题目：泡沫金属基高效复合相变储能研究

固－液相变储能技术是缓解热量生成和排散双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，能够有效的解决当今周期性高功率工作的电子设备的散热问题。但一般相变材料（Phase Change Material－PCM）的导热能力都较低，直接运用于大功率的电子设备温控是一个低效甚至无效的过程，因此亟需开展相变装置传热强化的研究。其中向相变材料中添加泡沫金属的复合相变储能概念有望获得高效、快速的新型相变储能装置。本文采用建模分析和实验研究相结合的方法，探讨了以泡沫金属作为填充材料的复合相变储能装置传热及储能特性。建立了在相变材料中添加金属翅片、金属颗粒以及泡沫金属时的简化几何模型，基于热阻方法推导出各种填充形式下复合相变材料的有效导热系数（Effective Thermal Conductivity－ETC）表达式，并运用有限元分析软件ANSYS对填充翅片时的相变过程进行了模拟。计算及模拟结果表明采用泡沫金属这种孔洞相互连通的均匀化结构作为填充材料，其整体效果要优于翅片和颗粒填充形式，可显著改善相变储能装置的传热性能及储能效率。采用瞬态平面热源（Transient Plane Source－TPS）法对实验用不同孔隙率的泡沫铜/石蜡复合相变材料等效导热系数、体积比热容及热扩散率进行了测量，提出体积比例加成方法对体积比热容进行计算并进行了验证，根据测量结果整理出等效导热系数计算关联式。测试结果表明填充高孔隙率泡沫铜能显著提高复合材料的导热系数，而对相变材料的潜热、熔点和比热容等物性影响很小。铜金属的体积添加百分比仅为1-97.79%=2.21%时，复合材料等效导热系数已达到原石蜡的8.16倍，在添加量为1-93.26%=6.74%时，其复合材料等效导热系数更达到原石蜡的25.72倍。制作了四种孔隙率的泡沫铜/石蜡复合相变储能实验装置，进行了不同功率下的储能实验，对实验件热源面的温升速率进行了分析，并分别用物性参数和实验结果对装置的储能效率（Thermal Storage Efficiency－TSE）进行了计算，两者较为吻合。以局部热平衡条件为前提对复合相变储能过程进行了建模分析，在准稳态解的基础上提出了综合评价填充泡沫金属对储能效果影响的相变储能强化度（Thermal Storage Intensifying Degree－TSID）概念，通过推导获得表征温升抑制强化度（Temperature Rejection Intensifying Degree－TRID）和相变换热强化度（Heat Transfer Intensifying Degree－HTID）的数学表达并对四种孔隙率泡沫铜/石蜡复合相变储能实验装置的储能强化度进行了计算。计算结果显示当添加金属含量达到6.74%时，复合相变材料相变过程中对温度波动的抑制能力已达到普通相变材料的13.01倍，而相变换热能力也达到了普通相变材料的2.68倍。为获得更高导热能力（ETC）和储能效率（TSE），提出了翅片与泡沫铜相结合作为填充物的概念。以孔隙率97.79%的泡沫铜与厚度分别为0.5mm、0.8mm、1.0mm的翅片相结合制作了复合相变储能装置，进行了不同功率下的储能实验，并通过稳态实验测得装置沿翅片方向的有效导热系数，对其储能效率（TSE）及储能强化度（TSID）进行了讨论。研究结果表明，翅片与泡沫铜综合运用于相变装置，极大提高了装置的导热能力和储能效率，厚度为1mm的翅片与孔隙率97.79%的泡沫铜作为填充材料时，装置沿翅片方向导热能力达到单纯石蜡的41.6倍，储能效率也达到普通相变装置的2.44倍，而复合相变装置的温升抑制强化度达到约19.18倍，相变换热能力强化度也达到了约3.10倍。