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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題的基本分析方法，模型求解常通過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程進(jìn)行了數(shù)值分析計(jì)算和求解。張寅平等通過數(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程分析基于焓法模型的基礎(chǔ)上，對(duì)相變材料傳熱過程進(jìn)行仿真求解，可以較優(yōu)地描述相變材料傳熱過程及其不同時(shí)刻的溫度分布，本文通過分析相變材料傳熱過程中導(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)比傳熱過程中普通石膏板和相變石膏板的傳熱過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)試過程中，電流通過探頭鎳絲時(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后開始降溫，通過建筑熱工巡回檢測(cè)儀每隔3分鐘記錄升降溫過程中各時(shí)刻的溫度。
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