膨脹石墨_石蠟復(fù)合相變材料相變過程的熱分析(模擬和計算)

1、 131 膨脹石昱/石蠟復(fù)合相變材料相變過程的熱分析/呂學文等膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變材料相變過程的熱分析.呂學文I,考宏濤I 李敏2（1南京工業(yè)大學材料科學與工程學院南京21OOO9i2東南大學江蘇省土木工程材料恵點實驗室南京211186）摘要 利用眇賬石星的層狀姑構(gòu)只其高熱導(dǎo)車制各了膨脹石吳/石培復(fù)合相變倚能材料。采用層狀夏合材外 的熱傳導(dǎo)樓里通過ANSYS牧件對夠脹石星/石蠟夏合相變材料的相變過枚進行敍值撲擬姑果表明與純石峪相 變材外相比內(nèi)脹石*/石蠟復(fù)合相交材斡中加入膨扳石X的良化傳拔性能效果很顯暮關(guān)仗詞影張石凰石蠟相變材料數(shù)值模擬熱分析Thermal Analysis in Phase

2、 Transition Process of Expanded Graphite/Paraffin Wax Composite Phase Change MaterialsLU Xuewen1, KAO Hongtao1, LI Min2(1 School of Materials Science & ELngineering. Nanjing University of Technology. Nanjing 210009$2 Jiangsu Key Laboratories of Civil Engineering Materials. Southeast University.

3、Nanjing 211186)Abstract With the layered structure and high heat conductivity of expanded graphite, phase change materials of expanded graphite/ paraffin wax were compounded. With the use of the heat transfer model of layered composites the phase change of the phase changes materials of expanded gra

4、phite/ paraffin wax were simulated by ANSYS. The results show that compared with the pure paraffin wax phase change materials, the heat performance of the phax change materials of expanded graphite/ paraffin wax is significant.Key words expanded graphite* paraffin wax. phase change materials numeric

5、al simulation* thermal analysis0引言相變儲能技術(shù)能解決能址供求在時間和空間上不匹配 的矛盾滿足人們對工程和產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟要求同時乂能 提島能源利用率由于單一相變材料的熱傳導(dǎo)性都很低. 在發(fā)生相變過程中容易出現(xiàn)泄漏何題影響其在儲能技術(shù)領(lǐng) 域的應(yīng)用.復(fù)合相變儲能材料既能有效克服單一無機物或 有機物相變儲熱材料存/£的缺點又可以改善相變材料的應(yīng) 用效果及拓展其應(yīng)用范圍在此強域國內(nèi)外學者做了很多實 驗研究和理論分析。膨脹石盡是由天然鱗片石墨經(jīng)石墨插 層、水洗.干燥.島溫膨化得到的一種疏松多孔的端蟲狀物 質(zhì)經(jīng)過島溫膨化后石墨原先的平面心明顯裂開而產(chǎn)生不 均勻變形

6、且平面層呈總曲狀態(tài)表面為網(wǎng)狀孔里結(jié)構(gòu).利 用膨脹石墨具有良好的吸附性能和導(dǎo)熱杵能的符點將液態(tài) 石蠟吸附柱膨脹石黒的仇道內(nèi)制備岀具有島導(dǎo)熱系數(shù)的石 蠟/膨脹石康復(fù)合相變倚熱材料.張疋國等&對石蠟影脹 石舉復(fù)合相變材料的微觀結(jié)構(gòu)及熱性能進行了研究.Ah- ment Sarl利用膨脹石舉對石蠟的吸附效果好研究了其復(fù) 合材料的熱導(dǎo)率和潛熱ftL從目前的文猷看關(guān)于膨脹石凰/石蠟復(fù)合相變儲熱材 料的性能研究主要集中于測試導(dǎo)熱系數(shù)和儲、放熱性能。湯 勇等建立了纖維復(fù)合相變材料相變問題的法求解傳熱 模型用以求解復(fù)合相變林料在相變過程中流體溫度和固液 相變界面前時間和空間的變化借此模擬分析相變蓄熱材料

7、的放熱性能.王哲斌;采用FLUENT軟件對其召熱熔化過 程進行數(shù)值模擬獲得了石蠟熔化過程溫度場分布、熔化時 間以及相界面移動規(guī)律。本研究則是在前期工作基礎(chǔ)上采 用層狀復(fù)合材料的煤傳導(dǎo)模型叫通過ANSYS複擬軟件強 大的熱分析功能分析研究膨脹石星/石蠟相變過程中材料 內(nèi)部的溫度場分布.1石墨/石蠟復(fù)合相變材料的物理模型圖I為膨脹石腹/石蠟復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)模型.在 屋狀石墨中填充石蠟形成分布均勻的復(fù)合相變材料整個 復(fù)合材料體系可以看成由星本單胞審復(fù)堆砌而成。在單元 體頂面施加恒定溫度載荷其它面施加絕熱邊界條件熱流 由頂面流入底面流出對干所研究的石墨/石蠟復(fù)合相變 材料可作如下假設(shè):（1）石蠟與

8、膨脹石履之間不存在空隙相 變材料各向同性$（2）忽略相變林料固液態(tài)熱物性的不同 并認為相變材料的熱物性參數(shù)均為常數(shù)；（3）相變溫度是在 一定溫度范闈內(nèi)$（4）相變過程中熱敬傳遞以導(dǎo)熱為主忽略 自然對流的形響（5）對外界環(huán)境的無熱損。國家自然科學基金（50808042）呂學文I男.1984年生碩士研究生主要研究方向為復(fù)合相交材料的熱性能E-mail： lxwwll考宏濤：通訊作 投 E-mail： kaohtnjut. eda cn 132 材料導(dǎo)報B：研究篇2011年2月(下)第25卷第2期(7)T = T09t 二 0 132 材料導(dǎo)報B：研究篇2011年2月(下)第25卷第2期圖1膨脹石/

9、石蠟復(fù)合相變材料的熱傳導(dǎo)模型 Fig, 1 Heat transfer model of expanded graphite/paraffin wax composite phase change materials(m=l)(3)(5)2數(shù)學模型考慮到膨脹石屢與石蠟之間由于傳煥待性的不同會引 起局部熱不平衡現(xiàn)象建立了不同的溫度模儀運用2個 能啓方程分別求解膨脹石墨與相變材料之間的淚度場旬.控制方程：M警(m= 1.2)(1)m=l時材料是膨脹石®<m=2時材料是石蠟 (l_e)(仟)，爭 »(1 一 幾(礬 + 勢)一 H(T. 乃)(2)“)嗇+ S)證+v黔卜

10、以 K箸 +H(T.-Tr) (m=2)采用熔法求解以爐為變試建立満足整個求解域的能 童方程。由于姑包含了潛熱相變的形響自動地包含在熔形 式的能最方程中因而不需要考慮固/液移動界面。假定相 變過穆在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生則熔可以表示為溫度的分段 連續(xù)西數(shù)cST-TJ T<T.(亨+ f)(T-T)T.CTCT, (Ti-T + L + ciCT-T,) T>T,(4) 式中沱為定壓比熱，下標s和1分別代表相變材料固相和液 相讓丁刀為相變溫度區(qū)間為單位質(zhì)做的熔值“為單 位質(zhì)依的相變潛熱.邊界條件，31上器=h(Tf C* = 0*A初始條件：3數(shù)值模擬與分析相變問題是一種非線性的瞬態(tài)熱分

11、析何題非線性與線 性問題的唯一差別在于非線性何題需要考慮相變過程中吸 收我腎放的淆熱(物質(zhì)發(fā)生物態(tài)變化在溫度不左生變化時 吸收或放岀的熱宦:)。ANSYS通過定義材料隨溫度變化的 熔來考慮潛羔圖2為由固態(tài)到液態(tài)的相變過程中焙值的變 化曲線.92由固態(tài)到液態(tài)的相變過程中焙值的變化曲線瞰 2 The liquid phase from solid to process the enthalpyvariation curve焙值的變化AH可描迖為密度、比熱以及溫度的函數(shù)：AH = P<r(T)dT(8)由式(8可見是密度與比熱乘枳對溫度的枳分其 單位為J/m通過相關(guān)實驗研究并進行性能測試相變材

12、料石蠟的熔 值見表1 材料的其它熱待性參數(shù)見表2.«1相變材料的焙值Table 1 The enthalpy of phase change materials溫度eo232540焙值/(J/mJ)02.37X1(/& 61X10”1. 16X109«2材料的梢物性參數(shù)Table 2 The thermal physical parameters of materials材料石蠟膨脹石屜密度 p/(kg/m$)7894.10導(dǎo)熱系數(shù)K/(W/(m-0.3129比熱容 c/(J/(kg-D)2. 56710從圖3Q)中可以看出純石蠟有一部分還處在相變區(qū)圖 3(b)中上

13、層石蠟已唯化底層若蠟也已經(jīng)全部融化.在添加 膨脹石決的膨脹石旻/石蠟復(fù)合相變材料中其融化過程中 的溫度分布也不均勻主要原因堆匕層石蠟受恒熱流溫度 升為發(fā)生相變而石蠟在相變過程中要吸收大億相變潛熱. 因而延緩了膨脹石星向下層石蠟進行熱址傳導(dǎo)的速率使整 個體系升溫相對緩慢進而造成上下溫度場分布也不均勻.由圖4(a可知由于純石蠟的熱導(dǎo)率低導(dǎo)致石蠟溫度 133 膨脹石禺/石蠟夏合相變材耕相變過稅的然分折/呂學文爭分布不均勻上展溫度遠述高干底層汩度圖4(b)中膨脹石 股與相變材料之間由于熱導(dǎo)畢的不同存:任局部叔不平衡現(xiàn) 象大部分熱笊由上広石蠟傳遞給膨脹石找再山膨脹石爪 傳遞給底總石鰐但石黠1：層和底圧卻

14、兒乎不仔花溫矗衣 明膨脹石冬仗膨脹石黒壞蠟茨合相變材料的熱旺傳導(dǎo)中電 到明浪的遙化作用.整體而吉加入彩脹石足百石輪的JU度 分布處溝勻右利于榊變睹能技術(shù)的應(yīng)用."叫"0 071 2Sf 叫W6 W巾U inu n<U NJ ?5| n UIM U A" w 0MW M： 4000 3純石細(町和膨脹石晝/石®I復(fù)合相變材料(b)5h溫度場分布Fig. 3 The temperature distributions of pure paraffin wax(a)and expanded raphite/pararfin wax(b) (5h)&quo

15、t;叫 y.JO呵 “XWm W 7 199 * 4019 151J9 24519 U 39.4M9 52M62W 11 ：'9 HI W 90640圖4純石妬(a)和膨系石/石紹復(fù)合相變材料(b)10h沮度場分布Fig, 4 The temperature distributions of purt? paraffin nsx(a)and expanded graphite/ para (Tin wax(b)( lOh)圖5為彬脹石巫/石蠟曳合相變林料物用模型中AJkC 點的溫灰R&時何變化的曲線，從圖5中可以斤出彬脹石巫 與周閣的石蠟溫度變化很接近說明此址合體系中膨脹右眾

16、在防止石蠟在相變過桎中泄娥的同肘熱斌傳遞過程中未損 耗或儲存任何利用其高熱導(dǎo)率住膨脹石裟/石第 復(fù)合郴變材料中充半強化介氐圖5 A.B.C的溫度曲線Fig. 5 Temperature curve of A,B,C4結(jié)論(1)加人膨脹石勰后右蠟在相變過程中溫度分布很均 勻起到的強化攸熱效果相4i明顯(2在膨脹石星/右蠟芨合林料復(fù)合林料熱傳遞過程中 膨脹石黑未損耗或誹“任何么駅只充當兵有髙熱導(dǎo)的強化 介質(zhì).參考文獻|張仁尤y相變材料勺郴變儲能技術(shù)m北京:科學陽版 社.20092 Zhang Zhcngguo(張正剛.Wang Xikw(Jl學泮) Eang Xiaoming(方曉明).Struc

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