导热性能，亚克力片是透明塑料片50，可方便后续验证实验时观察该新型水基海绵相变蓄冷复合材料的变化；同时该新型水基海绵相变蓄冷复合材料能有效降低研制成本。
本发明还提供一种效果验证方法，如图3所示，
S1，利用外壳对新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行封装处理，外壳的前端面采用亚克力片制成，外壳的其他端面采用金属铝片制成；
S2，将新型水基海绵相变蓄冷复合材料连接平行流换热器，平行换热器两端再各自连接热电偶，形成一个相变蓄冷器作为验证的主体；
S3，进行实验装置一和二的搭建；
进行实验装置一的搭建：用不锈钢管依次连接导通相变蓄冷器、科氏力流量计、泵、第一手阀和预热器，在科氏力流量计和泵之间外接第二手阀和储液器，用第二手阀控制储液器的运行，在泵两侧外接DPS装置，在第一手阀和预热器之间外接APS装置；
进行实验装置二的搭建：用胶管依次连接导通微通道换热器和恒温水箱；
S4，进行实验装置一和实验装置二的连接：将平行流换热器与多个TEC片的冷端连接，将微通道换热器与多个TEC片的热端连接；
S5，往恒温水箱中通入工质水，使其在实验装置二中循环流动；
S6，给定多块TEC片3.0A的电流，使其对新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行蓄冷直至完全凝固；
S7，待蓄冷完成后，往平行流换热器中通入温度为25℃的工质R134a，使其在实验装置一中循环流动，且流动方向朝相变蓄冷器到科氏力流量计；
S8，提取新型水基海绵相变蓄冷复合材料的冷量；
S9，用泵和科氏力流量计调控实验装置一中循环回路的质量流量，获得不同流量下新型水基海绵相变蓄冷复合材料的释冷情况，同时用照相机透过外壳的前端拍摄记录新型水基海绵相变蓄冷复合材料的变化。
如图3所示，这是一个典型的泵驱两相控温回路，通过对储液控温，进而控制工质的饱和温度。泵6-4可以提供稳定的流量；预热器6-6的作用是让进入平行换热器6-1的工质接近饱和温度，能够有效抑制系统的不稳定性，提升换热效率。TEC片9能给水基相变材料3制冷，TEC片9热端的热量通过微通道换热器8-1中的冷却水(由恒温水箱8-2提供)带走；科氏力流量计6-3用于测量回路的流量；DPS装置6-12用于测量回路的阻力；APS装置6-13用于测量回路的压力。
通过上述效果验证方法，可得出在蓄冷实验过程中，新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度随时间变化如图4所示，其蓄冷时长约为80mins，过冷度为0.8℃。
通过上述效果验证方法，可得出在释冷实验过程中，不同流量下新型水基海绵相变蓄冷复合材料的温度变化随时间变化如图5至图8所示，把冷量利用率定义为释冷量与蓄冷量的比值，当流量很小时，近似认为此时冷量利用率为100％，得出的新型水基海绵相变蓄冷复合材料在不同流量下的释冷性能如下表2所示，可发现新型水基海绵相变蓄冷复合材料的冷量利用率随着流量的增加而减少。
| 流量 | 0.3g/s | 0.6g/s | 1.0g/s | 2.0g/s |
| 释冷量(kJ) | 134 | 126 | 76 | 44 |
| 释冷时间(mins) | 206 | 193 | 95 | 24 |
| 释冷效率(％) | 100 | 94 | 57 | 33 |
表2
在采用上述设置方式后，可通过蓄冷实验和释冷实验，对新型水基海绵相变蓄冷复合材料的导热性、蓄冷储能等性能进行效果验证；通过泵6-4和科氏力流量计6-3调控循环回路的质量流量，获得不同流量下新型水基海绵相变蓄冷复合材料的释冷情况，同时用照相机7透过透明的亚克力片，实时拍摄记录新型水基海绵相变蓄冷复合材料的变化，从而获得更多的数据及照片作为支撑。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，
包括导热材料体、亲水海绵、水基相变材料、疏水海绵；
所述导热材料体设有多个凹位，相邻的所述凹位的开口朝向相反；
多个所述亲水海绵一一放置于多个所述凹位中；
所述水基相变材料吸附于多个所述亲水海绵中；
两所述疏水海绵分别置于所述导热材料体的两侧。
2.根据权利要求1所述的新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述导热材料体为铝箔体。
3.根据权利要求1所述的新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述亲水海绵为PVA海绵。
4.根据权利要求1所述的新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述水基相变材料为去离子水。
5.根据权利要求1所述的新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述疏水海绵为聚氨酯海绵。
6.根据权利要求1所述的新型水基海绵相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述疏水海绵的体积和所述亲水海绵的体积占比不小于1：19，所述疏水海绵的体积和所述亲水海绵的体积占比不大于1：9。
7.根据权利要求1所述的新型水基相变蓄冷复合材料，其特征在于，两所述疏水海绵外还设有外壳，所述外壳包围所述导热材料、所述亲水海绵、所述水基相变材料和所述疏水海绵。
8.根据权利要求7所述的新型水基相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述外壳的前端面为透明塑料片，所述外壳的其他端面为导热金属片。
9.根据权利要求8所述的新型水基相变蓄冷复合材料，其特征在于，所述透明塑料片为亚克力片，所述导热金属片为铝片。
10.一种效果验证方法，其特征在于，
S1，利用外壳对所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行封装处理，所述外壳的前端面采用透明材料制成；
S2，所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料连接平行流换热器，所述平行换热器两端各连接热电偶，形成一个相变蓄冷器作为验证的主体；
S3，进行实验装置一和二的搭建；
进行实验装置一的搭建：依次管道连接相变蓄冷器、科氏力流量计、泵、第一手阀和预热器，所述科氏力流量计和所述泵之间外接第二手阀和储液器，第二手阀控制储液器的运行，所述泵两侧外接DPS装置，所述第一手阀和所述预热器之间外接APS装置；
进行实验装置二的搭建：依次管道连接导通微通道换热器和恒温水箱；
S4，进行实验装置一和实验装置二的连接：将所述平行流换热器与多个TEC片的冷端连接，将所述微通道换热器与多个所述TEC片的热端连接；
S5，往所述恒温水箱中通入工质水，使其在所述实验装置二中循环流动；
S6，向多块所述TEC片接通电流，使其对所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料进行蓄冷直至完全凝固；
S7，往所述平行流换热器中通入工质R134a，使其在所述实验装置一中循环流动；
S8，提取所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的冷量；
S9，用所述所述泵和所述科氏力流量计调控实验装置一中的质量流量，获得不同流量下所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的释冷情况，同时用照相机透过所述外壳的前端拍摄所述新型水基海绵相变蓄冷复合材料的变化。
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2022
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