2.3.2 泡沫铜\\共晶盐复合相变材料的制备及热物性测定

参考石墨泡沫的制备方法，现简要介绍泡沫铜的制备方法[27]。

1、按照KNO3/NaNO3的质量比为2/3的比例取适量，放入研钵内，充分研磨后置于恒温箱中，设置加热温度为105℃，加热时间为10小时，使水分充分排出；

2、干燥后将两种盐置于马沸炉内，设置加热温度为333℃，达到设置温度后维持1-2小时，以确保盐分充分熔化混合达到共晶状态；

3、冷却后取样研磨成粉末状，放入干燥器内保存?

4、使用线切割将泡沫铜加工成圆柱形预制体，尺寸视情况而定； 5、将共晶盐放入坩埚，将坩埚放入马沸炉内，加热温度设定为300℃； 6、等共晶盐完全熔化后，打开马沸炉，将泡沫铜预制体放入坩埚内； 7、维持设定温度4小时，使共晶盐充分渗入泡沫铜内后打开马沸炉门，取出样品室温条件下冷却；

8、将试样表面打磨去除盐分，完成复合材料的制备；

9、对制备好的复合材料进行DSC测试，温度范围：室温至450℃，升温速率5℃/min，氮气保护，流量20ml/min，由DSC测试曲线确定相变温度和相变潜热；

10、使用激光导热仪测定复合材料的等效导热系数。

2.4 相变传热的特点与数学模型

2.4.1 相变传热的特点[28]

相变传热主要分为两个过程，一是显热蓄热阶段，二就是潜热蓄热阶段。在显热蓄热阶段，相变材料通过温度的变化来吸收或者是释放热量，这一阶段的热量计算公式是：

Q1?CM(T2?T1) （2-1）

C:单位体积相变材料的比热容，J/（kg·K）。 M:相变材料的质量，kg。 T2-T1:相变材料的温度变化，K。

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Q1:显热量，J。

由于这种蓄热方式原理简单，因此得到了广泛的应用。但是，由于其本身性质所决定的一些要求，比如需要较大的质量和体积，同时由于温度变化范围大使操作起来比较困难等。相变蓄热的第二个阶段潜热蓄热就是当材料的温度到达或者超过相变材料的线变温度时，相变材料发生相变，同时吸收或者释放大量的热量，这一过程的计算公式是：

Q2?mL （2-2）

m:相变材料的质量，kg。 L:相变潜热，J/kg。 Q2:显热蓄热量，J。

通过对比两种蓄热方式，我们可以发现，当需要储存的热量相同时，潜热蓄热对比与显热蓄热方式，其所需要的相变材料的而质量和体积小的多，温度的变化范围相对也小很多，进而可以使相关费用降低，因此对潜热蓄热的研究意义重大。 2.4.2 相变蓄热过程的数学模型[29]

由于相变材料在装置内的传热过程中发生了相变，这导致其传热过程具有极强非线性，非常复杂，难以计算，因此通常采用数值解法。下面介绍两种数学模型：（1）温度法模型；（2）焓法模型。

所谓温度法模型就是将温度作为变量，在材料的固液两相去分别建立各自的能量守恒方程。基本方程有：

固相：

?sCS（2-3）

?TS?????s?TS??SS?t

液相：

?lCS???Tl??u??Tl??????l?Tl??Sl??t?

（2-4）

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固液相界面：

??T???T????s???s????n??l??n?s

（2-5）

?s?Hu边界条件： T=TW ?sl ?sl

（2-6）

?T?qW ?n?T???Tf?Tw??n

式中：Cs和CL分别表示相变材料固液两项的比热容，J/（kg·K）；ρs和ρl分别表示固液两相的材料密度，kg/m3；Ts和Tl分别表示固液两相的温度，K；v为速度矢量，m/s；κs和κl分别表示固液两相的导热系数，W/(m·K)；Ss和Sl分别表示固液两相的源项；qw表示外部热流密度，W/m2；ɑ表示外部传热系数，W/(m·K)；Tf表示流体的温度，K；Tw表示外部的参考温度，K；ΔH表示的是相变材料的相变潜热，L/kg；t表示时间，s。

第二个模型就是焓法模型，所谓的焓法模型就是在整个相变区域统一起来，建立一个整体的能量守恒方程。这种模型是将焓值和温度作为待求的函数，使用数值分析的方法计算出焓场的分布情况，进而得出固液相的温度场分布情况。控制方程主要有：

能量守恒方程：

???h????div??uh??di?vagradhSh?t （2-7）

在固液两相区，温度和焓值的关系：

（?h?hs)?cs?T?Tf??0?(h?h)l?cl??????s??l（h＜hs)

(h＞hl)(h＜hs)（h＞hl)

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??s ????l? （2-8）

2.5 相变传热问题的数值求解方法[30]

因为相变蓄热问题是一种伴随着相变过程的复杂的传热过程，很难得到解析

解，通常采用数值解析的方法来求解。数值解法主要分为强数值解法和弱数值解法，数值解析发的基本解题思路是：首先通过适当的简化建立物理模型，然后利用模型内时间和空间区域内的有限个离散点的速度、温度、压强等物理量来近似代替无体内实际物理量的分布，然后通过连续方程、栋梁方程以及能量守恒方程等等计算出各物理量之间的关系，然后再通过添加边界条件等得到一组离散的方程组，最后通过求解方程组来得到所需的物理量。目前在求解相变传热问题时常用的数值模拟方法有：有限体积法，有限差分法和有限元法。数值求解的基本步骤是先区域离散化再是方程离散化最后求解代数方程。本文对相变蓄热问题的求解使用的FLUENT软件的程序原理同上面介绍的也是一样的，其具体过程将在后面两章内容具体介绍。

2.6 本章小结

（1）简要介绍了相变材料的种类以及在选择相伴材料时所需要注意事项； （2）介绍了嵌入泡沫金属的复合相变材料的研究现状，简要介绍了泡沫铜/融盐复合相变材料的制备方法和热物性测定方法；

（3）分析了相变传热的特点，简要介绍了一些数学模型和数值求解方法。

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