膨胀石墨_石蜡复合相变材料相变过程的热分析

膨胀石墨/石蜡复合相变材料相变过程的热分析/吕学文等

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膨胀石墨/石蜡复合相变材料相变过程的热分析*

吕学文1,考宏涛1,李 敏2

(1 南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009;2 东南大学江苏省土木工程材料重点实验室,南京211186)摘要 利用膨胀石墨的层状结构及其高热导率制备了膨胀石墨/石蜡复合相变储能材料。采用层状复合材料的热传导模型,通过ANSYS软件对膨胀石墨/石蜡复合相变材料的相变过程进行数值模拟。结果表明,与纯石蜡相变材料相比,膨胀石墨/石蜡复合相变材料中加入膨胀石墨的强化传热性能效果很显著。

关键词 膨胀石墨 石蜡 相变材料 数值模拟 热分析

ThermalAnalysisinPhaseTransitionProcessofExpandedGraphite/

ParaffinWaxCompositePhaseChangeMaterials

LUXuewen1,KAOHongtao1,LIMin2

(1 SchoolofMaterialsScience&Engineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009;2 JiangsuKeyLaboratoriesofCivilEngineeringMaterials,SoutheastUniversity,Nanjing211186)Abstract Withthelayeredstructureandhighheatconductivityofexpandedgraphite,phasechangematerialsofexpandedgraphite/paraffinwaxwerecompounded.Withtheuseoftheheattransfermodeloflayeredcomposites,thephasechangeofthephasechangesmaterialsofexpandedgraphite/paraffinwaxweresimulatedbyANSYS.Theresultsshowthatcomparedwiththepureparaffinwaxphasechangematerials,theheatperformanceofthephasechangematerialsofexpandedgraphite/paraffinwaxissignificant.

Keywords expandedgraphite,paraffinwax,phasechangematerials,numericalsimulation,thermalanalysis

0 引言

相变储能技术能解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,满足人们对工程和产品的技术经济要求,同时又能提高能源利用率[1]。由于单一相变材料的热传导性都很低,在发生相变过程中容易出现泄漏问题,影响其在储能技术领域的应用。复合相变储能材料既能有效克服单一无机物或有机物相变储热材料存在的缺点,又可以改善相变材料的应用效果及拓展其应用范围,在此领域国内外学者做了很多实验研究和理论分析。膨胀石墨是由天然鳞片石墨经石墨插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质,经过高温膨化后,石墨原先的平面层明显裂开而产生不均匀变形,且平面层呈卷曲状态,表面为网状孔型结构。利用膨胀石墨具有良好的吸附性能和导热性能的特点,将液态石蜡吸附在膨胀石墨的孔道内,制备出具有高导热系数的石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料。张正国等[2]对石蜡/膨胀石墨复合相变材料的微观结构及热性能进行了研究。Ah mentSar1[3]利用膨胀石墨对石蜡的吸附效果好,研究了其复合材料的热导率和潜热能。

从目前的文献看,关于膨胀石墨/石蜡复合相变储热材料的性能研究主要集中于测试导热系数和储、放热性能。汤 *国家自然科学基金(50808042)

勇等[4]建立了纤维复合相变材料相变问题的焓法求解传热

模型,用以求解复合相变材料在相变过程中流体温度和固 液相变界面随时间和空间的变化,借此模拟分析相变蓄热材料

[5]

的放热性能。王哲斌采用FLUENT软件对其蓄热熔化过程进行数值模拟,获得了石蜡熔化过程温度场分布、熔化时间以及相界面移动规律。本研究则是在前期工作基础上采用层状复合材料的热传导模型[6],通过ANSYS模拟软件强大的热分析功能,分析研究膨胀石墨/石蜡相变过程中材料内部的温度场分布。

1 石墨/石蜡复合相变材料的物理模型

图1为膨胀石墨/石蜡复合相变材料的热传导模型。在层状石墨中填充石蜡,形成分布均匀的复合相变材料,整个复合材料体系可以看成由基本单胞重复堆砌而成。在单元体顶面施加恒定温度载荷,其它面施加绝热边界条件,热流由顶面流入,底面流出。对于所研究的石墨/石蜡复合相变材料可作如下假设:(1)石蜡与膨胀石墨之间不存在空隙,相变材料各向同性;(2)忽略相变材料固、液态热物性的不同,并认为相变材料的热物性参数均为常数;(3)相变温度是在一定温度范围内;(4)相变过程中热量传递以导热为主,忽略自然对流的影响;(5)对外界环境的无热损。

吕学文:男,1984年生,硕士研究生,主要研究方向为复合相变材料的热性能 E mail:lxwwll@http://doc.guandang.net 考宏涛:通讯作者,副教授 Eil:cn

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材料导报B:研究篇 2011年2月(下)第25卷第2期

(7)

T=T0,t=0

3 数值模拟与分析

相变问题是一种非线性的瞬态热分析问题,非线性与线性问题的唯一差别在于非线性问题需要考虑相变过程中吸收或释放的潜热(物质发生物态变化,在温度不发生变化时吸收或放出的热量)。ANSYS通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热,图2为由固态到液态的相变过程中焓值的变

[9]

化曲线。

图1 膨胀石墨/石蜡复合相变材料的热传导模型Fig.1 Heattransfermodelofexpandedgraphite/paraffin

waxcompositephasechangematerials

2 数学模型

考虑到膨胀石墨与石蜡之间由于传热特性的不同会引

[7]

起局部热不平衡现象,建立了不同的温度模型,运用2个能量方程分别求解膨胀石墨与相变材料之间的温度场[8]。

控制方程:2kmmcp (0 y h) (m=1,2)2= x

(1)

m=1时材料是膨胀石墨,m=2时材料是石蜡。

(1- )( c)s=

2Ts 2Ts

(1- ) s(+)-H(Ts-Tl) (m=1)

22

m

图2 由固态到液态的相变过程中焓值的变化曲线Fig.2 Theliquidphasefromsolidtoprocesstheenthalpy

variationcurve焓值的变化 H可描述为密度、比热以及温度的函数: H=

c(T)dT

(8)

(2)

lll

+( c)lu+v=22 (+)+H(Ts-Tl) (m=2)l

22 ( c)l

(3)

由式(8)可见, H是密度与比热乘积对温度的积分,其

单位为J/m3。

通过相关实验研究并进行性能测试,相变材料石蜡的焓值见表1,材料的其它热特性参数见表2。

表1 相变材料的焓值

Table1 Theenthalpyofphasechangematerials温度/ 焓值/(J/m)

3

采用焓法求解,以焓为变量,建立满足整个求解域的能量方程。由于焓包含了潜热,相变的影响自动地包含在焓形式的能量方程中,因而不需要考虑固/液移动界面。假定相变过程在一定温度范围内发生,则焓可以表示为温度的分段连续函数。

cs(T-Ts) T<Ts H=

sl+(T-Ts) Ts T Tl

2Tl-Ts

cs+cl

(Tl-Ts)+L+cl(T-Tl) T>Tl2

(4)

00

23

8

25

8

401.16 10

9

2.37 108.61 10

表2 材料的热物性参数

Table2 Thethermalphysicalparametersofmaterials材料密度 /(kg/m3)

导热系数K/(W/(m ))比热容c/(J/(kg ))

石蜡7890.32.56

膨胀石墨4.10129710

式中:c为定压比热;下标s和l分别代表相变材料固相和液相;[Ts,Tl]为相变温度区间;H为单位质量的焓值;L为单位质量的相变潜热。

边界条件:

=0,t>

0,x=0,l(5)

x

-k=h(Tf-T),y=0,h(6)

:

从图3(a)中可以看出纯石蜡有一部分还处在相变区,图3(b)中上 …… 此处隐藏：7249字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……