Analyse der Wärmeübertragung zwischen Feststoff und Flüssigkeit im Phasenwechsel

Die Wärmeübertragung zwischen Feststoff und Flüssigkeit umfasst zwei Prozesse: Verfestigung der Substanz (Flüssigkeit wird zu Feststoff) und Schmelze (Feststoff wird zu Flüssigkeit),Der Stoff wird bis zum Schmelzpunkt erhitzt und absorbiert während des Schmelzprozesses eine große Menge Wärme., und die latente Wärme wird während des Verhärtungsprozesses freigesetzt, wenn sie bis zum Gefrierpunkt abgekühlt wird.

Der Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergang und die Wärmeübertragung sind in der Natur häufige Phänomene wie die Bildung von Vulkangesteinen, die Entwicklung von Eis und das Auftauen der Erde usw.und sind auch wichtige Prozesse im Bereich der Ingenieurtechnik, wie zum Beispiel Kühlung von Lebensmitteln, Polymerverarbeitung, Verfestigung und Kristallisierung von Gießwaren, Herstellung amorpher Legierungsmaterialien, Raffination von Halbleitern,Speicherung von Wärme- oder Kältenergie, usw.

Die Wärmeübertragung zwischen Feststoff und Flüssigkeit hat die Vorteile einer hohen Wärmeflussdichte, einer hohen thermischen Effizienz und eines niedrigen Drucks, was eine wichtige Forschungs- und Anwendungswirkung hat.

Mathematische Modelle und Gleichungen für die Wärmeübertragung bei Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergängen basieren in der Regel auf dem Konzept eines Kontinuummediums.unter der Annahme der Isotropie und Einheitlichkeit der festen-flüssigen PhasenDa die Feststoff-Flüssigkeits-Schnittstelle direkt von den physikalischen Eigenschaften der Substanz beeinflusst wird,die Feststoff-Flüssigkeits-Phasenwechselwärmeübertragung kann nach verschiedenen Materialien in zwei Kategorien unterteilt werden: Probleme mit einer einzigen Phasenübergangstemperatur und einer klaren Feststoff-Flüssigkeits­Schnittstelle (reine Substanz).

Das Problem einer Phasenübergangstemperatur in einem bestimmten Bereich mit der Koexistenzzone zweier Phasen (Mischung).Die Wärmeübertragung des Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergangs kann nach den unterschiedlichen Charakterisierungsgrößen in zwei Kategorien unterteilt werden.: Temperaturmodell (die Temperatur ist die einzige abhängige Variable und die Energiegleichung wird in den Bereichen der festen Phase bzw. der flüssigen Phase festgelegt)

Enthalpie-Modell (Temperatur und Enthalpie sind abhängige Variablen, und die Enthalpie wird verwendet, um zwischen festen und flüssigen Phasen zu unterscheiden, ohne zu trennen).Die Eigenschaften und Schwierigkeiten der Wärmeübertragung durch den Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergang liegen in der beweglichen Feststoff-Flüssigkeitsschnittstelle, und werden auch durch Faktoren wie den relativen Fluss der Flüssigkeit, die Volumenänderung des Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergangs und den Grenzwärmewiderstand beeinflusst.

In der Frühphase der Lösung der Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergang Wärmeübertragung verwendet hauptsächlich analytische Methoden, einschließlich genauer Analyse und annäherte Analyse.Nur wenige idealisierte Fest-Flüssig-Phase-Übergang Wärmeübertragung mit einfachen Grenzbedingungen kann genau für ein paar ein-dimensionale halb unendlich gelöst werden, unendlich große Regionen, hauptsächlich auf der Grundlage des Neumann-Problems und des verallgemeinerten Neumann-Problems.

Die Annäherungsanalyse umfasst hauptsächlich die Integrationsmethode, die Quasi-Steady-State-Methode, die Perturbationsmethode, die Wärmewiderstandsmethode, die aufeinanderfolgende Annäherungsmethode usw.die hauptsächlich das eindimensionale monotone Schnittstellenphasenübergangsproblem und die wenigen zweidimensionale Probleme löstNumerische Methoden sind die wichtigsten Lösungen für das mehrdimensionale Problem der Wärmeübertragung von Feststoff zu Flüssigkeit unter komplexen Bedingungen.

Es gibt zwei Hauptmodelle für numerische Methoden, um mit Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergängen umzugehen:das getrennte Zweiphasenmodell (Schnittstellenverfolgungsmethode) und das gemischte Zweiphasenmodell (festes Gitterverfahren)Das getrennte Zwei-Phasen-Modell behandelt die beiden Phasen als zwei Regionen, was den Phasenübergangsprozess detaillierter widerspiegeln kann, aber der Berechnungsvorgang muss die Schnittstelle verfolgen.Also ist die Rechenleistung groß.

Das hybride Zwei-Phasen-Modell geht davon aus, dass es im Phasen-Übergangsprozess keine strikte Schnittstelle gibt und die beiden Phasen nebeneinander existieren.und die Berechnung ist einfach, kann aber die Schnittstellenmerkmale nicht genau anzeigenDarüber hinaus werden Monte-Carlo- und Gitter-Boltzmann-Methoden zur Berechnung des Wärmeübertragungsvorgangs des Feststoff-Flüssigkeitsphasenübergangs verwendet.

Aufgrund der Mängel der geringen Wärmeleitfähigkeit von Phasenwechselmaterialien, insbesondere organischen Phasenwechselmaterialien,die erhöhte Wärmeübertragung des Feststoff-Flüssigkeitsphasenwechsels ist ebenfalls ein wichtiges Problem, das gelöst werden muss.

Es gibt zwei Haupttypen von Verstärkungsmethoden: Hinzufügen von Metallpartikeln mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder nichtmetallischen festen Partikeln zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Phasenwechselmaterialien;Verstärkte Strukturen wie Metallschaum, Metallflossen und erweiterter Graphit werden verwendet, um die Wärmeübertragung auf Phasenwechselmaterialien zu verstärken.