相變材料十四酸改良凝固-熔化研究

李芃 周民

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

相變材料十四酸改良凝固-熔化研究

李芃 周民

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

本文介紹了相變材料十四酸在蓄熱技術(shù)中的應(yīng)用，用FLUENT軟件模擬了純十四酸及向其中添加不同質(zhì)量石墨組成的復(fù)合相變材料的相變過(guò)程，并對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。所得到的結(jié)論對(duì)十四酸及其與石墨組成的改良相變材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用、相變蓄能裝置的設(shè)計(jì)具有一定的理論參考價(jià)值。

相變材料 十四酸 熔化 凝固 石墨

蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率、解決能量供求失衡的主要技術(shù)，在“削峰填谷”、廢熱和余熱回收等節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。蓄熱材料是蓄熱技術(shù)的關(guān)鍵，相變材料是比較常見的蓄熱材料。

FLUENT軟件可以模擬相變材料球體的凝固-熔化過(guò)程溫度場(chǎng)規(guī)律。FLUEN軟件包中提供了相變模型、湍流數(shù)學(xué)模型、輻射數(shù)學(xué)模型等[1]。

本文相變材料采用的是十四酸，十四酸的特性如下：

1）十四酸相變溫度實(shí)測(cè)53～54℃，屬于固-液相變材料，實(shí)測(cè)相變潛熱為199kJ/kg，導(dǎo)熱系數(shù)0.26W/ (m·K)，54℃時(shí)相對(duì)密度為0.861×103kg/m3。

2）十四酸屬于脂肪酸類相變材料，無(wú)毒無(wú)污染，液態(tài)相變材料呈中性，體積變化率為13.03%，低于大多數(shù)相變材料相變過(guò)程體積變化率，因此對(duì)容器的封裝、承壓、使用壽命等影響較小。

3）十四酸為有機(jī)類相變材料，化學(xué)性能穩(wěn)定，和儲(chǔ)能器相容性好，幾乎不存在過(guò)冷現(xiàn)象。

4）十四酸價(jià)格便宜，用途比較廣泛。

由此，本文選用相變材料十四酸作為蓄熱材料，分析研究其蓄、放熱特性，為其在蓄熱技術(shù)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 物理模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

相變材料裝于球形的容器中。當(dāng)環(huán)境溫度高于材料相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生熔解，固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；當(dāng)環(huán)境溫度低于材料的相變溫度時(shí)，相變材料向環(huán)境放熱發(fā)生凝固，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

首先，對(duì)物理模型作如下假設(shè)：①相變溫度保持不變；②相變材料固液兩相比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度為常數(shù)，不隨溫度發(fā)生變化，各向同性；③相變中熱量傳遞導(dǎo)熱為主，忽略自然對(duì)流影響。

根據(jù)FLUENT的融化/凝固理論，數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為[2]：

式中：t為凝固時(shí)間，s；H為任意時(shí)刻的焓，kJ/kg；href為基準(zhǔn)焓（初始焓值），kJ/kg；ρ為密度，kg/m3；ΔH為相變潛熱項(xiàng)，kJ/kg；h為顯熱焓，kJ/kg；β為液相率，β=0（T＜Tmel）t或β=1（T＞Tmel）t；T為球內(nèi)任意時(shí)刻的溫度，K；Tmelt為相變溫度，K；Cp為定壓比熱，J/(kg·K)；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·2K)；L為物質(zhì)的相變潛熱，kJ/kg。

2 FLUENT模擬分析結(jié)果

2.1 幾何模型和劃分網(wǎng)格

對(duì)直徑D=65mm球模擬，壁面為固壁邊界。利用軟件Gambit建模和網(wǎng)格劃分。在Gambit的Mesh模塊中選四邊形單元，球劃分計(jì)算網(wǎng)格圖1所示。Mesh size：NODES=1125792，QUADS=34050，HEXAS= 1108500。

圖1 球形網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)設(shè)置

在FLUENT中，選擇2D分離式、非穩(wěn)態(tài)求解器Solidification/Melting模型模擬球體冷凝過(guò)程。輸入?yún)?shù)：相變溫度為53.4℃；相變潛熱為199.7kJ/kg；密度為0.861×103kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)為0.26W/(m·K)；比熱容為2.26J/(g·℃（)56℃）。分別模擬兩種情況：

1）邊界為固壁第一類邊界條件，輸入相應(yīng)的壁面溫度25℃，初始化溫度定為70℃；

2）邊界為第一類邊界條件，輸入壁面溫度70℃，初始溫度為25℃。

2.3 模擬結(jié)果及分析

從圖2可以看出，相變材料熔化分三階段，開始階段溫度陡升，在達(dá)到相變溫度階段，保持一段時(shí)間溫度不變，最后再急劇上升。

圖2 十四酸熔化模擬曲線

從圖3可以看出，相變材料凝固分三階段，開始階段溫度陡降，在達(dá)到相變溫度階段，保持一段時(shí)間溫度不變，最后再急劇下降。

圖3 十四酸凝固模擬曲線

從上述參數(shù)可以看出，十四酸相變溫度適中，相變潛熱較大，但是導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)低，因此傳熱效果差。

3 添加石墨改良十四酸的傳熱特性

通過(guò)添加物得到的相變材料是一種典型的復(fù)合相變材料，這種材料有許多特點(diǎn)。添加導(dǎo)熱系數(shù)高的材料進(jìn)入導(dǎo)熱系數(shù)較低的相變材料中，使相變材料導(dǎo)熱系數(shù)增加，是一個(gè)比較常用的方法。常用添加物有金屬粉末、石墨粉末、金屬網(wǎng)格、碳纖維等具有高導(dǎo)熱系數(shù)的添加物，或者將相變材料進(jìn)行封裝來(lái)增加其導(dǎo)熱能力。添加金屬物，可能存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，金屬的密度一般較高，會(huì)存在比較嚴(yán)重的分層現(xiàn)象；第二，有些相變材料會(huì)腐蝕金屬。

設(shè)置恒溫水浴溫度為70℃，將十四酸置于三個(gè)燒杯中，待其熔化，然后在燒杯中加入石墨粉末，其中石墨粉末的百分比分別為5%、7.5%、10%。利用高速剪切乳化機(jī)制備得到復(fù)合相變材料，然后進(jìn)行復(fù)合相變材料的蓄放熱實(shí)驗(yàn)。

將復(fù)合相變材料封裝在直徑為65mm的球體中，球體材料為PPT，材料厚度為0.5mm，采用銅-康銅熱電偶（精度為±0.5℃）測(cè)試球體中心的溫度，采用數(shù)據(jù)采集儀記錄溫度變化情況。恒溫水域溫度設(shè)定為70℃，將球體放入恒溫水域加熱融化，得到如圖4所示的融化曲線。

圖4 融化曲線

從圖4中的融化曲線可以看到，在70℃恒溫水域中，純十四酸達(dá)到70±0.5℃的時(shí)間為66min，潛熱蓄熱在57min之后完成；添加5%石墨的十四酸達(dá)到恒溫水域溫度的時(shí)間為63min，其中完成潛熱蓄熱的時(shí)間為52min；添加7.5%石墨的十四酸達(dá)到恒溫水浴溫度的時(shí)間為59min，其中完成潛熱蓄熱的時(shí)間為48min；添加10%石墨的十四酸達(dá)到恒溫水浴溫度的時(shí)間為53min，其中完成潛熱蓄熱時(shí)間為38min。表明隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱和達(dá)到恒溫水浴溫度的時(shí)間縮短。添加5%、7.5%、10%石墨的十四酸融化達(dá)到恒溫水浴溫度70±1℃的時(shí)間較純十四酸分別縮短了4.545%、10.61%、19.70%；完成潛熱蓄熱的時(shí)間則分別縮短了8.772%、15.79%、33.33%。

再將球體從水域取出，放置在25℃的空氣環(huán)境中進(jìn)行冷凝放熱。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到如圖5所示的凝固曲線。

圖5 凝固曲線

從圖5中的凝固曲線可以看出，所有十四酸單元的初始溫度為70±0.5℃，純十四酸在25±0.5℃的室內(nèi)環(huán)境中，從初始溫度為69.4℃開始放熱凝固，完成潛熱釋放的時(shí)間為170min，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度25±0.5℃的時(shí)間為291min；添加5%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時(shí)間為 160min，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度的時(shí)間為280min；添加7.5%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時(shí)間為140min，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度的時(shí)間為270min；添加10%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時(shí)間為130min，達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度的時(shí)間為268min。隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱釋放和達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度的時(shí)間縮短。添加5%、7.5%、10%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時(shí)間比純十四酸縮短了5.882%、17.64%、23.53%；達(dá)到室內(nèi)環(huán)境溫度的時(shí)間較純十四酸縮短了3.780%、7.216%、7.904%。

從上述分析結(jié)果可知：①添加石墨能縮短十四酸的蓄、放熱時(shí)間，提高蓄、放熱速率，強(qiáng)化傳熱效果；②強(qiáng)化效果與添加量有關(guān)系，隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱、釋放和達(dá)到周圍環(huán)境溫度的時(shí)間縮短；③分析圖4、圖5還可以得知：添加石墨對(duì)于固相導(dǎo)熱速率的影響要比對(duì)液相的影響大得多。圖5中表示為固相區(qū)，幾類曲線的差異較大；圖4中表示的液相區(qū)，則幾乎重合。這主要是因?yàn)槭陨淼膶?dǎo)熱率很高，添加石墨可以明顯增加復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在液相時(shí)，熱傳遞主要以熱對(duì)流的形式進(jìn)行，添加石墨對(duì)其傳熱速率的增強(qiáng)就不明顯；固相時(shí)，由于沒(méi)有對(duì)流傳熱，十四酸的導(dǎo)熱速率本身就低，此情況下添加石墨，對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的增強(qiáng)效果就很明顯。因此添加石墨是一種有效改善相變材料整體傳熱效果的方法。

4 結(jié)論

1）本文的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，該模擬結(jié)果具有參考性，F(xiàn)luent可作為分析相變傳熱的一種方法，且在分析相變傳熱問(wèn)題中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的編程，可以根據(jù)不同的要求修改參數(shù)就可以得到所需的結(jié)果，具有簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。

2）添加石墨能縮短十四酸的蓄、放熱時(shí)間，提高蓄、放熱速率，強(qiáng)化傳熱效果；強(qiáng)化效果與添加量有關(guān)系，隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱、釋放和達(dá)到周圍環(huán)境溫度的時(shí)間縮短；添加石墨，對(duì)于固相導(dǎo)熱速率的影響要比對(duì)液相的影響大得多；添加石墨是一種有效改善相變材料整體傳熱效果的方法。

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004

[2]郭茶秀,熊輝東,魏新利.蓄冷球凝固的FLUEN數(shù)值模擬研究[J].節(jié)能技術(shù),2005,(11):134-136

Re s e a rc h on Pha s e Cha nge Ma te ria ls Fourte e n Ac id Modifie d Solidific a tion a nd Me lting

LI Peng,ZHOU Min
College of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University

This paper introduces a phase change material fourteen acid in the application of regenerative technology, phase transformation in the process of using FLUENT software to simulate the pure fourteen acid and adding different quality of graphite to which the composition of the composite phase change material,and the simulation and experimental results are analyzed.The conclusion has certain theoretical reference value to the design of device application,improvement of phase change material fourteen acid and graphite component in practical engineering phase change storage.

phase change material,fourteen acid,melting,solidification,graphite

1003-0344（2015）03-077-3

2014-5-5

李芃（1988～），男，碩士研究生；上海嘉定區(qū)曹安公路4800號(hào)（201804）；E-mail:zhouminyingpin@163.com