Analyse van de warmteoverdracht tussen vaste en vloeibare stoffen bij faseverandering

De warmteoverdracht tussen vaste stoffen en vloeibare stoffen omvat twee processen: verharding van de stof (vloeistof wordt vaste stof) en smelting (vaste stof wordt vloeistof).de stof wordt tot het smeltpunt verwarmd en absorbeert tijdens het smeltproces een grote hoeveelheid warmte, en de latente warmte wordt tijdens het verhardingsproces vrijgegeven wanneer het tot het vriespunt wordt afgekoeld.

Vaste-vloeibare faseovergang en warmteoverdracht zijn veel voorkomende verschijnselen in de natuur, zoals de vorming van vulkanische rotsen, de evolutie van ijs en het ontdooien van de aarde, enz.en zijn ook belangrijke processen op het gebied van technische technologie, zoals de koeling van levensmiddelen, de verwerking van polymeren, de verharding en kristallisatie van gietstukken, de bereiding van amorfe legeringsmaterialen, de raffinage van halfgeleidermaterialen,opslag van warmte- of koelenergie, enz.

De warmteoverdracht tussen vaste en vloeibare stoffen heeft de voordelen van een hoge warmtefluxdichtheid, een hoge thermische efficiëntie en een lage druk, wat een belangrijke onderzoekswaarde en toepassingswaarde heeft.

Wiskundige modellen en toonaangevende vergelijkingen voor warmteoverdracht bij een vaste-vloeibare faseoverdracht zijn gewoonlijk gebaseerd op het concept van een continuümmedium.waarbij wordt aangenomen dat de isotropie en uniformiteit van de vaste-vloeibare fasenAangezien de verbinding tussen vaste en vloeibare stoffen rechtstreeks wordt beïnvloed door de fysische eigenschappen van de stof,de warmteoverdracht tussen vaste en vloeibare stoffen kan volgens verschillende materialen in twee categorieën worden verdeeld: problemen met een enkele faseovergangstemperatuur en een heldere verbinding tussen vaste en vloeibare stoffen (zuivere stof).

Het probleem van een faseovergangstemperatuur in een bepaald bereik met de coëxistentiezone van twee fasen (mengsel).De warmteoverdracht van de vaste-vloeibare faseovergang kan volgens de verschillende karakteristieke hoeveelheden in twee categorieën worden verdeeld.: temperatuurmodel (temperatuur is de enige afhankelijke variabele en de energie-vergelijking wordt respectievelijk in de vaste fase en in de vloeibare fase vastgesteld)

Entalpy model (temperatuur en enthalpy zijn afhankelijke variabelen, en enthalpy wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen vaste en vloeibare fasen, zonder partitionering).De kenmerken en moeilijkheden van de warmteoverdracht tussen vaste en vloeibare fasen liggen in de bewegende verbinding tussen vaste en vloeibare stoffen, en worden ook beïnvloed door factoren zoals de relatieve vloeistofstroom, de veranderingen in volume van de vaste-vloeibare faseovergang en de grenswarmteweerstand.

In de vroege fase van de oplossing van de warmteoverdracht van de vaste-vloeibare fase werd voornamelijk gebruik gemaakt van analytische methoden, waaronder exacte analyse en benaderingsanalyse.Slechts een paar geïdealiseerde solide-vloeibare fase overgang warmteoverdracht met eenvoudige randvoorwaarden kunnen nauwkeurig worden opgelost voor een paar een-dimensionale semi-oneindige, oneindig grote gebieden, voornamelijk gebaseerd op het Neumann-probleem en het gegeneraliseerde Neumann-probleem.

De benaderingsanalyse omvat hoofdzakelijk de integratiemethode, de quasi-steady-state-methode, de perturbatie-methode, de thermische weerstandsmethode, de opeenvolgende benaderingsmethode, enz.die voornamelijk het een-dimensionale monotone interface fase overgang probleem en de zeer weinig tweedimensionale problemen oplostNumerieke methoden zijn de belangrijkste oplossingen voor het multidimensionale warmteoverdrachtsprobleem van de vaste-vloeibare faseoverdracht onder complexe omstandigheden.

Er zijn twee hoofdmodellen voor numerieke methoden om met vaste-vloeibare faseovergangen om te gaan:het gescheiden tweefasig model (interface tracking-methode) en het gemengde tweefasig model (fixed grid-methode)Het gescheiden tweefasemodel behandelt de twee fasen als twee regio's, waardoor het faseoverschrijdingsproces gedetailleerder kan worden weergegeven, maar het berekeningsproces moet de interface volgen.dus de rekenkracht is groot.

Het hybride tweefase-model gelooft dat er geen strikte interface is in het faseovergangsproces en dat de twee fasen naast elkaar bestaan.en de berekening is eenvoudig, maar kan niet nauwkeurig weergeven van de interface kenmerkenBovendien worden Monte Carlo- en rooster-Boltzmann-methoden gebruikt om het warmteoverdrachtproces van de vaste-vloeibare faseovergang te berekenen.

Vanwege de tekortkomingen van lage thermische geleidbaarheid van faseveranderingsmaterialen, met name organische faseveranderingsmaterialen,de versterkte warmteoverdracht van vaste-vloeibare faseverandering is ook een belangrijk probleem dat moet worden opgelost.

En er zijn twee hoofdsoorten versterkingsmethoden: het toevoegen van metalen of niet-metalen vaste deeltjes met een hoge thermische geleidbaarheid om de thermische geleidbaarheid van faseveranderingsmaterialen te verbeteren;Versterkte structuren zoals metaalschuim, metalen vinnen en uitgebreid grafiet worden gebruikt om de warmteoverdracht naar faseveranderingsmaterialen te versterken.