基于Ansys的相变墙体传热特性计算分析.doc

基于Ansys的相变墙体传热特性计算分析新癯建巍全国中文核心期刊基于Ansys的相变墙体传热特性计算分析柴国荣(国家知识产权局材料部,北京100088)摘要:基于Ansys软件建立数学模型,计算分析了不同厚度相变储能材料,不同相变墙体结构的传热特性.计算结果表明,相变储能材料越厚,相变墙体内层与室内环境界面温度随外界温度变化幅度越小,能够有效降低室内空调设备的能耗;相变储能材料厚度一定时,不同结构的相变墙体从节能降耗角度差别不大;相变储能材料位于墙体中心位置时节能效果较好.关键词:相变材料;传热;Ansys数值模拟中图分类号:TU551.1文献标识码:A文章编号:1001702X(2011)07007903NumericalanalysisoftheheattransfercharacteristicsofphasechangewallthroughansysCHAIGuorong(MaterialDept.ofStateIntellectualPropertyOfficeoftheP.R.C.,Beijing100088,China)Abstract:MathematicalmodelhasbeensetupbasedonAnsyssoftware.Theheattransfercharacteristicsofphasechangematerial(PCM)ofdifferentthicknessandwallofdifferentphasechangestructurearecalculatedandanalyzed.ResultsshowthatthethickerthePCM,thesmallerthefluctuationrangeoftheinterfacetemperaturebetweentheinnerlayerofphasechangewallandtheindoorenvironmentwiththeexternaltemperature,whichcaneffectivelyreducetheenergyconsumptionoftheairconditioningequipmentintheroomwhenthethicknessofPCMisconstant,theenergysavingperformanceisalmostthesameofdifferentstructureofphasechangepowerstoragewal1.Andenergysavingperformanceisbetterwhenthepositionofphasechangematerialisinthemiddleofthewal1.Keywords:PCM;heattransfer;AnsysnumericalsimulationO.前言相变材料(PCMs)利用物质的相变潜热来存储能量.由于物质相变时会吸收或放出大量热量,并且相变过程中材料的温度基本不变,因此,利用相变过程的这种特性,可以将多余的能量存储起来,在需要时再释放出来.目前,相变材料已在建筑材料,太阳能蓄能等领域获得应用.目前节能减排越来越受到重视.随着人们对居住环境舒适度要求的提高,空调,暖气等设备带来的建筑耗能也大幅提高.在建筑材料中加入相变材料,可以制成热容较高的建筑材料,有效地存储能量,降低建筑能耗.相变墙体材料是一种有广泛应用前景,节能效果较好的相变建筑材料.国内科研人员已对相变墙体开展了许多的研究.部分研究人员在研究工作中探索了采用Ansys软件进收稿日期:2011-0211作者简介:柴国荣,女,1981年生,河南商丘人,五级审查员.地址:北京市海淀区蓟门桥西土城路6号,电话Email:.行相关的计算分析.胡小芳和肖迪61将石蜡相变储能微囊与石膏复合制备了复合建材,检测了复合建材墙体温度对环境温度变化的响应,并基于Ansys软件建立模型进行了计算研究,结果表明,将相变储能材料引入到建材中,可达到降低建筑物内部温度,减小建筑物空调制冷系统容量的目的;Ansys计算结果与实验结果能够较好的符合.郭志强等f7利用Ansys软件对相变材料的相变过程进行模拟分析,并通过试验验证,模拟计算结果表明,Ansys模拟结果和试验结果基本一致.孙潇和邹钺罔利用Ansys强大的非线性分析功能,对相变材料的温度变化过程进行了模拟,将石蜡与石膏混合制成复合相变墙体,通过简化复合材料的物理模型仿真了墙体温度的变化过程.研究结果表明,在一侧受热的情况下温度沿厚度方向逐渐升高,但是升高速率缓慢,肋片状结构有助于相变材料吸热融化,储存潜热,提高吸收效率.樊建新9t基于Ansys的有限元分析法对EPS和EPS+PCM模型的相变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.已有研究结果表明,Ansys软件能够正确地对相变问题进行计算模拟.本文基于Ansys软件,计算分析了不同厚度石膏基石蜡相变储能材料,不同相变墙体结构和布局的节能降NEWBUILDlNGMATERIAL5?79?柴国荣:基于Ansys的相变墙体传热特性计算分析耗性能.l数学模型本文研究的相变墙体分为外层,中问层,内层.外层面向室外环境,材料为石膏板;内层面向室内,材料为石膏板;中间层根据本文中所研究的不同结构,由不同厚度石膏基石蜡相变储能材料和石膏板组成.石膏板部分的导热方程为(+)式中:石膏板的热扩散系数,l=且,其中kl,pl,c.分plcpl别为石膏板的热传导系数,密度,比热容.石膏基石蜡相变储能材料部分的导热方程为:(等式中:厂石膏基石蜡相变储能材料的热扩散系数,Or2=lL,其中k2,p,c分别为石膏基石蜡相变储能材料的热传皿导系数,密度,比热容,为相变过程吸热或放热.边界条件:(1)墙外层与室外环境界面为第一类边界条件,即给定边界点温度:71l=()(3)本文计算分析中采用的日温度变化如图1所示,最低温度为22,最高温度为38cc,日气温变化幅度为16.图1日温度变化示意(2)墙内与室内环境界面为第三类边界条件,即给定环境温度和对流换热系数:qf=,Y,)一(4)对于有空调系统的建筑,室内环境温度变化较小,可视为定值,计算中取室内环境温度T=22,对流换热系数h取5W/(m2?K).?80?新型建筑材料2011.7(3)初始条件初始温度取:TS:,Y,0)=2计算分析(5)本文通过Ansys建模,对不同相变墙体的传热情况进行计算分析,内容有:(1)中间层为不同厚度的石膏基石蜡相变储能材料;(2)中间层为厚度相同,结构不同的石膏基石蜡相变储能材料;(3)中间层为厚度相同,布局不同的石膏基石蜡相变储能材料.各分析工况中,相变墙体总厚度不变,为10cm;计算中采用的物性参数见表t和图2嘲.计算模型网格如图3所示.表1材料的热物性目j四瘿图2石膏基石蜡相变储能材料焓值曲线图3计算模型网格2.1不同厚度的石膏基石蜡相变储能材料通过计算分别研究了相变墙体含石膏基石蜡相变储能材料厚度为0,2,4cm时墙体的传热特性,图4为各算例中相变墙体内层与室内环境界面的温度曲线比较.柴国荣:基于Ansys的相变墙体传热特性计算分析3O29280赠2625240306O12O180时间/h4amT2cm一0图4不同厚度相变材料的计算结果从图4可以看出,无相变材料时,1d内相变墙体内层与室内环境界面温度变化幅度约为5.2;石膏基石蜡相变储能材料厚度为2cm时,界面温度变化幅度降低到约3.5;相变储能材料厚度为4cm时,界面温度变化幅度降至约1.5.因此,石膏基石蜡相变储能材料越厚,相变墙体内层与室内环境界面温度随外界温度变化幅度越小,能够有效降低室内空调设备的能耗.2.2厚度相同,结构不同的石膏基石蜡相变储能材料通过计算研究了石膏基石蜡相变储能材料的总厚度为4cm,3种不同结构(见图5,图中阴影部分为石膏基石蜡相变储能材料)的传热特性.计算结果见图6.室内fn./l/一,/,/1Cffl1am图5不同结构相变储能材料结构示意26?025.825?6p25?425.2赠25?O24.824.61cm+3cm3cm+1Clll4CII103060120180时间/h图6不同结构相变储能材料的计算结果从图6可以看出,石膏基石蜡相变储能材料总厚度一定的情况下,图5所示3种不同结构的相变墙体,内层与室内环境界面温度随外界温度变化趋势和幅度基本一致,变化不大.因此,3种相变墙体结构从节能降耗角度差别不大.2-3厚度相同,布局不同的石膏基石蜡相变储能材料通过计算研究了总厚度为4cm的石膏基石蜡相变储能材料分别位于偏向室外(距室外1cm),墙体中心线位置,偏向室内(距室内lcm)等3种不同布局的传热特性,计算结果见图7.3O2928赠262524?中间0306O120180时间/h图7不同布局相变储能材料的计算结果从图7可以看出,石膏基石蜡相变储能材料总厚度一定的情况下,对3种不同的布局,相变储能材料位于中心线的,在1d内相变墙体内层与室内环境界面温度变化幅度最小(约为1.5),平均温度也最低(约为25);相变储能材料偏向室外和偏向室内的,1d内相变墙体内层与室内环境界面温度变化幅度约为3,平均温度约为27.即石膏基石蜡相变储能材料位于相变墙体中心线的节能效果较好.3结语(1)石膏基石蜡相变储能材料越厚,相变墙体内层与室内环境界面温度随外界温度变化幅度越小,能够有效降低室内空调设备的能耗.(2)石膏基石蜡相变储能材料总厚度一定时,不同的相变墙体结构从节能降耗角度差别不大.(3)石膏基石蜡相变储能材料位于相变墙体中心位置时的节能效果较偏室内及室外的好.参考文献:【1】方贵银,李辉.具有蓄能功能的建筑墙体材料研究【JJ.能源研究与利用,2004(1):45.(下转第85页)NEWBUfLDlNGMATERlALS?81?张勇华,等:屋面相变砖实验研究后,DSC曲线上有2个相变峰,较低温度时熔化过程发生的相变峰(峰A)的相变起点温度是35.8,相变潜热为81-3.较高温度时熔化过程发生的相变峰(峰B)的相变起点是113.1oC.由于高密度聚乙烯的相变起点温度约为110,比复合相变材料熔化过程的相变终点温度高约50,在熔化过程中,复合相变材料先熔化,发生相变,当温度达到113.1oC时高密度聚乙烯才开始发生相变.故在夏热冬暖地区建筑屋面中作隔热应用时,在室外空气综合温度下,高密度聚乙烯不会发生相变,只对复合相变材料起支撑,包裹作用,阻止复合相变材料的渗漏.另外,从图4可知,复合相变材料的熔化过程相变起点温度为38.2oC,相变潜热值达138.6J/g,当复合相变材料与高密度聚乙烯混合制成的定形相变材料,由于高密度聚乙烯的存在对复合相变材料的熔化过程有一定的影响,但影响较小.4结语(1)液体类有机材料分别与固体石蜡A,B混合时,能降低固体石蜡A和固体石蜡B的熔点,且能取得较高的相变潜热.随着液体石蜡含量的增加,复合相变材料的相变潜热降低,而相变温度变化无此规律.(2)当固体石蜡B同液体类有机材料以70:30的质量比混合后,熔化过程的相变起始点为38.2,相变峰值出现在50.9,相变终点为53.4cc,且相变潜热较大,达到138.6J,g.适合在建筑屋面上作隔热应用.(3)复合相变材料同高密度聚乙烯以70:30的质量比利用熔融共混法制备的定形相变材料,能将复合相变材料包裹住,使其在发生固一液相变过程中不会发生渗漏.且高密度聚乙烯的存在对复合相变材料的热物理性能影响很小.参考文献:【1】张寅平,胡汉平,孔祥冬,等.相变贮能一理论和应用【M.合肥:中国科学技术大学出版社,1996.【2】GB5O17693,民用建筑热工设计规范【S.3】梁辰,闰全英.相变储能技术的研究和发展J】.建筑节能,2007,35(12):4144.44梁辰,闫全英,王威.墙体储能用石蜡混合物的配制和储热性能实验研究J.太阳能,2009,30(7):916920.5】王昭俊.相变储能墙体材料传热理论与应用研究综述IJI.暖通空调,2008,38(11):3440.6MohammedMF,AmarMK,SiddiqueAKR,eto1.Areviewonphasechangeenergystorage:materialsandapplicationsJ.EnergyConversionandManagement,2004,45:1597-1615.【7】周国兵,张寅平,林坤平,等.定形相变贮能材料在暖通空调领域的应用研究IJ】.暖通空调,2007,37(5):2732.A(上接第81页)【2陈中华,马丽丽,余飞.有机相变储能材料及其复合化研究进展J.化工新型材料,2010(9):4244.【3王磊,熊军.相变储能材料在建筑节能中的应用J.建材世界,2010,31(3):46.【4马烽,王晓燕,李飞,等.定形相变储能建筑材料的制备与热性能研究J】.材料工程,2010(6):5458.【5】王全省,沈琳,杨挺.相变储能技术发展分析及展望J.山西建筑,2010,36