Analisi del trasferimento di calore solido-liquido nel cambio di fase

Il trasferimento di calore di cambiamento di fase solido-liquido comprende due processi: la solidificazione della sostanza (il liquido diventa solido) e la fusione (il solido diventa liquido),la sostanza viene riscaldata fino al punto di fusione e assorbe una grande quantità di calore durante il processo di fusione, e il calore latente viene rilasciato durante il processo di solidificazione quando viene raffreddato al punto di congelamento.

La transizione di fase solido-liquido e il trasferimento di calore sono fenomeni comuni nella natura, come la formazione di rocce vulcaniche, l'evoluzione del ghiaccio e lo scioglimento della terra, ecc.e sono anche processi importanti nel campo della tecnologia ingegneristica, quali la refrigerazione degli alimenti, la lavorazione dei polimeri, la solidificazione e la cristallizzazione delle fusioni, la preparazione di materiali in lega amorfa, la raffinazione di materiali semiconduttori,stoccaggio di energia termica o fredda, ecc.

Il trasferimento di calore di cambiamento di fase solido-liquido ha i vantaggi di un'elevata densità di flusso termico, un'elevata efficienza termica e una bassa pressione, che ha un'importante importanza di ricerca e valore applicativo.

I modelli matematici e le equazioni di regolazione per il trasferimento di calore di transizione di fase solido-liquido sono di solito basati sul concetto di un mezzo continuo,assumendo l'isotropia e l'uniformità delle fasi solido-liquidoDato che l'interfaccia solido-liquido è direttamente influenzata dalle proprietà fisiche della sostanza,il trasferimento di calore di cambiamento di fase solido-liquido può essere suddiviso in due categorie in base a materiali diversi: problemi con una temperatura di transizione di una sola fase e con un'interfaccia solido-liquido trasparente (sostanza pura).

Il problema di una temperatura di transizione di fase in un certo intervallo con la zona di coesistenza di due fasi (miscela).Il trasferimento di calore della transizione di fase solido-liquido può essere suddiviso in due categorie secondo le diverse quantità di caratterizzazione: modello di temperatura (la temperatura è l'unica variabile dipendente e l'equazione di energia è stabilita rispettivamente nelle regioni di fase solida e di fase liquida)

Modello di entalpia (la temperatura e l'entalpia sono variabili dipendenti, e l'entalpia viene utilizzata per distinguere tra fasi solide e liquide, senza partizione).Le caratteristiche e le difficoltà del trasferimento di calore di transizione di fase solido-liquido si trovano nell'interfaccia solido-liquido in movimento, e sono anche influenzati da fattori quali il flusso relativo del liquido, il cambiamento di volume della transizione di fase solido-liquido e la resistenza termica di confine.

Nella fase iniziale, il trasferimento di calore di transizione di fase solido-liquido della soluzione utilizzava principalmente metodi analitici, tra cui analisi esatta e analisi approssimativa.Solo pochi idealizzati solido-liquido fase di transizione trasferimento di calore con condizioni di confine semplici possono essere risolti con precisione per alcuni un-dimensionale semi-infinito, regioni infinitamente grandi, basate principalmente sul problema di Neumann e sul problema di Neumann generalizzato.

L'analisi di approssimazione comprende principalmente il metodo di integrazione, il metodo di quasi-stadio stazionario, il metodo di perturbazione, il metodo di resistenza termica, il metodo di approssimazione successiva, ecc.che risolve principalmente il problema di transizione di fase monotonica interfaccia unidimensionale e i pochissimi problemi bidimensionaliI metodi numerici sono le principali soluzioni al problema della transizione di fase solida-liquida multidimensionale sotto condizioni complesse.

Esistono due modelli principali per i metodi numerici per trattare le transizioni di fase solido-liquido:il modello bifasico separato (metodo di tracciamento dell'interfaccia) e il modello bifasico misto (metodo della griglia fissa)Il modello a due fasi separate tratta le due fasi come due regioni, che possono riflettere il processo di transizione di fase in modo più dettagliato, ma il processo di calcolo deve tracciare l'interfaccia,quindi lo sforzo computazionale è grande.

Il modello ibrido a due fasi ritiene che non ci sia una stretta interfaccia nel processo di transizione di fase e che le due fasi coesistano,e il calcolo è semplice ma non può visualizzare con precisione le caratteristiche dell'interfacciaInoltre, per calcolare il processo di trasferimento di calore della transizione di fase solido-liquido, vengono utilizzati i metodi di Monte Carlo e di Boltzmann a reticolo.

A causa delle carenze della scarsa conducibilità termica dei materiali di cambio di fase, in particolare dei materiali organici di cambio di fase,il trasferimento di calore aumentato del cambiamento di fase solido-liquido è anche un problema importante da risolvere.

E ci sono due tipi principali di metodi di rinforzo: l'aggiunta di particelle solide metalliche o non metalliche ad alta conducibilità termica per migliorare la conducibilità termica dei materiali a cambiamento di fase;Strutture rinforzate come la schiuma metallica, pinne metalliche e grafite espansa sono utilizzati per rafforzare il trasferimento di calore ai materiali di cambiamento di fase.