共晶盐等效导热系数的理论研究.pdf

郭茶秀等:行墨泡沫/共晶盐等效导热系数的理论研究
01027
文章编号:1001-9731(2015)01-01027-05
石墨泡沫/共晶盐等效导热系数的理论研究
郭茶秀,罗志军,胡高林
(郑州大学化工与能源学院,郑州450001)
摘要:为了研究石墨泡沫/共晶盐复合相变材料的方法,即热阻分析的方法。对于金属泡沫, Calmidi
等效导热系数,提出了一个立方单元模型。即6块中与 Mahajan在文献4中提出了一个循环扩展正六边
间开孔的板围成的立方体结构。此模型可通过政变板形网格结构的二维简化理论分析模型,在此模型上使
厚及连通孔直径表征复合材料不同孔隙度下的内部结用热阻分析的方法计算得到了等效导热系数,并且与
构。首先根据热阻分析得到石墨泡沫/空气的等效导实验数据进行了对比。当孔隙中填充材料为空气或者
热系数,与文献中的实验数据进行了对比,验证了立方水时与实验数据符合情况较好。张涛、余建祖在文献
单元模型的适用性。接着计算得出不同孔隙度下石墨
中也采用了 Calmidi与 Mahajan的模型,使用热阻
泡沫/共晶盐的等效导热系数。最后分析了连通孔的分析方法推导出了相变装置中泡沫金属作为填充材料
直径对等效导热系数的影响。发现随着孔隙度的增时整体等效导热系数k。与泡沫金属孔隙率ε之间的
大,等效导热系数值呈下降趋势。固体石墨骨架对共数学关系式。徐伟强等针对泡沫金属基CPCM(泡
晶盐的导热系数具有很大的提升作用。随着孔隙度的沫金属和相变材料组成的复合材料)的微观结构特征
増加,连通孔直径的变化对整体等效导热系数的影响提出了一种新的复合材料相分布模型,在此基础上建
逐渐变小。
立了泡沫金属基CPCM的传热模型,使用热阻分析的
关键词:单元模型;石墨泡沫;共晶盐;等效导热系方法来推导等效导热系数,推导过程中考虑了相变材
数;热阻分析
料的体积变化和空穴分布的影响,使得有效导热系数
中图分类号:TK124;TB31
文献标识码
的计算结果更加符合实际。对于石黑泡沫,Klet在文
DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2015.01.05
献[7中给出了一个基于石墨泡沫等效导热系数的实
引言
测结果的拟合方程
1.427
0.734
メ1300W/(m?K)(1)
人们开始对多孔材料等效导热系数进行广泛的研
究始于20世纪。早期研究的重点多在堆积床多孔材
其中,k。为石累泡沫的等效导热系数p和p、分
料上。随着具有高孔隙度开孔结构的新型多孔材料的别为其表观密度和固体骨架密度,1300W/(m?K)为
出现,如金属泡沫、石墨泡沫等,研究的重点逐渐转到固体骨架导热系数k。的保守估计值。
此种新型材料上。石墨泡沫最早出现是在20世纪90
为了研究石墨泡洣/共品盐复合相变材料的等效
年代。除了其具有很好的传热性能之外,它还具有低导热系数,将复合材料固体骨架与填充材料界而处复
密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,因而受到日益广泛杂的曲面热传导简化为平面热传导,在此基础上提出
的关注和研究。在太阳能热发电系统的潜热储能装了立方单元模型。通过热阻分析的方法得到了该复合
置中,共晶盐是应用最广泛的一种相变材料,其具有储相变材料等效导热系数的计算式,式中不含任何经验
能密度大、不过冷、不层化和相变温度可週节等优点,常数且计算结果与文献[7中的实验数据进行了对比,
但其导热系数较低(通常只有0.5W/(m?K)左右)的显示出较好的符合性。说明此种简化方法是合理的,
缺点使得整个系统的热响应时间变长,储能效率下降。立方单元模型可以用于计算石墨泡沫/共晶盐复合相
使用具有高导热的石墨泡沫对共晶盐进行传热强化不变材料的等效导热系数,接着分析了连通孔的直径对
失为一种很好的方法,具体做法是将共晶盐灌注入石整体等效导热系数的影响。
墨泡沫内部的孔隙中,制成复合相变材料。其中复合2立方单元模型
相变材料的等效导热系数对整个系统的设计具有很重
要的价值,因而有必要对其进行研究。
图1展示了典型的石墨泡沫的内部结构。从图1
Deisser和 Boegli在文献[2]中首先指出饱和多孔可以看出,此种泡沫的内部结构主要由成球型的气孔
材料等效导热系数分析可以使用基于热阻电阻比拟的所构成,且气孔之间由许多微小的开孔相连接。固体
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176173)
收到初稿日期:2014-05-15
收到修改稿日期:2014-09-08
通讯作者:郭茶秀,E-mail: guochaxiu(zzu.edu.cn
作者简介:郭茶秀(1968-),女,郑州人,教授,主要从事太阳能研究与利用。
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2015年第1期(46)卷
骨架包围的空间称为主气孔而这些小的开孔称为连通
由于在石墨泡沫发泡的生产工艺中存在许多难以
孔,其直径随着主孔而变化。即使在同一个主气孔上,控制的因素,主气孔上连通孔的数量也不是固定的,它
连通孔的直径也会不同。
随着主气孔的不同而变化。要想准确地描述石墨泡沫
的内部几何结构几儿乎是不可能的,为了简化分析现做
出以下假设:(1)将石墨泡沫内部固体骨架与气孔的
结构简化为由六块固体骨架板围成的规则立方体结
构,其中每块板的中心都开有一个孔,这个孔代表真实
结构中的连通孔,而六块板围成的空间则代表为真实
结构中的主气孔:(2)将其中气孔所占据的空间全部
通孔
填充为共品盐,得到石畀泡沫/共晶盐复合材料的单元
模型。图2即为本文所建立的单元模型;(3)将真实
图1石墨泡沫典型单孔显微结构
石黑泡沫的孔隙尺寸与单元模型的尺寸建立联系。立
Fig 1 Porc structure of a typical graphitic foam under
方单元的边长与厚度由石黑泡沫的体积与孔隙度決
SEM
定,其数学表达式如下
(2)
(a-24)3+rad2t
(1-2y)3+ァyay
3)
其中各种参数的含义见表1。
整体等效导热系数分析
3.1整体等效导热系数分析
将图2中显示的复合材料立方单元模型根据并联
热阻模型分为上、中、下3层。整体等效导热系数分析
Heat flux-
的示意图如图3所示。
上层
图2石墨泡沫/共晶盐复合材料单元模型
Fig 2 The unit cell model of graphite/eutectic salt
composite
表1变量及无量纲数列表
下层
Table 1 The variables and non-dimensional parame-
ters
变量名
含义
变量名
图3石墨泡沫/共晶盐上中下3部
立方单元的边长K整体的等效导热系数
Fig 3 Three portions of the graphite/ eutectic salt
石墨泡沫的孔径K。国体骨架的导热系数
composite
t固体骨架板的厚度K:填充材料的热系数
连通孔直径
无量纲数K、/K1
本文在分析过程中要使用到多个变量及无量纲
数,现将其整理成表(表1)。
∈立方体单元的孔隙度。无量纲放ys-o