相变潜热随温度变化对固2液相变过程的影响

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1、第24卷　第1期太　阳　能　学　报Vol124,No112003年2月ACTAENERGIAESOLARISSINICAFeb.,2003文章编号:025420096(2003)0120053205相变潜热随温度变化对固2液相变过程的影响刘中良,马重芳,孙　旋(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100022)摘　要:对相变潜热随温度变化的变温固液相变过程进行了数值分析计算,重点分析了相变潜热随温度变化对相变过程的影响。结果表明,对于相变潜热随温度变化的相变过程,其主要影响因素仍然是Stefan数、相对导热系数、相对热扩散系数、相变温度宽度等基本无量纲数。尽管相变潜热随温度的变

2、化会对相变过程造成一定的影响,但如果用相变温度范围内的平均潜热代替实际相变且视为常数,则可以较好地近似实际相变过程:由此不会给预测融化所需要的总时间带来明显的误差,而对温度分布的影响也很小,主要集中在液固过渡区内。关键词:熔化;潜热;相变+中图分类号:TK51213文献标识码:A温度范围内的相变过程。尽管人们已经对多种问题0　引　言[7～9]进行了理论分析与计算,但,据笔者所知,还没固液相变(熔化与凝固)传热过程在各种工业工有关于相变潜热随温度变化对相变过程影响方面的程和现代科学技术中有着重要应用。在相变蓄热技研究。本文将重点对该问题进行研究探讨。术、太阳能等可再生能源的开发利

3、用技术以及铸造、1　数学物理模型及求解方法食品加工等过程中,固2液相变传热过程的强弱往往对整个过程起着决定的作用,对固2液相变过程进行如图1所示,一厚度为δ的无限大平板,具有有效控制和强化是这些工艺过程中的关键技术。所均匀的初始温度T0(小于平板材料的最低相变温以,对固液相变传热过程的研究引起了人们广泛的度),在时间t=0时平板一侧表面温度突然升高到兴趣。由于在固液相变过程中存在一个位置和运动Tw(大于平板材料的最高相变温度),另一侧绝热。速度均为未知的固液运动界面,所以即使物性是常为了研究相变潜热随温度变化的影响,我们假定:数,它也是非线性的。因此,除了几个极端简化了的[1]

4、情况外,一般很难找到这类问题的分析解,只能用数值方法进行求解。对于纯物质,一般认为相变是在单一温度下进行的(即所谓的理想相变),其相变潜热也可以认为是一个常数。但对于复合相变介质(PCM)其相变是在一个小的温度范围内进行的。同时,人们还发现,在这种相变过程中相变潜热不再是常数,而是与温度有关。迄今为止,人们已经提出了多种求解固液相变[2,3]过程的数值计算方法,如变时间步长法、有限差[4][5,6]分2有限单元法、焓法和显热容法等。其中显图1　物理模型热容法特别适用于求解变温相变即相变发生在一个Fig.1Thephysicalmodel　　收稿日期:2001210209基金项目

5、:国家973项目“高效蓄热的基础研究”(G2000026306);北京市教委科技发展计划项目“中常温民用蓄热技术的研究与开发”(P05040102)©1995-2003TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.　　　　　　　　　　　　　　　　　　　太　　阳　　能　　学　　报　　　　　　　　　　　　　　　　　5424卷　1)固液相变不是在一个确定的温度下,而是在T0-Tmasθ0=,ash=(7)一个温度范围内发生的,即当介质温度T满足下面Tw-Tmah的要求时就会发生相变,　　需要指出的是,按照上面的数学模型,介质

6、的物T∈[Tm-ΔTm,Tm+ΔTm]态是根据其温度T判定的,即,当其中Tm是相变平均温度,ΔTm是相变温度宽度。TTm+ΔTm　　　液相杂,应该由实验确定。但是,在这里,为了简单起见,或者用无量纲温度表示,假定相变潜热随温度按线性规律变化,即,θ<-Δθm　　　固相ΔLm-Δθm<θ<+Δθm　　　固液共存L=Lm+(T-Tm)(1)2ΔΤmθ>+Δθm　　　液相3)除相变潜热外,其它与相变传热有关的物性而Δθm是无量纲相

7、变温度宽度。据此,比热扩散系参数均为常数;数ash计算如下,4)为了突出重点,认为相变过程是导热控制型1的。也就是说,在液相区和液固过渡区(mushyre20.5klsΔγmgion)的热量传递过程中,自然对流效应可以忽略,ash=[1++La(1+θ)]1+klsaslΔθm是纯导热。同时,忽略液固两相之间的密度差。asl根据上面的假设,在固液相变过程中,存在两个θ<-Δθm(而不是一个)相变界面,整个平板可以分为三个典型的区域-Δθm<θ<Δθm(8),即:液相区(liquidregio