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相變材料應(yīng)用在建筑墻體材料中可有效緩解外界溫度的變化對(duì)建筑物室內(nèi)溫度造成的不良影響，提高室內(nèi)環(huán)境熱舒適性，相變材料具有良好的調(diào)溫控溫性能，可有效降低墻體表面溫度波動(dòng)。焓法模型和有效熱容法模型是解決建筑墻體中相變材料傳熱問(wèn)題的基本分析方法，模型求解常通過(guò)有限元分析法或有限差分法。劉中良等對(duì)相變材料相變潛熱隨溫度變化的變溫固液相變過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算和求解。張寅平等通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)相變蓄熱地板系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。MahaAhmad等對(duì)被動(dòng)式輕質(zhì)儲(chǔ)能墻板傳熱過(guò)程中溫度和熱流變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。EsamMAlawadhi給出了二維空間內(nèi)相變墻磚和相變材料熱傳導(dǎo)公式。A.Y.Pasupathy等對(duì)相變蓄熱屋面系統(tǒng)傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。A.Carbonari等利用有限元分析法提出一種分析評(píng)價(jià)相變儲(chǔ)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性能的方法。
ANSYS有限元相變材料傳熱過(guò)程分析基于焓法模型的基礎(chǔ)上，對(duì)相變材料傳熱過(guò)程進(jìn)行仿真求解，可以較優(yōu)地描述相變材料傳熱過(guò)程及其不同時(shí)刻的溫度分布，本文通過(guò)分析相變材料傳熱過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱物性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，對(duì)比傳熱過(guò)程中普通石膏板和相變石膏板的傳熱過(guò)程中冷熱面溫度變化情況。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元分析對(duì)簡(jiǎn)單邊界條件下相變石膏板的傳熱問(wèn)題進(jìn)行分析求解，研究相變材料的摻入對(duì)相變石膏板傳熱性能的影響。
實(shí)驗(yàn)以物質(zhì)的量之比為6:4的月桂酸和癸酸混合脂肪酸相變材料為例，利用HotDisk導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)定混合脂肪酸相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)。具體測(cè)試方法為：測(cè)試固態(tài)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，將混合脂肪酸相變材料切割為同樣大小的兩塊，用400目砂紙將測(cè)試材料兩面打磨為光滑表面，測(cè)試時(shí)將探頭放在兩塊表面光滑的樣品之間，探頭的溫升是時(shí)間的函數(shù)，探頭既是溫度傳感器又是加熱源，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)相變材料在42℃完全熔化為液態(tài)時(shí)，將Hotdisk探頭放入液態(tài)相變材料中，測(cè)試液態(tài)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)。
不同溫度下相變材料導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容隨溫度的變化關(guān)系如表所示。在測(cè)試過(guò)程中，電流通過(guò)探頭鎳絲時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)同時(shí)向探頭兩側(cè)的樣品進(jìn)行擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率依賴于材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等熱特性。本儀器采用篩選數(shù)據(jù)法取線性段上的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，從而得到導(dǎo)熱系數(shù)值。
隨著測(cè)試溫度的升高，相變材料的狀態(tài)由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠎B(tài)，此時(shí)熱量傳導(dǎo)主要依靠傳導(dǎo)和對(duì)流，隨著液態(tài)相變材料逐漸增多，對(duì)流傳熱逐漸占主導(dǎo)作用，在導(dǎo)熱和對(duì)流換熱共同作用下傳熱速率加快，當(dāng)相變溫度高于42℃時(shí)，相變材料熔化為純液態(tài)，此時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的對(duì)流傳熱狀態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)保持穩(wěn)定，不再繼續(xù)升高。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相變材料固態(tài)比熱容為1908J/(kg.K)，液態(tài)比熱容為2030J/(kg.K)。
如圖所示，將相變材料置于石膏板中制備相變材料厚度分別為5.0和7.5mm尺寸為300mm×300mm×30mm的“三明治”夾心結(jié)構(gòu)相變儲(chǔ)能石膏板，圖中黑色框內(nèi)為相變材料填充區(qū)域。
相變石膏板傳熱性能測(cè)試裝置示意圖，通過(guò)加熱鐵板和石膏板之間的空氣層對(duì)石膏板一側(cè)進(jìn)行傳熱，持續(xù)加熱300min后開(kāi)始降溫，通過(guò)建筑熱工巡回檢測(cè)儀每隔3分鐘記錄升降溫過(guò)程中各時(shí)刻的溫度。
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