相變材料十四酸改良凝固-熔化研究

李芃 周民

同濟大學機械與能源工程學院

相變材料十四酸改良凝固-熔化研究

李芃 周民

同濟大學機械與能源工程學院

本文介紹了相變材料十四酸在蓄熱技術中的應用，用FLUENT軟件模擬了純十四酸及向其中添加不同質量石墨組成的復合相變材料的相變過程，并對模擬和實驗結果進行分析。所得到的結論對十四酸及其與石墨組成的改良相變材料在實際工程中的應用、相變蓄能裝置的設計具有一定的理論參考價值。

相變材料 十四酸 熔化 凝固 石墨

蓄熱技術是提高能源利用效率、解決能量供求失衡的主要技術，在“削峰填谷”、廢熱和余熱回收等節能領域應用廣泛。蓄熱材料是蓄熱技術的關鍵，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-熔化過程溫度場規律。FLUEN軟件包中提供了相變模型、湍流數學模型、輻射數學模型等[1]。

本文相變材料采用的是十四酸，十四酸的特性如下：

1）十四酸相變溫度實測53～54℃，屬于固-液相變材料，實測相變潛熱為199kJ/kg，導熱系數0.26W/ (m·K)，54℃時相對密度為0.861×103kg/m3。

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

3）十四酸為有機類相變材料，化學性能穩定，和儲能器相容性好，幾乎不存在過冷現象。

4）十四酸價格便宜，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，為其在蓄熱技術中的應用提供理論依據。

1 物理模型和數學模型

1.1 物理模型

相變材料裝于球形的容器中。當環境溫度高于材料相變溫度時，相變材料發生熔解，固態變為液態；當環境溫度低于材料的相變溫度時，相變材料向環境放熱發生凝固，從液態變為固態。

1.2 數學模型的建立

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

根據FLUENT的融化/凝固理論，數學模型可以簡化為[2]：

式中：t為凝固時間，s；H為任意時刻的焓，kJ/kg；href為基準焓（初始焓值），kJ/kg；ρ為密度，kg/m3；ΔH為相變潛熱項，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為球內任意時刻的溫度，K；Tmelt為相變溫度，K；Cp為定壓比熱，J/(kg·K)；k為導熱系數，W/(m·2K)；L為物質的相變潛熱，kJ/kg。

2 FLUENT模擬分析結果

2.1 幾何模型和劃分網格

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

圖1 球形網格劃分

2.2 參數設置

在FLUENT中，選擇2D分離式、非穩態求解器Solidification/Melting模型模擬球體冷凝過程。輸入參數：相變溫度為53.4℃；相變潛熱為199.7kJ/kg；密度為0.861×103kg/m3；導熱系數為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，在達到相變溫度階段，保持一段時間溫度不變，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，在達到相變溫度階段，保持一段時間溫度不變，最后再急劇下降。

圖3 十四酸凝固模擬曲線

從上述參數可以看出，十四酸相變溫度適中，相變潛熱較大，但是導熱系數過低，因此傳熱效果差。

3 添加石墨改良十四酸的傳熱特性

通過添加物得到的相變材料是一種典型的復合相變材料，這種材料有許多特點。添加導熱系數高的材料進入導熱系數較低的相變材料中，使相變材料導熱系數增加，是一個比較常用的方法。常用添加物有金屬粉末、石墨粉末、金屬網格、碳纖維等具有高導熱系數的添加物，或者將相變材料進行封裝來增加其導熱能力。添加金屬物，可能存在兩個問題：第一，金屬的密度一般較高，會存在比較嚴重的分層現象；第二，有些相變材料會腐蝕金屬。

設置恒溫水浴溫度為70℃，將十四酸置于三個燒杯中，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制備得到復合相變材料，然后進行復合相變材料的蓄放熱實驗。

將復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℃）測試球體中心的溫度，采用數據采集儀記錄溫度變化情況。恒溫水域溫度設定為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，純十四酸達到70±0.5℃的時間為66min，潛熱蓄熱在57min之后完成；添加5%石墨的十四酸達到恒溫水域溫度的時間為63min，其中完成潛熱蓄熱的時間為52min；添加7.5%石墨的十四酸達到恒溫水浴溫度的時間為59min，其中完成潛熱蓄熱的時間為48min；添加10%石墨的十四酸達到恒溫水浴溫度的時間為53min，其中完成潛熱蓄熱時間為38min。表明隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱和達到恒溫水浴溫度的時間縮短。添加5%、7.5%、10%石墨的十四酸融化達到恒溫水浴溫度70±1℃的時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℃的空氣環境中進行冷凝放熱。將所得數據進行處理，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℃的室內環境中，從初始溫度為69.4℃開始放熱凝固，完成潛熱釋放的時間為170min，達到室內環境溫度25±0.5℃的時間為291min；添加5%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時間為 160min，達到室內環境溫度的時間為280min；添加7.5%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時間為140min，達到室內環境溫度的時間為270min；添加10%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時間為130min，達到室內環境溫度的時間為268min。隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱釋放和達到室內環境溫度的時間縮短。添加5%、7.5%、10%石墨的十四酸完成潛熱釋放的時間比純十四酸縮短了5.882%、17.64%、23.53%；達到室內環境溫度的時間較純十四酸縮短了3.780%、7.216%、7.904%。

從上述分析結果可知：①添加石墨能縮短十四酸的蓄、放熱時間，提高蓄、放熱速率，強化傳熱效果；②強化效果與添加量有關系，隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱、釋放和達到周圍環境溫度的時間縮短；③分析圖4、圖5還可以得知：添加石墨對于固相導熱速率的影響要比對液相的影響大得多。圖5中表示為固相區，幾類曲線的差異較大；圖4中表示的液相區，則幾乎重合。這主要是因為石墨自身的導熱率很高，添加石墨可以明顯增加復合相變材料的導熱系數，在液相時，熱傳遞主要以熱對流的形式進行，添加石墨對其傳熱速率的增強就不明顯；固相時，由于沒有對流傳熱，十四酸的導熱速率本身就低，此情況下添加石墨，對其導熱系數的增強效果就很明顯。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 結論

1）本文的模擬結果與試驗結果相符，該模擬結果具有參考性，Fluent可作為分析相變傳熱的一種方法，且在分析相變傳熱問題中具有獨特的優勢，不需要進行復雜的編程，可以根據不同的要求修改參數就可以得到所需的結果，具有簡單方便等特點。

2）添加石墨能縮短十四酸的蓄、放熱時間，提高蓄、放熱速率，強化傳熱效果；強化效果與添加量有關系，隨著添加石墨的量增加，十四酸完成潛熱蓄熱、釋放和達到周圍環境溫度的時間縮短；添加石墨，對于固相導熱速率的影響要比對液相的影響大得多；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.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004

[2]郭茶秀,熊輝東,魏新利.蓄冷球凝固的FLUEN數值模擬研究[J].節能技術,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；上海嘉定區曹安公路4800號（201804）；E-mail:zhouminyingpin@163.com