Análisis de la transferencia de calor sólido-líquido en el cambio de fase

La transferencia de calor de cambio de fase sólido-líquido incluye dos procesos: solidificación de la sustancia (líquido se convierte en sólido) y fusión (sólido se convierte en líquido),la sustancia se calienta hasta el punto de fusión y absorbe una gran cantidad de calor durante el proceso de fusión, y el calor latente se libera durante el proceso de solidificación cuando se enfría hasta el punto de congelación.

La transición de fase sólido-líquido y la transferencia de calor son fenómenos comunes en la naturaleza, como la formación de rocas volcánicas, la evolución del hielo y el deshielo de la tierra, etc.y también son procesos importantes en el campo de la tecnología de ingeniería, tales como la refrigeración de alimentos, el procesamiento de polímeros, la solidificación y cristalización de piezas fundidas, la preparación de materiales de aleación amorfa, el refinamiento de materiales semiconductores,almacenamiento de energía térmica o fría, etc.

La transferencia de calor de cambio de fase sólido-líquido tiene las ventajas de una alta densidad de flujo de calor, una alta eficiencia térmica y una baja presión, lo que tiene un importante significado de investigación y valor de aplicación.

Los modelos matemáticos y las ecuaciones que rigen la transferencia de calor de transición de fase sólido-líquido se basan generalmente en el concepto de un medio continuo,mientras se asume la isotropía y uniformidad de las fases sólido-líquidoDado que la interfaz sólido-líquido se ve directamente afectada por las propiedades físicas de la sustancia,la transferencia de calor de cambio de fase sólido-líquido se puede dividir en dos categorías según diferentes materiales: problemas con una temperatura de transición de fase única y una interfaz sólida-líquida clara (sustancia pura).

El problema de una temperatura de transición de fase en un cierto rango con la zona de coexistencia de dos fases (mezcla).La transferencia de calor de la transición de fase sólido-líquido se puede dividir en dos categorías según las diferentes cantidades de caracterización: modelo de temperatura (la temperatura es la única variable dependiente, y la ecuación de energía se establece en las regiones de fase sólida y fase líquida, respectivamente)

Modelo de entalpía (la temperatura y la entalpía son variables dependientes, y la entalpía se utiliza para distinguir entre fases sólidas y líquidas, sin partición).Las características y dificultades de la transferencia de calor de transición de fase sólido-líquido se encuentran en la interfaz sólido-líquido en movimiento, y también se ven afectados por factores como el flujo relativo de líquido, el cambio de volumen de la transición de fase sólido-líquido y la resistencia térmica límite.

En la primera fase, la solución de la transición de la fase sólido-líquido transferencia de calor utilizado principalmente métodos analíticos, incluyendo el análisis exacto y el análisis aproximado.Sólo unos pocos idealizados sólido-líquido fase de transición de transferencia de calor con condiciones de límite simples pueden ser resueltos con precisión para unos pocos unidimensional semi-infinito, regiones infinitamente grandes, basadas principalmente en el problema de Neumann y el problema de Neumann generalizado.

El análisis de aproximación incluye principalmente el método de integración, el método de estado cuasi estacionario, el método de perturbación, el método de resistencia térmica, el método de aproximación sucesiva, etc.que resuelve principalmente el problema de transición de fase de interfaz monótona unidimensional y los muy pocos problemas bidimensionalesLos métodos numéricos son las principales soluciones para el problema de la transición de la fase sólida-líquida multidimensional de transferencia de calor en condiciones complejas.

Hay dos modelos principales para los métodos numéricos para tratar las transiciones de fase sólido-líquido:el modelo bifásico separado (método de seguimiento de interfaz) y el modelo bifásico mixto (método de cuadrícula fija)El modelo de dos fases separadas trata las dos fases como dos regiones, lo que puede reflejar el proceso de transición de fase con más detalle, pero el proceso de cálculo necesita trazar la interfaz,Así que el esfuerzo computacional es grande.

El modelo híbrido de dos fases cree que no hay una interfaz estricta en el proceso de transición de fase, y las dos fases coexisten,y el cálculo es simple, pero no puede mostrar con precisión las características de la interfazAdemás, se utilizan métodos de Monte Carlo y de Boltzmann en red para calcular el proceso de transferencia de calor de la transición de fase sólido-líquido.

Debido a las deficiencias de la baja conductividad térmica de los materiales de cambio de fase, especialmente los materiales orgánicos de cambio de fase,la transferencia de calor mejorada del cambio de fase sólido-líquido es también un problema importante que debe resolverse.

Y hay dos tipos principales de métodos de refuerzo: añadir partículas sólidas metálicas o no metálicas de alta conductividad térmica para mejorar la conductividad térmica de los materiales de cambio de fase;Construcciones reforzadas como espuma metálica, aletas metálicas y grafito expandido se utilizan para fortalecer la transferencia de calor a los materiales de cambio de fase.