Analiza przeniesienia ciepła między stałym i ciekłym w fazie przemiany

Przeniesienie ciepła w fazie stały-płynne obejmuje dwa procesy: utwardzanie substancji (płyn staje się stałym) i topnienie (stały staje się płynnym),substancja jest podgrzewana do punktu topnienia i wchłania dużą ilość ciepła podczas procesu topnienia, a ciepło ukryte uwalniane jest podczas procesu utwardzania, gdy jest chłodzone do temperatury zamarzania.

Przejście fazy stały-płynny i przeniesienie ciepła są powszechnymi zjawiskami w przyrodzie, takimi jak tworzenie się skał wulkanicznych, ewolucja lodu i topnienie ziemi itp.i są również ważnymi procesami w dziedzinie technologii inżynieryjnych, takie jak chłodzenie żywności, przetwarzanie polimerów, utwardzanie i krystalizacja odlewów, przygotowanie materiałów z amorficznych stopów, rafinacja materiałów półprzewodnikowych,magazynowanie energii cieplnej lub zimnej, itp.

Przeniesienie ciepła z fazy stałej do ciekłej ma zalety wysokiej gęstości strumienia ciepła, wysokiej sprawności cieplnej i niskiego ciśnienia, co ma ważne znaczenie badawcze i wartość zastosowania.

Modele matematyczne i równania rządzące przeniesieniem ciepła w fazie stałej i ciekłej zazwyczaj opierają się na koncepcji medium ciągłego,przy założeniu izotropii i jednolitości fazy stałej i ciekłejPonieważ na interfejs stały-płynny bezpośrednio wpływają właściwości fizyczne substancji,Przeniesienie ciepła z zmiany fazy stałe-płynne można podzielić na dwie kategorie w zależności od różnych materiałów: problemy z temperaturą przejścia jednofazowego i przejrzystym interfejsem stały-płynny (substancja czysta).

Problem temperatury przejścia fazowego w określonym zakresie z strefą koegzystencji dwóch faz (mieszanka).Przeniesienie ciepła podczas przejścia fazy stały - ciekły można podzielić na dwie kategorie w zależności od różnych wielkości charakterystycznych.: model temperatury (temperatura jest jedyną zależną zmienną, a równanie energii jest ustalane odpowiednio w regionach fazy stałej i fazy ciekłej)

Model entalpii (temperatura i entalpia są zależnymi zmiennymi, a entalpia jest używana do rozróżniania fazy stałej i ciekłej bez podziału).Cechy i trudności przejścia cieplnego fazy stałego i ciekłego leżą w ruchomym interfejsie stałego i ciekłego, a także na nie wpływają czynniki takie jak względny przepływ cieczy, zmiana objętości fazy przejścia stały-płynny oraz graniczny rezystancja termiczna.

W początkowej fazie przetwarzania ciepła w fazie stałego i ciekłego roztworu wykorzystywano głównie metody analityczne, w tym analizę dokładną i analizę przybliżoną.Tylko kilka zidealizowanych przejść fazy stałego-płynnego transfer ciepła z prostymi warunkami granicznymi można dokładnie rozwiązać dla kilku jednowymiarowych pół nieskończonych, nieskończenie dużych obszarów, głównie na podstawie problemu Neumanna i uogólnionego problemu Neumanna.

Analiza przybliżenia obejmuje głównie metodę integracji, metodę niemal ustawicznego stanu, metodę zakłóceń, metodę oporu termicznego, metodę sukcesywnego przybliżenia itp.który głównie rozwiązuje jednowymiarowy monotonny problem przemian fazowych interfejsów i bardzo nieliczne dwuwymiarowe problemyMetody numeryczne są głównymi rozwiązaniami wielowymiarowego problemu przejścia fazy stałej-płynnej w zakresie transferu ciepła w złożonych warunkach.

Istnieją dwa główne modele metod numerycznych do analizy przejść fazowych stałych i ciekłych:oddzielony dwufazowy model (metoda śledzenia interfejsu) i mieszany dwufazowy model (metoda stałej siatki)Model z oddzielonymi dwiema fazami traktuje dwie fazy jako dwa regiony, które mogą bardziej szczegółowo odzwierciedlać proces przejścia fazowego, ale proces obliczeniowy musi prześledzić interfejs,więc wysiłek obliczeniowy jest duży.

Hybrydowy dwufazowy model uważa, że w procesie przejścia fazowego nie ma ścisłego interfejsu, a dwie fazy współistnieją,i obliczenie jest proste, ale nie może dokładnie wyświetlić cech interfejsuPonadto do obliczenia procesu transferu ciepła w fazie przejścia stałego do ciekłego wykorzystuje się metody Monte Carlo i sieci Boltzmann.

Ze względu na wady niskiej przewodności cieplnej materiałów do zmiany fazy, zwłaszcza organicznych materiałów do zmiany fazy,Zwiększone przenoszenie ciepła w fazie stałego i ciekłego jest również ważnym problemem, który należy rozwiązać..

Istnieją dwa główne rodzaje metod wzmacniania: dodanie metalu o wysokiej przewodności cieplnej lub metalowych cząstek stałych w celu poprawy przewodności cieplnej materiałów zmieniających fazę;Wzmocnione konstrukcje, takie jak pianki metalowe, płetwy metalowe i rozszerzony grafyt są używane do wzmocnienia transferu ciepła do materiałów zmieniających fazę.