膨胀石墨_石蜡复合相变材料相变过程的热分析(模拟和计算)

1、 131 膨胀石昱/石蜡复合相变材料相变过程的热分析/呂学文等膨胀石墨/石蜡复合相变材料相变过程的热分析.吕学文I,考宏涛I 李敏2（1南京工业大学材料科学与工程学院南京21OOO9i2东南大学江苏省土木工程材料恵点实验室南京211186）摘要 利用眇账石星的层状姑构只其高热导車制各了膨胀石吳/石培复合相变倚能材料。采用层状夏合材外 的热传导樓里通过ANSYS牧件对够胀石星/石蜡夏合相变材料的相变过枚进行敍值撲拟姑果表明与纯石峪相 变材外相比內胀石*/石蜡复合相交材斡中加入膨扳石X的良化传拔性能效果很显暮关仗词影张石凰石蜡相变材料数值模拟热分析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引言相变储能技术能解决能址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乂能 提岛能源利用率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何題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/£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強域国内外学者做了很多实 验研究和理论分析。膨胀石尽是由天然鳞片石墨经石墨插 层、水洗.干燥.岛温膨化得到的一种疏松多孔的端虫状物 质经过岛温膨化后石墨原先的平面心明显裂开而产生不 均匀变形

6、且平面层呈总曲状态表面为网状孔里结构.利 用膨胀石墨具有良好的吸附性能和导热杵能的符点将液态 石蜡吸附柱膨胀石黒的仇道内制备岀具有岛导热系数的石 蜡/膨胀石康复合相变倚热材料.张疋国等&对石蜡影胀 石舉复合相变材料的微观结构及热性能进行了研究.Ah- ment Sarl利用膨胀石舉对石蜡的吸附效果好研究了其复 合材料的热导率和潜热ftL从目前的文猷看关于膨胀石凰/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 勇等建立了纤维复合相变材料相变问题的法求解传热 模型用以求解复合相变林料在相变过程中流体温度和固液 相变界面前时间和空间的变化借此模拟分析相变蓄热材料

7、的放热性能.王哲斌;采用FLUENT软件对其召热熔化过 程进行数值模拟获得了石蜡熔化过程温度场分布、熔化时 间以及相界面移动規律。本研究则是在前期工作基础上采 用层状复合材料的煤传导模型叫通过ANSYS複拟软件强 大的热分析功能分析研究膨胀石星/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I为膨胀石腹/石蜡复合相变材料的热传导模型.在 屋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星本单胞审复堆砌而成。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干所研究的石墨/石蜡复合相变 材料可作如下假设:（1）石蜡与

8、膨胀石履之间不存在空隙相 变材料各向同性$（2）忽略相变林料固液态热物性的不同 并认为相变材料的热物性参数均为常数；（3）相变温度是在 一定温度范闱内$（4）相变过程中热敬传递以导热为主忽略 自然对流的形响（5）对外界环境的无热损。国家自然科学基金（50808042）呂学文I男.1984年生硕士研究生主要研究方向为复合相交材料的热性能E-mail： lxwwll考宏涛：通讯作 投 E-mail： kaohtnjut. eda cn 132 材料导报B：研究篇2011年2月(下)第25卷第2期(7)T = T09t 二 0 132 材料导报B：研究篇2011年2月(下)第25卷第2期图1膨胀石/

9、石蜡复合相变材料的热传导模型 Fig, 1 Heat transfer model of expanded graphite/paraffin wax composite phase change materials(m=l)(3)(5)2数学模型考虑到膨胀石屡与石蜡之间由于传煥待性的不同会引 起局部热不平衡现象建立了不同的温度模仪运用2个 能啓方程分别求解膨胀石墨与相变材料之间的泪度场旬.控制方程：M警(m= 1.2)(1)m=l时材料是膨胀石®<m=2时材料是石蜡 (l_e)(仟)，爭 »(1 一 几(礬 + 势)一 H(T. 乃)(2)“)嗇+ S)證+v黔卜

10、以 K箸 +H(T.-Tr) (m=2)采用熔法求解以炉为变试建立満足整个求解域的能 童方程。由于姑包含了潜热相变的形响自动地包含在熔形 式的能最方程中因而不需要考虑固/液移动界面。假定相 变过穆在一定温度范围内发生则熔可以表示为温度的分段 连续西数cST-TJ T<T.(亨+ f)(T-T)T.CTCT, (Ti-T + L + ciCT-T,) T>T,(4) 式中沱为定压比热，下标s和1分别代表相变材料固相和液 相让丁刀为相变温度区间为单位质做的熔值“为单 位质依的相变潜热.边界条件，31上器=h(Tf C* = 0*A初始条件：3数值模拟与分析相变问题是一种非线性的瞬态热分

11、析何题非线性与线 性问题的唯一差别在于非线性何題需要考虑相变过程中吸 收我肾放的淆热(物质发生物态变化在温度不左生变化时 吸收或放岀的热宦:)。ANSYS通过定义材料随温度变化的 熔来考虑潜羔图2为由固态到液态的相变过程中焙值的变 化曲线.92由固态到液态的相变过程中焙值的变化曲线瞰 2 The liquid phase from solid to process the enthalpyvariation curve焙值的变化AH可描迖为密度、比热以及温度的函数：AH = P<r(T)dT(8)由式(8可见是密度与比热乘枳对温度的枳分其 单位为J/m通过相关实验研究并进行性能测试相变材

12、料石蜡的熔 值见表1 材料的其它热待性参数见表2.«1相变材料的焙值Table 1 The enthalpy of phase change materials温度eo232540焙值/(J/mJ)02.37X1(/& 61X10”1. 16X109«2材料的梢物性参数Table 2 The thermal physical parameters of materials材料石蜡膨胀石屜密度 p/(kg/m$)7894.10导热系数K/(W/(m-0.3129比热容 c/(J/(kg-D)2. 56710从图3Q)中可以看出纯石蜡有一部分还处在相变区图 3(b)中上

13、层石蜡已唯化底层若蜡也已经全部融化.在添加 膨胀石决的膨胀石旻/石蜡复合相变材料中其融化过程中 的温度分布也不均匀主要原因堆匕层石蜡受恒热流温度 升為发生相变而石蜡在相变过程中要吸收大億相变潜热. 因而延缓了膨胀石星向下层石蜡进行热址传导的速率使整 个体系升温相对缓慢进而造成上下温度场分布也不均匀.由图4(a可知由于纯石蜡的热导率低导致石蜡温度 133 膨胀石禺/石蜡夏合相变材耕相变过税的然分折/呂学文爭分布不均匀上展温度远述高干底层汩度图4(b)中膨胀石 股与相变材料之间由于热导毕的不同存:任局部叔不平衡現 象大部分热笊由上広石蜡传递给膨胀石找再山膨胀石爪 传递给底总石鰐但石黠1：层和底圧却

14、儿乎不仔花温矗衣 明膨胀石冬仗膨胀石黒坏蜡茨合相变材料的热旺传导中电 到明浪的遥化作用.整体而吉加入彩胀石足百石輪的JU度 分布处沟匀右利于榊变睹能技术的应用."叫"0 071 2Sf 叫W6 W巾U inu n<U NJ ?5| n UIM U A" w 0MW M： 4000 3纯石细(町和膨胀石昼/石®I复合相变材料(b)5h温度场分布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图4纯石妬(a)和膨系石/石绍复合相变材料(b)10h沮度场分布Fig, 4 The temperature distributions of purt? paraffin nsx(a)and expanded graphite/ para (Tin wax(b)( lOh)图5为彬胀石巫/石蜡曳合相变林料物用模型中AJkC 点的温灰R&时何变化的曲线，从图5中可以斤出彬胀石巫 与周閣的石蜡温度变化很接近说明此址合体系中膨胀右眾

16、在防止石蜡在相变过桎中泄娥的同肘热斌传递过程中未损 耗或储存任何利用其高热导率住膨胀石裟/石第 复合郴变材料中充半強化介氐图5 A.B.C的温度曲线Fig. 5 Temperature curve of A,B,C4结论(1)加人膨胀石勰后右蜡在相变过程中温度分布很均 匀起到的强化攸热效果相4i明显(2在膨胀石星/右蜡芨合林料复合林料热传递过程中 膨胀石黑未损耗或誹“任何么駅只充当兵有髙热导的强化 介质.參考文献|张仁尤y相变材料勺郴变储能技术m北京:科学阳版 社.20092 Zhang Zhcngguo(张正刚.Wang Xikw(Jl学泮) Eang Xiaoming(方晓明).Struc

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