相变传热（精选六篇）
相变传热 篇1
蓄热技术作为缓解能源危机的一个重要手段,有着广泛的应用前景和现实意义。电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰与低谷的负荷差异问题。蓄热技术中所使用的相变材料具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能,因而通过恰当的设计将相变材料引入建筑围护结构中,可以使室外温度和热流波动的影响被削弱,把室内温度控制在舒适的范围内。
平板式相变蓄热器结构简单,相变容器内部可布置传热管道,可实现同时充放热。相变蓄热器内相变材料在融化过程中的相变界面的移动规律一直都是工程技术人员所研究的焦点,文章对所设计的板式相变蓄热器的融化过程进行了FLUENT数值模拟,分析了自然对流对融化过程所带来的影响和不同的放置方式(竖直放置和横放)所带来的不同融化效果。
2 传热模型
如图1a)所示为相变换热器的三维图形,相变换热器壁面和内部存放相变材料的空腔壁面的材质都为铝。图1b)为板式相变换热器的一个计算单元,热媒体按照箭头所示的方向流入板式蓄热器,矩形腔内存放的是相变材料采用CaCl2·6H2O,由于热媒体向矩形腔内传热,使空腔内的相变材料融化,其余的两个壁面绝热,即不考虑蓄放热过程中这两个面与外界的散热损失。
为了方便分析,对物理模型作以下假设:
相变材料各向同性;
相变材料空腔之间的相互影响不考虑;
忽略空腔的壁面厚度对传热的影响;
相变材料的热物性随温度发生变化,固态和液态的热物性不同;
在垂直于计算单元方向上没有热量传递。
根据上述假设,将三维模型简化为二维模型,并对相变材料的融化过程进行数值分析。如图1b)所示,计算单元的上下壁面为绝热表面:
温度连续:
热流密度连续:
耦合边界的第三类边界条件:
在初始状态下,蓄热体内部处于平衡状态,蓄热空腔内和热媒体通道内的温度是相等的,因为没有热量输入或者输出,于是有:
3 计算结果和讨论
选择的FLUENT软件中的Solidifacation/Melting模型。对板式相变换热器的融化过程和不同的放置形式进行模拟,得出有无自然对流情况下液相分数和传热密度随时间的变化关系,见图2,图3。
由于重力所影响的液体密度差的存在,在融化过程中,液体区域会存在自然对流,自然对流会对液体的融化过程产生一定的影响。
图2显示了无自然对流和有自然对流的情况下融化过程中不同时刻固液界面随时间的变化关系,从图2中可以看出由于自然对流的存在,融化过程所需要的时间比无自然对流所需要的融化时间大约缩短了40 000 s,并且竖放融化时间比横放的融化时间少5 000 s,从图3中可以看出在开始大约7 000 s内,有无自然对流和不同放置形式的热流密度大约是相等的。对于有无自然对流的两种情况,由于在融化开始的一段时间内,空腔内的液体量很少,几乎没有自然对流存在,传热形式主要是热传导。但是7 000 s以后,有自然对流的情况要比无自然对流情况下的热流密度大,并且有自然对流的情况下,流体壁面的热流密度随着时间的变化有一定的波动,在这段时间内,流体的传热形式由7 000 s 之前的热传导为主转变为对流换热为主。正是由于7 000 s之后自然对流的作用,使7 000 s之后的热流密度出现了波动,同时比无自然对流情况下的融化时间缩短了长达40 000 s。对于不同的放置方式,在融化开始的一段时间内,热流密度也是大致相等的,但是从7 000 s以后竖放过程中的热流密度要比横放中的大,只是由于竖直放置形式更有利于自然对流的形成。
4 结语
文章研究了自然对流对相变材料融化性能的影响和不同的平板放置形式所需要不同的融化完成时间,并在FLUENT模拟的基础上分析了有无自然对流的情况下相变材料融化过程中液相分数和流体壁面热流密度随时间的变化关系,得出了以下结论:
1)自然对流对融化过程有一定的促进作用。
2)由于自然对流的促进作用,竖直放置的融化速度要快于横放的,所以在放置蓄热器时要尽量采用竖放以充分利用相变过程中的自然对流。
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相变材料应用于墙体的数值传热研究 篇2
随着生活水平的提高,人们对室内热环境的舒适性要求越来越高,建筑能耗也随之增加,造成能源消耗过快、环境污染加剧[1]。早在20世纪80年代中期,一些国外的学者就对相变墙体传热问题进行了大量研究。相变墙体传热理论研究与模拟的难点在于相变材料求解域中存在一个运动的界面,即在相变材料的熔化和凝固过程中,其固体和液体边界是运动的,且运动取决于其潜热被吸收或释放的速度,故其边界的位置是未知的。Hadjieva[2]等采用焓法建立了相变传热模型,并用有限差分法进行求解。Hunter等以及Amdjadi相继提出焓法是求解相变传热问题中动态边界的最合适的方法。由于混合相变材料(如石蜡和高密度聚乙烯制成的定形相变材料)的相变温度存在一个变化范围,可采用焓法通过建立能量平衡方程求解,以消除移动界面的影响。该方法可用于求解多相传热问题,相变墙体内各点的温度可求,从而可以确定其热物性。
我国在相变储能的理论和应用研究方面起步较晚,与加拿大、美国、日本等国家相比还较薄弱,但近年来取得了很多研究成果。把相变储能材料(Phase Change Material,PCM)添加到建筑材料中,构成围护结构,可以改善房间的热舒适性,并且可以充分利用太阳能,使冬季室内最低温度升高,夏季最高温度降低,达到真正意义的建筑节能[4,5]。相变储能理论及在建筑节能和暖通空调领域中的应用研究,涉及到建筑、材料、工程热物理、暖通空调等多学科,属于交叉学科问题,研究相变储能理论与技术,不仅具有学术价值,还会产生明显的经济效益和社会效益。相变储能材料是一种具有特定功能的物质,它能在特定温度或温度范围内发生物质相态的变化,并且伴随着相变过程吸收或放出大量的相变潜热,所以可用来储热或蓄冷[6]。把相变储热材料以不同形式加入到建筑材料中构成相变墙体,已成为目前国内外研究的热点[7]。将相变材料与传统建筑材料复合制成的相变储能墙板,具有调节温度的能力,可以减小建筑物内部的温度波动,提高室内环境的舒适度,还可以降低建筑能耗[8]。因此,相变储能墙板在建筑节能环保领域具有广阔的应用前景。
1 模型建立
1.1 物理模型的建立
普通墙体和相变墙体的结构图如图1所示。复合相变墙体结构主要由3部分组成,内外层是普通混凝土墙体层,中间层为相变层,由石蜡和高密度聚乙烯按一定质量比混合,形成定形相变石蜡。石蜡和高密度聚乙烯的熔点相差较大,把二者的混合物放入电炉中加热到140℃左右,当混合物全部熔融后,取出用玻璃棒搅拌均匀,放在空气中降温,聚乙烯首先凝固并形成空间网状结构,而石蜡被束缚在网状结构里,这样就形成了均匀的石蜡和高密度聚乙烯组成的定形相变材料。材料的物性参数如表1所示。
为了方便计算和建立数学模型,这里对相变墙体模型作出如下假设[9]:
1)相变物性参数(导热系数、比热容)在每相中不随温度发生变化,在处于熔融状态时,参数随温度线性变化。液相时为牛顿不可压缩流体,层流流动。
2)相变储能混凝土内物性参数均匀,且各向同性。
3)墙体的厚度远小于其宽度与高度,认为沿高度和宽度方向温度变化很小,只沿厚度方向变化,即其传热过程为一维导热过程。
4)材料发生相变时忽略体积变化,流体符合Boussinesq假设。
5)室内各处的空气温度均匀一致,即室内空气作为整体考虑。
1.2 数学模型的建立
为了方便分析,将太阳对外墙的辐射换热,外墙与室外的对流换热简化为外墙体表面温度按283.2~318.2K按余弦波周期24h变化。分别建立相变墙体内部以及墙体内表面与室内空气之间的热传递平衡方程。由于石蜡融化相变具有一定的温度范围,在介质内部将存在固相区、糊状区(固液共存区)和液相区3个不同性质的状态区。
1)墙体普通混凝土层。
动量方程如下。
式中:u—x方向速度,m/s;
v—y方向速度,m/s;
Amush—糊状区域的连续数,一般值在104~107;
ε—系数,取小于0.0001的数;
β—液相率,即液相体积分数;
t—时间,s。
其中,为了防止被零除,Amush、ε用于在糊状区构造一大小合理的力,限制糊状区速度的发展。
能量方程:
式中:cp—定压比热,J/(kg·K);
H—潜焓,J/kg;
L—相变潜热,J/kg;
β—液相率;
TS—相变起始点温度,即固相温度,K;
TL—相变终点温度,即液相温度,K。
2 模拟结果与讨论
文中分别对不同厚度的相变材料层的墙体做了模拟分析,相变材料层厚度d取0.05m、0.1m、0.15m,与不添加相变材料的墙体以及不同物性的相变材料墙体进行了模拟计算。
2.1 墙体温度分布
为研究水平方向上墙体内部的温度分布,分别选取普通墙体和不同厚度相变材料层墙体在蓄热过程中对应水平方向上的5个测点(A、B、C、D、E)上的温度随时间变化。
在外墙壁周期性温度波的作用下,不同作用时间、不同相变墙体厚度下墙体内部水平各点的温度随时间的变化,如图2所示。由图可以看出,墙体的显热-潜热-显热三段储能过程。如相变墙体厚度为0.1m,其相变材料的潜热储存发生在0.1~0.2m段混凝土层之间,该层的温度波传递速率明显减缓,正因为这层相变材料层的存在,当受到来自于外界温度波的热作用时,该层相变材料周期性地发生融化-凝固过程,吸收/释放大量的潜热,阻碍了热流在混凝土层中的传递。可见,相变墙体越厚,因其蓄积吸收的潜热量较高,热惰性较大,则内层的温度越低,因而较厚的相变墙体具有明显的节能意义。
2.2 相变材料层熔化发展
各时刻的相变材料层液相分数如图3所示。分别取8、14、20h的相变材料层的熔化情况,用液相率直观地来表达,即液相体积分数,其定义为:θ=Vliquid/Vtotal。不与普通墙体作比较。
由图3可以看出,由于重力的作用,相变材料层的混合石蜡从左上方开始熔化,右下方部分的石蜡最后熔化,相变界面的形态呈现出一条斜率为正的斜线,且斜率随着时间的增大而减小,石蜡的熔化整体上呈顺时针方向。厚度0.05m的相变层在T=14h时就几乎已完全熔化,未能取到较好的蓄能效果;而厚度为0.1m的相变层是在T=20h时完全熔化,并且此时外壁面已经降低,相变材料开始凝固放热以至于内侧墙体温度不会过低;当相变层厚度再增大时,即使在20h时,相变材料都不会完全熔化,产生资源浪费,因此最佳宽度选择在0.1m。
2.3 内墙温度和热流的波动
内墙表面温度和热流随时间的变化如图4、图5所示。不加相变材料时,内墙温度在12.5~30℃波动,温差较大,舒适性不高;随着相变层的增宽,温度波动愈趋于平稳,而相变层宽度在0.1m再增加时,蓄能效果增加不明显。
相变材料层取0.1m,添加不同物性的相变材料对内墙温度的影响由图6显示,通过改变石蜡和高密度聚乙烯的混合比例,得到不同潜热值的相变材料,ABCD分别代表潜热值为160k J/kg、200k J/kg、230k J/kg、260k J/kg时对热量传递的影响。
通过对不同物性的形变材料墙体的模拟,发现相变材料的潜热越高,墙体的蓄能效果越好,墙体的内外温差就越小,具有更好的舒适性。这是因为材料的潜热大,热量传递至相变材料层,达到熔点,材料发生相变,吸收更多的热量储存在材料中,当外界温度降低时,相变材料区开始凝固,释放出储存的能量,以至于夜晚墙体内侧表面的温度不会降的过低,大大地提高了房间热舒适性能。
3 结语
1)墙体中添加相变材料,可降低墙体表面温度及其热流波动,减小通过墙体的传热量,相变墙体比普通墙体节能,具有更好的舒适性。
2)选择合适的相变材料层厚度对提高蓄能效果非常重要,最佳厚度应取能使其完全熔化-凝固循环,文中最佳厚度确定在0.1m,有助于较好地发挥其相变材料的功能,更好地提高室内空气温度的稳定性。
3)储能墙体中的相变材料的潜热值也是影响室内空气温度波动的重要因素之一,潜热值越大,墙体表面温度越低,温度波动越小,通过墙体的热流越小,节能效果越明显。
摘要：分析相变材料的特点和相变墙体传热理论研究与应用现状,指出相变墙体材料的研制方向。对不同构造相变墙体建立了传热理论模型,采用显热容法运用数值模拟方法模拟了在周期性变化的室外边界条件下,相变储能墙体内的传热过程及墙体内表面的温度变化。计算结果表明:储能墙体中的相变材料层是影响墙体传热的重要因素之一。
关键词：相变墙体,显热容法,数值模拟,传热
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相变传热 篇3
关键词：控温热箱,相变材料,建筑节能
随着社会的发展, 在我国建筑能耗占总能耗的1/3, 其中耗能最大的就是建筑采暖和建筑空调;所以如何节约建筑能耗尤其是空调采暖方面能耗尤为重要。相变材料能够在外界温度高于相变温度时熔化吸热, 当外界温度低于相变温度时凝固放热, 运用这种特性可以将相变材料放置在建筑外墙中增加墙体的热惰性, 从而减小外界环境对房间的影响, 起到建筑节能效果[1]。清华大学张寅平、林坤平等人通过对不同气候地区夏季相变墙房间热性能的计算得到夏季平均温度低于25℃时相变墙房间使用效果最好[2]。肖伟等人通过研究定形相变墙板在建筑中的运用得出相变墙板能够起到很好的隔热作用, 在夏季选择相变温度为32~33℃的相变石膏板效果最佳[3], 在冬季相变温度选择为20℃时保温性能最佳[4]。Alvaro de Graciaa等人通过实验得到通风相变墙能起到有效的节能作用[5]。LüShilei等人通过建立相变墙房间和普通房间进行对比得到相变墙房间的温度更加稳定, 相变墙房间散入到外界的热量更少, 保温效果明显[6]。Izquierdo-Barrientos等人研究得到相变材料放置在墙体不同位置、墙体的不同朝向、不同季节都对相变墙体的传热有影响, 而且不同外界条件对应的相变材料最佳相变温度也不一样[7]。Xu L等人分析建筑物室内热舒适性得到, 建筑围护结构中有空气层时热舒适性较好[8]。Salyer等人将相变材料与混凝土结合, 对相变材料稳定性做了研究[9]。Hawes等人对相变材料兼容性做了研究[10]。李丽莎、闫全英等人用不同的方法制备相变墙体并经传热实验得到相变墙体表面温度和热流相对普通墙体都有所降低, 分层插入比一层插入制成的相变墙体有更好的热惰性[11]。陈超, 刘宇宁等人研究得出复合相变墙体用于被动式太阳能房间能提高太阳能储能效率, 减小室内温度波动[12]。
本文以空心砌块为基体材料, 癸酸为相变材料, 使用控温热箱装置, 对比普通墙体和相变墙体控制箱内温度和热流的变化, 得出相变墙体对节能的影响的主要因素。
1 实验材料与装置
1.1 实验仪器和材料
实验仪器:Agilent数据采集仪 (34970A) , 朝阳温控仪 (CKW—1) , 控温热箱装置。
实验材料:空心砌块, 相变材料 (癸酸) 。
1.2 癸酸热物性参数DSC测试
实验中所使用的相变材料为癸酸, 是一种脂肪酸。为了得到癸酸的热物性参数, 使用DSC (差示扫描量热法) 对癸酸进行测试。测试中试件升温和降温速率均为5℃/min, 得到癸酸的DSC测试曲线如图1所示, 癸酸熔化区间为21.8~34.1℃, 在温度32.9℃时吸热量最大;凝固区间为16.7~27.1℃, 在温度26.4℃时放热量最大。经计算得到癸酸熔化和凝固时的潜热分别为138.04 k J/kg、150.97k J/kg, 综合出癸酸的热物性参数如表1所示。
1.3 控温热箱实验装置
空心砌块尺寸为长×宽×高=380 mm×190mm×190 mm, 用坐浆法将空心砌块的底面用水泥封闭, 将空心砌块边侧的孔中用癸酸填满制成相变砌块如图2所示。将相变砌块砌成1 m×1 m的相变墙体, 并在墙体的左右两面均匀放置多组热电偶和热流计用来测量相变墙体两面的温度与热流, 如图3所示。
实验使用控温热箱实验装置, 原理图和装置图如图4、图5所示, 整个装置与外界隔热。将相变墙体放入试件架中, 墙体一侧为变温热箱, 由温控装置控制变温热箱内温度随时间进行周期性变化, 用均热板和电扇使箱内温度均匀;控制箱内没有任何加热或冷却设备, 只能与墙体进行热传递。控温热箱和控制箱内均有一组热电偶用来测量两个箱内的温度变化情况。
2 实验方法与过程
实验中搭建两组墙体, 一组为相变墙体, 一组为用空心砌块搭建的普通墙体。两组墙体分别放置在变温热箱实验装置的试件架中进行对比实验。
实验使用控温热箱法, 通过温控仪控制变温热箱内温度以24 h为周期进行正弦波动, 通过Agilent数据采集仪记录变温热箱、控制箱、墙体两面的温度随时间的变化结果, 并将数据传入电脑, 数据采集仪每5 min采集一组数据。
实验中控温热箱内选取三组不同温度波幅的波动, 波动a:16~39℃、波动b:0~67℃、波动c:-3~62℃。测得不同温度波动下相变墙与普通墙控制箱内温度的变化情况。
3 结果分析
3.1 相变墙与普通墙控制箱内温度变化
变温热箱内温度波动为波动a时控制箱内温度变化如图6 (a) 所示, 普通墙控制箱内温度的波动为22.9~28.8℃, 波幅2.95℃;相变墙控制箱内温度波动为24.3~28.4℃, 波幅2.05℃, 比普通墙体减小了30.5%。这说明相变墙在温度升高时相变材料熔化吸热, 在温度降低时再凝固放热, 对于整个传热过程起到了削峰填谷的作用。波动a条件下普通墙对应的温度延迟为6.7 h, 相变墙则为7.2 h, 比普通墙延迟增加0.5 h。同理得出波动b和波动c的普通墙与相变墙控制箱内的温度波动衰减与延迟如表2所示。
由表2可以得到波动c对温度的衰减最大为46.7%, 波动b对温度的衰减最小为27.5%, 相变材料癸酸的熔化温度区间为21.8~34.1℃, 平均温度为27.95℃, 变温热箱内波动a、b、c的平均温度分别为27.5℃、33.5℃、29.5℃。波动a、c与波动b进行对比, 波动a、c的平均温度与相变材料的平均相变温度更加接近, 相变墙控制箱内温度波动几乎都在相变材料的熔化温度区间内, 这说明充分利用了相变材料的相变潜热, 提高了对温度的衰减度;而波动b相变墙控制箱内温度波动的最大值为37.4℃超出了相变材料的最大相变温度, 超出的部分则不能利用相变材料的相变潜热, 所以其对温度波的衰减效果要低于波动a与波动c。波动a与波动c进行对比可知, 变温热箱内温度波动越大就越能充分利用相变材料相变潜热, 温度波的衰减也就越大。
波动a、b、c变温热箱内振幅分别为11.5℃、33.5℃、32.5℃, 波动a的振幅明显小于波动b、c, 较大的温度振幅能够更加充分的利用相变材料的相变潜热, 所以相变墙控制箱内温度波延迟波动a明显小于波动b、c。波动b与波动c进行对比, 波动c平均温度更加接近相变材料平均相变温度, 波动c比波动b更多的利用了相变材料的相变潜热, 尽管波动b的振幅略高于波动c, 但是波动c对温度波的延迟要大于波动b。
实验中控温热箱模拟外界环境, 实验墙体模拟建筑外墙, 控制箱模拟室内空间, 变温热箱内不同温度波动a、b、c代表不同外界环境。所以总结得到:相变墙体对温度波衰减和延迟的主要影响因素是外界温度波动的平均温度和温度振幅, 当外界波动平均温度与相变材料平均相变温度越接近、振幅越大, 温度的衰减和延迟效果越好。
3.2 相变墙与普通墙控制箱内热流变化
实验中普通墙和相变墙传入到控制箱内的热流由贴在墙面的热流计测出, 不同波动情况下传入到室内的热流如图7所示, 从图中可以看出, 相变墙传入到控制箱内热流的波幅要小于普通墙, 而且热流也有一定的延迟作用。说明在传热的过程中相变材料通过相变作用吸收和放出热量使热量传播更加均匀。热流的平均值用公式 (1) 求得, 式中qi为i时刻的热流。
由表3相变墙与普通墙进行对比得到, 相变墙传入到控制箱内的热量有一定的衰减, 波动c的衰减效果最佳。热流衰减和延迟的趋势一致, 对比波动a和波动b可知变温热箱内温度波动越大, 热流衰减越大;对比波动b和波动c可知, 变温热箱内平均温度与相变材料平均相变温度越接近, 热流衰减越大。
推广得到影响热流衰减和延迟的主要因素是外界温度波动与平均温度, 当波动越大、平均温度越接近相变材料平均相变温度则热流的衰减和延迟越大。
3.3 得热量分析
对于3.2节中热流的分析, 假设为了保证一定的舒适度, 当有热流传入到控制箱时开启制冷, 制冷量与传入的热流相当, 当控制箱向墙体传出热量时则不开启任何制冷与制热装置, 使用公式 (2) 对图7中三种波动进行得热量计算。
式 (2) 中:q为热流, W/m2;t为时间, s;A为墙面面积, A=1 m2;Q为总得热量, J。
计算结果如图8所示, 相变墙控制箱比普通墙控制箱得热量有不同程度的减少, 波动a衰减25.7%, 波动b衰减23.3%, 波动c衰减33.2%。此结果与温度衰减结果相一致, 说明得热量衰减与外界温度波的平均温度和波幅有关, 当外界波动平均温度与相变材料平均相变温度越接近、振幅越大, 得热量衰减效果越好。
4 结论
本文采用控温热箱实验装置对普通墙体与相变墙体进行对比实验, 实验装置中控温热箱模拟外界环境, 墙体模拟建筑外墙, 控制箱模拟室内环境, 通过改变变温热箱内温度波动 (即不同外界条件) 来研究控制箱内 (即室内) 温度、热流、得热量的变化情况并推广到工程应用。结果得到:
(1) 当建筑外墙使用相变墙体时, 室内的温度波动、热流和得热量均小于普通墙体, 说明相变墙体节能性更好。当外界温度波幅越大, 温度波动平均温度越接近相变材料平均相变温度则室内温度和热流波动的衰减和延迟越大, 得热量衰减越大, 节能效果越佳。
(2) 实际中由于外界条件是不可控的, 相变墙体为了达到最佳的节能效果, 只能改变相变材料的相变温度, 要使得相变材料相变温度与外界温度波动的平均值相近才能达到较高节能效果。
(3) 通过分析外界温度波幅对相变墙体节能效果的影响, 得到当外界昼夜温度变化较小时相变墙体的节能性能较小, 所以相变墙体适合运用在外界昼夜温度变化较大的地区。
参考文献
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相变传热 篇4
1 相变过程中温度场的数学模型
1.1 守恒方程
由于相变材料相变前后表面性质不发生变化(固体),且假设所研究物质为各向同性。不考虑容器壁与周围空气的换热,容器内的整个相变过程基本上可看成是一个无热源的非稳态轴对称导热过程,其守恒方程为:
1.2 初始条件
对本试验,刚开始放入低温环境时,温度变化很小,因此可认为试验初始温度为在未放入低温环境时所测的温度,且各点的温度保持相等。
其中,T0为初始温度。
1.3 边界条件
中心轴边界和容器底边界为绝热,容器侧面为第一类边界条件,将试验测得容器的壁热电阻温度作为此边界条件。
1.4 轴对称温度场“变分”方程的推导
用Galekin法对式(1)在整个D内作变分运算得:
其中,D为平面温度场的定义域;T为一个温度试探函数,它是一个近似值;Wl为加权函数,Wl=TTl(l=1,2…),将式(6)利用格林公式并引入边界条件。
综合边界条件式(3),式(4),式(5),删去式(7)中的线积分后,可得单元e内的积分计算式为:
由于整体区域D是全部单元的总和,故:
将温度插值函数和加权函数代入式(8)得单元刚度矩阵,将其代入式(9)得总体刚度矩阵:
其中,[K]为温度刚度矩阵(热传导矩阵);[N]为非稳态变温矩阵(热容矩阵);{T}为节点温度矩阵;为节点温度对时间的导数矩阵。
1.5 时间域的离散
冻结过程是非稳态过程,现应用有限差分方法处理温度对时间的微分。研究表明:向后差分法无条件稳定不振荡,且当时间步长足够小时,也能很好地满足精度要求。将两点向后时间差分格式代入式(10),得到求解非稳态温度场矩阵方程:
2 基于ANSYS的计算机模拟
2.1 有限元几何模型
采用轴对称映像自由网格划分生成图元的建模方法完成几何模型的创建。整个模型均采用四节点平面体单元(Plane55),单元自由度为TEMP,单元行为为轴对称(Axisymmetric)。单元数为104,节点数为273。
2.2 相变潜热及物性参数设置
含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态热分析问题。相变问题需要考虑相变潜热,即在相变过程吸收或释放的热量。ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑相变潜热,即热焓法,其计算公式为:
其中,ρ为密度,是常数;cp为定压热容,是温度的函数;H为物质的焓,kJ/m3。
2.3 加载并求解
由于边界加载的温度是随时间变化的,其加载过程与恒温加载不同。具体过程如下:先将试验测得的筒壁温度和相对应的时间导入Array Parameters,使参数定义成数组形式。在ANSYS内部建立宏(宏是包括一系列ANSYS命令并且后缀为.mac的命令文件;宏文件往往记录一系列频繁使用的ANSYS命令序列,实现某种有限元分析或其他算法功能),应用APDL提供的*DO-*END循环的流程控制调用已定义的数组,并将随时间变化的温度以载荷步形式循环加载。初始温度设定为4.5℃,分析类型为“Transient”,打开时间积分,自动时间步长设置为ON,在设定瞬态积分参数时,将THETA的值设置为1,模拟时间为216 000 s,载荷步为200步,渐变加载,并使用Predictor和Line Search功能改善收敛性。
3 结果与分析
试验与数值计算的部分结果见图1~图4。其中图1和图2为纯EPS的温度分布云图(计算结果)和发热点、EPS边缘、内空中心的温度—时间图。从图1和图2可以看出,三点温度变化趋势基本一致,说明整个系统处于稳定传热状态,这一点符合稳态传热规律。
其中图3和图4为EPS+PCM的温度分布云图和发热点、EPS边缘、内空中心的温度—时间图。从图3和图4可以看出,三点温度变化趋势不一致,在相变期内,相变潜热的大量释放,程度不同地出现了平台区,越靠近热源,平台区产生的越早,持续时间越短,表明越靠近热源,相变越早发生,而且相变越早完成;说明整个系统处于非稳定传热状态,这一点符合稳态传热规律。
4 结语
1)进行了内空长方体相变试验和有限元模拟,并基于ANSYS的有限元分析法对其传热过程进行了计算机模拟,结果表明:计算机模拟与试验结果相吻合,传热过程中越靠近热源相变越早发生,相变持续时间越短;相变前越靠近低温区,升温速率越小,升温曲线的线性分布越明显。2)基于ANSYS热分析的有限元分析方法在相变过程中的温度场研究准确地反映了温度场的分布及相变过程,为后续的应力场及显微组织分析提供理论基础和前提条件。
参考文献
[1]冯国会,高甫生.复合相变储能墙体热特性实验及参数辨识方法[J].沈阳建筑工程学院学报(自然科学版),2004(7):80-81.
[2]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002:367.
相变传热 篇5
相变蓄能技术是利用某些材料相变过程中伴有吸能或释能的原理, 实现余热贮存释放的一种技术。它可以把间断、不稳定的热量暂时储存起来。在不影响内燃机性能的同时, 借助相变蓄能技术将冷却液或尾气中的余热暂时贮存起来, 用以提升发动机的动力性或改善车辆的乘坐环境, 也是一种提升内燃机效能的新思路, 对于提高整车的能量利用效率具有一定的意义。
本文基于内燃机冷却循环的余热利用, 借助FLUENT软件, 通过一型简单的相变蓄能结构, 对其蓄释能过程及具体的蓄释能特性进行了分析。
1相 变 蓄 能 器 的 结 构 模 型 及 网 格划分
1. 1 相变蓄能器的结构模型
本文相变蓄热器以冬季条件下除冰和暖机作为主要功用。其三维结构如下图1所示。图中实体部分为相变材料, 空腔部分 为冷却液, 两者对流换热。
考虑到冷却循环的温度较低, 本文选择八水氢氧化钡Ba ( OH) 2·8H2O作为相变材料。
1. 2 结构模型的网格划分
基于ICEM分别对相变材料与流体域部分进行网格划分。划分网格时, 冷却液流场域选用四面体混合网格, PCM工质域选用结构化网格, 将已划分冷却液与PCM网格合并, 作为整体进行耦合模拟计算。
划分好的相变材料的与冷却液流体区域的网格模型如图2, 3所示。
2 参数设置
Ba ( OH) 2·8H2O物性参数如表1所示。
2. 1 模型简化
鉴于相变蓄能器中能量的蓄释及流动过程极其复杂〔2, 3〕, 为便于分析, 对模型进行简化如下〔4〕:
( 1) 忽略相变工质环腔单元体间的作用;
( 2) 假定PCM工质密度为恒定常数;
( 3) 假定流动媒体与蓄热工质单元体间换热系数恒定;
( 4) 不考虑环腔式蓄能单元体壁厚以及封装容器厚度作用;
( 5) 不考虑接触热阻作用;
( 6) 不考虑蓄热工质单元体间支撑架影响。
2. 2 边界条件设置
本文为非稳态模拟, 选择Solidification /Melting模型模拟相变材料的融化过程; 设定重力沿Y轴负方向, 初始温度 为288. 15K; 按表1定义Ba ( OH) 2·8H2O的各物性参数; 设定PCM为流固耦合面, 外管绝热; 能量方程的离散选择一阶迎风差分格式, 压力耦合项选择SIMPLEC算法, 压力梯度选择PRESTO格式; 设定监视相变过程中截面温度的变化和相变区域的液相分数变化。
3 数值仿真与结果分析
3. 1 标准工况下的蓄能过程
物理模型描述: 标准工况下, 即冷却液的进口速度为V = 0. 113m/s, 发动机冷却液温度为368. 15K, 相变蓄能器相变材料的初温度为253. 15K。
经分析, 蓄能过程中不同时刻的相变材料融化状态如图5, 其中蓝色为液相分数β = 0, 代表固态, 红色表示液相分数β = 1, 代表液态。
通过图4可知, 靠近加热壁面的相变材料先融化, 此时液相区域很小。随着蓄能时间的增加, 在液相分数的增加的同时, 相变材料的融化速率越来越慢。重力对融化过程有一定的影响。
蓄热过程相变材料的液相分数及温度随时间的变化分别如图5、6所示:
综合分析图5与图6, 在固态显热蓄能阶段, 壁面处热流体与相变工质温差较大, 且PCM固态显热容量较小, 因而热流密度较大, 工质温度急剧升高; 而进入潜热蓄能阶段, 随着蓄热时间的增加, PCM温度升高, 液相比例增加, 传热热阻不断增大, 壁面传热速率变慢, 进而使得后期相变材料融化速度减慢, 完成蓄能融化的时间较长, 大约需要40min。
3. 2 标准工况下的释能过程
物理模型描述: 相变蓄能器在以标准工况进行能量释放过程中, 相变材料初始温度为368. 15K, 冷却液进口温度为253. 15K, 进口速度为0. 113m/s。
经分析, 不同时间段相变材 料释能过 程如图8:
通过图7可得: 与蓄能过程类似, 靠近壁面的相变材料最先凝固释热, 且重力作用对相变材料的凝固过程可以起到一定促进的作用。但与蓄能过程不同的是释能过程整体的相变速度更加均匀且迅速。
相变材料的液相分数随时间变化如图8:
释能过程中相变蓄能结构中出口处冷却液温度及相变材料温度随时间的变化如图9、10。
通过分析图8、图9以及图10可知: 在释热初始阶段液态相变材料显热释能, 由于与冷却液存在着较大的温差, 使得相变材料短时间内释放出了大量的热量, 冷却液温度迅速升高。而进入凝固过程初期, 整个PCM区的温度基本稳定, 且由于此时的液相分数较高, 导热性较差, 同时由于此时与冷却液保持了一定的温差, 因而冷却液温度依然在升高, 但此时的释热速度已有所降低。随着液相分数的增加, 导热性增强, 但释放的热量已较少。PCM继续释热直至与冷却液温度相同。完全相变大约2分钟时间, 对于启动释能来说, 时间比较合理。
3. 3 四种不同工况条件的释能过程
汽车发动机转速和扭矩决定了汽车运行工况, 冷却液流量随发动机转速成比例增加或减少, 因此汽车运行工况的变化也表现为蓄能器载热流体进口流速的变化。载热流体流速的平方根与平均对流换热系数成正比, 因而不同工况下的蓄能器进口流速对蓄放热过程都具有重要的影响。以释热过程为例进行研究。
发动机不同工况下特性参数如表2所示:
四种工况相变材料一凝固释能过程中液相分数随时间变化如图11。
分析图11, 在四种不同工况下冷却液进口速度不同, 在一定的范围内, 冷却液进口流速越快, 对流换热强度越大, 换热系数也越大, 换热过程得到增强, 相变材料完全相变所有的时间越短暂, 而对比V = 0. 136m/s ( 最大功率) 和V = 0. 113m/s ( 标准工况) 完全相变所需的时间, 则可知流速增大到一定数值后, 流速对换热过程的影响将减小。
4 结论与总结
( 1) PCM的的蓄能过程与释能过程有很大差异, 蓄能时间要长于释能时间, 但更大的温差有利于PCM的蓄能与释能速度的加快。
( 2) 在热阻不变的情况下, 增加流速有利于蓄热效率提高, 但流速增大到一定数值后, 流速对换热不的影响将减小。
( 3) 在重力的作用下, PCM的相变过程并不是均匀地进行的, 管道的下侧相变材料会先进行相变, 可见重力对相变材料的蓄能释能过程可以起到一定的促进作用。
参考文献
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[3]郭茶秀, 魏新利.热能存储技术与应用[M].北京:化学工业出版社, 2004
相变传热 篇6
膨胀石墨(expanded graphite,EG),又称石墨蠕虫,是以石墨为前驱体,经插层、高温膨胀而成的新型炭材料。其具有发达的孔隙结构和良好的热稳定性,模压成型后,石墨蠕虫间机械咬合可形成三维连通的导热网络结构,是一种理想的强化传热载体[8,9,10,11]。与石蜡复合后可形成三维网络互穿结构[12,13],能显著改善石蜡相变材料的导热能力[14],同时能够克服石蜡在融化时的渗漏等问题[15]。Zhang等[16]研究了膨胀石墨/石蜡复合材料的微观结构及热性能。Py等[17]将压缩膨胀石墨与石蜡复合,制备了定型相变复合材料。Zhong等[18]研究了不同密度的膨胀石墨/石蜡复合材料的热导率和储/放热性能。从目前的文献来看,对膨胀石墨/石蜡相变复合材料的研究主要集中在测试热导率和储/放热性能上,关于复合材料的微观结构与强化传热性能的关联性研究,却鲜有报道。
本实验制备了不同密度的压缩膨胀石墨(Compressed Expanded Graphite,CEG),并对其微观结构及导热性能进行了分析表征。随后,将石蜡(Wax)浸入CEG中制成不同质量分数的膨胀石墨/石蜡(CEG/W)复合材料,用测温仪测定复合材料的升温曲线,用热红外成像仪研究其的温度场分布,并与相同质量分数的石墨粉/石蜡(Graphite Powder/Wax,GP/W)复合材料进行对比,进一步建立了复合材料微观结构和强化传热效果之间的内在联系。
1 实验部分
1.1 试剂
膨胀石墨(以天然鳞片石墨为原料,经高氯酸、硝酸插层后于1000℃下膨化得到,膨胀率约为300倍),自制;固体石蜡[软化点50~52℃,热导率0.15W/(m·K)],市售;石墨粉(200目),国药集团上海分公司;四氢呋喃(分析纯),天津市北辰方正试剂厂。
1.2 样品制备
(1)称取一定质量EG,在钢制模具中模压成型,调整压缩比从而制得密度为0.050、0.083和0.133g/cm3,标记为CEG-A、CEG-B和CEG-C。
(2)将所得CEG放入融化的石蜡中,100℃抽真空浸渗6h后取出,得到百分数分别为6%(wt,质量分数,下同)、11%和16%的CEG/W复合材料。
(3)按一定质量比称取石墨粉(Graphite Powder,GP)和石蜡,在熔融状态下搅拌混合均匀。为使复合材料在加热测试时保持形状,将2cm×2cm×2cm的海绵块(孔径0.5~1mm)投入熔融体系,90℃下抽真空浸渗5min,取出后自然凝固成型。得到石墨粉质量分数分别为6%、11%和16%的GP/W复合材料。
1.3 样品表征
用扫描电子显微镜(加速电压10kV,S-4800型,日本日立公司)表征CEG的断面微观形貌;用正置金相显微镜(MV6000型,江南永新光学有限公司)观察CEG/W及GP/W样品的表面形貌。
用导热仪(LFA447/2-2lnsb NanoFlash型,德国耐驰公司)测定CEG的热扩散系数;在90℃油浴锅中放置一块表面光滑平整的铜板,铜板上沿高出油浴平面2cm,将样品切成1cm×1cm×1cm的块状立在铜板上,用数显调节仪(XMT-120型,配有热电偶,上海仪表集团)测定块状体顶部的温度,进而绘制升温曲线。
2 结果与讨论
2.1 CEG的结构与强化传热关系
2.1.1 CEG结构演变
通过SEM对EG和CEG的微观结构进行了分析表征[19]。EG结构通常大致分为三级。从整体上看,一个石墨蠕虫由多个“微胞”连接在一起组成“花蕾”状,为第一级结构,尺寸在几十到几百个微米量级;第二级结构为相互贯通的柳叶状亚片层结构,尺寸为几十个微米量级;第三级结构为网络状互相连通的亚片层结构,呈多边形无规则取向,尺寸在微米量级[20]。
实验发现:在没有压缩之前,蠕虫保持着完整的宏观形貌,大孔结构完整,如图1(a)所示;当对其施加压力后,蠕虫骨架发生塌陷,随着压缩程度增大[图1(b),(c)],EG的微胞结构遭到破坏,亚片层产生滑移,呈现出平行于压力方向的堆积,骨架之间的孔隙越来越小;当压缩程度达到一定值后[图1(c)],已经无法观测到完整的石墨蠕虫微胞结构,石墨亚片层呈取向性致密叠层堆积结构,图1(c)中已看不到孔隙的存在。在未压缩前[图1(e)],其亚片层保持着蜂窝状网络结构,加压后[图1(f)]CEG亚片层结构开始扭曲并叠压在一起,蜂窝状的孔逐渐闭合。
[(a)压缩前的EG,以及加压后;(b)CEG-A;(c)CEG-B;(d)CEG-C的垂直压力方向;(e)EG亚片层结构;(f)CEG亚片层结构]
2.1.2 复合材料形貌表征
图2展示了不同质量分数的CEG/W复合材料及GP/W复合材料的金相显微照片,其中明场为石墨相,暗场为石蜡相。由图2(a)、(b)和(c)可见,石蜡被良好的填充入CEG孔隙中,CEG保持着浸蜡前的形貌。当石墨质量分数较小时[图2(a),6%],石墨相保留着较大的孔隙,石蜡相与石墨相没有产生致密复合。随石墨相质量分数进一步增大[图2(c),16%],CEG骨架越来越致密,并均匀地填充在石蜡基体中,两相均呈连续分布形貌,形成成三维网络互穿结构。图2(d)表明,增强相石墨粉呈弥散状均匀分布于石蜡基体中,并被连续的石蜡相阻隔,形成孤岛。
[(a)6%的CEG/W;(b)11%的CEG/W;(c)16%的CEG/W;(d)11%的GP/W]
2.2 CEG热导率研究
图3(a),(b)分别为不同密度的CEG在不同方向的热扩散系数和热导率。热导率计算公式如式(1):
式中,k为热导率,W/(m·K);ρ为CEG的密度,g/cm3;Cp为鳞片石墨的比热容,kJ/(kg·K)。
如图3(a)所示,同一密度下,CEG在平行压力方向的热扩散系数比垂直方向小,呈明显的各向异性。随压力增大,平行压力方向的热扩散系数逐渐减小,而垂直压力方向的热扩散系数则逐渐增加。这是因为,在压力作用下材料结构发生了变化,即EG的亚片层在压力下逐步取向排列,形成片层堆积。这种亚片层结构继承了石墨晶体在导热性能上的各向异性,压片层面上的热导率高于亚片层之间的热导率。
如图3(b)所示,平行和垂直两个方向的热导率都随密度增大而增大,但垂直压力方向的热导率比平行压力方向的热导率增大得更快。根据公式(1),热导率随着材料密度增大而增大。虽然在平行压力方向上,热扩散系数有所减小,但由于密度的不断增大,CEG的热导率也缓慢增加。而在垂直压力方向上,CEG的热扩散系数和密度同步增大,因此材料的热导率增大更为迅速。
(其中∥代表平行于压力的方向,⊥代表垂直于压力的方向)
定义CEG的各向异性系数为在同一密度下,CEG在垂直压力方向与其在平行压力方向的热导率之比,得到CEG-A、CEG-B和CEG-C的各向异性系数分别为1.4、2.1和2.5,呈现出随着密度的增大而增大的趋势。
2.3 复合材料强化传热实验探究
图4是样品不同质量分数的CEG/W、GP/W以及石蜡的升温曲线。可以看出,复合材料大约200s可达平衡。对于CEG/W复合材料,随CEG质量分数增大,材料升温速率和平衡温度也相应增大(考虑复合材料对空气热辐射的影响)。而GP/W复合材料的升温速率和平衡温度则明显低于CEG/W复合材料,仅比纯石蜡略高。CEG/W在50℃以下时,其升温速率较稳定,将其近似为线性升温,可得到其升温速率分别为0.13、0.17和0.31℃/s;而GP/W和石蜡在试验时间范围内近似线性升温,可得到其升温速率分别为0.04和0.03℃/s。则质量分数分别为6%、11%和16%的CEG/W的升温速率比纯石蜡分别提高了4.3、5.7和10.3倍。而11%的GP/W的升温速率比纯石蜡提高了1.3倍。
3 结论
(1)在压力作用下,膨胀石墨的微观结构发生变化,产生沿压力方向取向的密堆积结构,导致其导热性能也产生各向异性,垂直于压力方向的热导率比平行于压力方向的热导率更大。随着密度的增大,压缩膨胀石墨的各向异性系数分别为1.4、2.1和2.5。与石蜡复合后形成的复合材料继承了这一特性,在导热性能上也产生类似的各向异性。
(2)实验条件下膨胀石墨的强化传热效果随着石墨相质量分数的增大而增大,其升温速率比纯石蜡分别提高了4.3、5.7和10.3倍。
摘要：以不同密度的压缩膨胀石墨为强化传热载体,制备了膨胀石墨/石蜡相变复合材料。在压力作用下,压缩膨胀石墨导热性能产生明显的各向异性,各向异性系数分别为1.4、2.1和2.5。压缩膨胀石墨骨架的高热导率使得石蜡升温速率分别提高了4.3、5.7和10.3倍。