Análise da transferência de calor sólido-líquido na mudança de fase

A transferência de calor de mudança de fase sólido-líquido inclui dois processos: solidificação da substância (líquido torna-se sólido) e fusão (sólido torna-se líquido),A substância é aquecida até ao ponto de fusão e absorve uma grande quantidade de calor durante o processo de fusão., e o calor latente é liberado durante o processo de solidificação quando é resfriado ao ponto de congelamento.

A transição de fase sólido-líquido e a transferência de calor são fenômenos comuns na natureza, como a formação de rochas vulcânicas, a evolução do gelo e o degelo da terra, etc.e são também processos importantes no campo da tecnologia de engenharia, tais como refrigeração de alimentos, processamento de polímeros, solidificação e cristalização de fundidos, preparação de materiais de liga amorfa, refino de materiais semicondutores,armazenamento de energia térmica ou fria, etc.

A transferência de calor de mudança de fase sólido-líquido tem as vantagens de alta densidade de fluxo de calor, alta eficiência térmica e baixa pressão, o que tem importante significado de pesquisa e valor de aplicação.

Os modelos matemáticos e as equações de regra para a transferência de calor de transição de fase sólido-líquido são geralmente baseados no conceito de um meio contínuo,assumindo a isotropia e a uniformidade das fases sólido-líquidoUma vez que a interface sólido-líquido é directamente afectada pelas propriedades físicas da substância,A transferência de calor de mudança de fase sólido-líquido pode ser dividida em duas categorias de acordo com diferentes materiaisProblemas com uma temperatura de transição de fase única e uma interface sólida-líquida clara (substância pura).

O problema de uma temperatura de transição de fase num certo intervalo com a zona de coexistência de duas fases (mistura).A transferência de calor da transição de fase sólido-líquido pode ser dividida em duas categorias de acordo com as diferentes quantidades de caracterização: modelo de temperatura (a temperatura é a única variável dependente e a equação de energia é estabelecida nas regiões de fase sólida e fase líquida, respectivamente)

Modelo de entalpia (temperatura e entalpia são variáveis dependentes, e a entalpia é usada para distinguir entre fases sólidas e líquidas, sem partição).As características e dificuldades da transferência de calor de transição de fase sólido-líquido encontram-se na interface sólida-líquido em movimento, e também são afetados por fatores como o fluxo relativo de líquido, a mudança de volume da transição de fase sólido-líquido e a resistência térmica de limite.

Na fase inicial, a transferência de calor de transição de fase sólido-líquido da solução utilizava principalmente métodos analíticos, incluindo análise exata e análise aproximada.Apenas alguns idealizado sólido-líquido fase de transição de transferência de calor com condições de limite simples pode ser resolvido com precisão para alguns semi-infinito unidimensional, regiões infinitamente grandes, baseadas principalmente no problema de Neumann e no problema de Neumann generalizado.

A análise de aproximação inclui principalmente o método de integração, o método de estado quase estacionário, o método de perturbação, o método de resistência térmica, o método de aproximação sucessivo, etc.que resolve principalmente o problema de transição de fase da interface monótona unidimensional e os poucos problemas bidimensionaisOs métodos numéricos são as principais soluções para o problema multidimensional da transição de fase sólido-líquido de transferência de calor em condições complexas.

Existem dois modelos principais para métodos numéricos para lidar com transições de fase sólido-líquido:O modelo separado de duas fases (método de rastreamento de interface) e o modelo misto de duas fases (método de rede fixa)O modelo separado de duas fases trata as duas fases como duas regiões, o que pode refletir o processo de transição de fase com mais detalhes, mas o processo de cálculo precisa traçar a interface,Então o esforço computacional é grande.

O modelo híbrido de duas fases acredita que não há uma interface estrita no processo de transição de fase, e as duas fases coexistem,e o cálculo é simples, mas não pode exibir com precisão as características da interfaceAlém disso, os métodos de Monte Carlo e de Boltzmann em rede estão a ser utilizados para calcular o processo de transferência de calor da transição de fase sólido-líquido.

Devido às deficiências da baixa condutividade térmica dos materiais de mudança de fase, especialmente os materiais orgânicos de mudança de fase,A transferência de calor aumentada da mudança de fase sólido-líquido é também um problema importante que deve ser resolvido.

E existem dois tipos principais de métodos de reforço: adição de partículas sólidas metálicas ou não metálicas de alta condutividade térmica para melhorar a condutividade térmica de materiais de mudança de fase;Estruturas reforçadas, tais como espuma metálica, barbatanas metálicas e grafite expandida são usadas para reforçar a transferência de calor para materiais de mudança de fase.