347-多孔骨架对石蜡相变过程的传热影响分析.pdfVIP

多孔骨架对石蜡相变过程的传热影响分析 魏茂丰 (山东建筑大学热能工程学院，山东，济南 250101) （TelE－mail：weimf0524@163.com） 摘 要：本文选择石蜡为相变材料，通过有限元数值模拟的方法分析了石蜡的蓄热性能 与传热过程，并针对不同材料的多孔骨架对石蜡相变过程的传热影响进行了研究，分析了添 加不同骨架的石蜡蓄热过程中的相变发展过程与温度及速度分布情况。计算结果表明：添加 不同材料的骨架能够影响石蜡相变的蓄热性能，并且可以使整个蓄热容器里的温度分布更为 均匀。 关键词：数值模拟；多孔骨架；相变材料；固液相变 0 引言 随着生活水平的提高，人们对室内热环境的舒适度要求越来越高，建筑能耗也随之增加， 造成能源消耗过快、环境污染加剧 [1] 。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 [2-4] 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 。 就目前研究现状来看，潜热蓄热、显热蓄热和化学反应蓄热是目前常见的。与其他两种 蓄热方式相比，相变蓄热具有机械性和化学性稳定、蓄热密度大、蓄热过程近似等温、易控 制，安全可靠等优点。目前相变蓄能技术在很多领域都有较为广阔的前景，相变蓄热是合理 利用能源及减轻环境污染的有效途径，也是优化热能系统运行的重要手段。 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 [5] 。把相 [6] 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 。 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 [7-8] 。相变储能墙板在建 筑节能环保领域有很广阔的应用前景。 1 模型建立 1.1 物理模型 本文采用的物理模型为 10cm×10cm 的正方形，如图 1 所示。正方形内部充满石蜡。左 侧壁面为热壁面。其余壁面均为绝热壁面。相变材料为石蜡，相变温度为 45℃，相变半径 为 6℃。材料的物性参数见表 1。 a ）单质石蜡腔体 b ）添加多孔骨架腔体 图 1 单质石蜡腔体和添加多孔骨架腔体的结构图 为了方便计算和建立数学模型，这里对相变模型作出如下假设 [9] (1) 石蜡为纯物质，具有单一固定的密度和相变温度。 (2) 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。 (3) 多孔骨架内物性参数均匀，且各向同性。 (4) 材料发生相变时忽略体积变化，流体符合 Boussinesq 假设。 表 1 材料的物性参数 3 材料 比热容（J/kg·K ） 密度（kg/m ） 导热系数（W/m·K ） 混合石蜡( 固态) 2000 900 0.35 混合石蜡(液态) 2000 900 0.40 骨架 A(尼龙) 1700