全面了解相变材料PCM：现象、CFD模型、材料和应用
1.什么是相变材料（PCM）
相变材料（PCM）是一种具有高熔化热的物质，它在特定的温度下熔化和固化，能够储存和释放大量的能量。当材料从固态变为液态，以及从液态变为固态时，会吸收或释放热量；因此，PCM被归类为潜热储存（LHS）单元。
潜热储存可以通过液态→固态、固态→液态、固态→气态和液态→气态的相变来实现。然而，只有固态→液态和液态→固态的相变对于PCM来说是实际可行的。尽管液态-气态转变比固态-液态转变具有更高的热转换量，但液态→气态相变对于热储存来说不切实际，因为需要大体积或高压来储存气态材料。固态-固态相变通常非常缓慢，并且具有相对较低的热转换量。
最初，固态-液态PCM表现得像感热储存（SHS）材料；当它们吸收热量时，温度会上升。然而，与传统的SHS材料不同，当PCM达到它们相变的温度（它们的熔点）时，它们在几乎恒定的温度下吸收大量的热量。PCM继续吸收热量，直到所有材料都转变为液态，温度不会显著上升。当液态材料周围的环境温度下降时，PCM固化，释放其储存的潜热。许多PCM在任何所需的温度范围内都可用，从-5摄氏度到190摄氏度。在20-30摄氏度的人体舒适范围内，一些PCM非常有效。它们每单位体积储存的热量比水、砖石或岩石等传统储存材料多5到14倍。
2.常见的CFD相变模型
2.1 Enthalpy-Porosity模型
机理原理：Enthalpy-Porosity模型是一种用于模拟固液相变过程的模型。它将相变材料（PCM）视为多孔介质，其中“孔隙率”随温度变化，当材料熔化时孔隙率增加，凝固时孔隙率减少。模型通过焓方程来描述材料的热响应，焓方程中包含了潜热项。
应用范围：该模型适用于模拟相对简单的固液相变过程，如熔化和凝固，特别是在多孔介质或颗粒床中发生的相变。
优点：
相对简单，易于实现。
可以处理复杂的几何形状和多维问题。
缺点：
需要额外的参数来描述多孔介质的特性。
可能无法准确捕捉界面的动态行为。
对于快速相变过程或界面移动较快的情况，可能不够准确。
2.2 Li-Nielsen模型
机理原理： Li-Nielsen模型是一种基于焓的相变模型，它通过引入一个温度相关的比热容函数来描述材料在相变点附近的热响应。这个函数在相变温度附近有一个尖峰，表示潜热的释放或吸收。
应用范围：Li-Nielsen模型适用于模拟具有明确相变点的材料的相变过程，尤其是在需要精确描述相变温度附近的热行为时。
优点：
能够精确地模拟相变过程中的温度变化和潜热释放。
适用于多种材料和相变类型。
缺点：
需要对材料的热物理性质有深入的了解。
在相变温度附近可能需要非常精细的网格以捕捉比热容的尖峰。
2.3 Evaporation/Condensation Model模型
机理原理： Evaporation/Condensation Model是用于模拟液-气相变过程的模型，它考虑了蒸发和凝结过程中的质量和能量交换。这些模型通常基于质量守恒和能量守恒原理，通过耦合的热传递和流体流动方程来描述相变过程。
应用范围：适用于模拟蒸发和凝结过程，例如在热交换器、喷雾干燥、燃烧室等应用中的液-气相变。
优点：
能够模拟液-气相变过程中的复杂现象，如蒸发和凝结。
可以与其他物理过程耦合，提供全面的模拟。
缺点：
模型可能相对复杂，需要较高的计算资源。
对于某些特殊情况，可能需要特定的参数调整和校准。。
2.4 Solidification/Melting Model模型
机理原理： Solidification/Melting Model专门用于模拟材料的凝固和熔化过程。这些模型通常基于热传递方程，并考虑了材料的热物理性质，如比热容、导热系数和相变潜热。
应用范围：适用于金属铸造、聚合物加工、食品加工等领域中的凝固和熔化过程。
优点：
专门针对凝固和熔化过程设计，能够准确模拟材料的相变行为。
可以与流动和传热模型耦合，提供全面的模拟。
缺点：
对于非均匀或复杂的流动条件，可能需要更精细的网格和更复杂的数值方法。
对材料属性的准确性要求较高，可能需要实验数据支持。
3.PCM材料示例
水
硫酸钠
铝
钛
硝酸钠
氢氧化钠
甘油
对硝基苯胺
次磷酸
最常用的PCM是盐类水合物、脂肪酸和酯类，以及各种石蜡（如十八烷）。最近，离子液体也被作为新型PCM进行了研究。
由于大多数有机溶液不含水，它们可以暴露在空气中，但所有基于盐的PCM溶液都必须封装，以防止水分蒸发或吸收。这两种类型都提供了一定的优势和劣势，如果它们被正确应用，某些劣势就会变成某些应用的优势。
4.PCM应用
热能储存
太阳能烹饪
冷能电池
建筑调节，例如“冰储”
冷却热和电气发动机
冷却：食品、饮料、咖啡、葡萄酒、乳制品、温室
医疗应用：血液运输、手术台、热冷疗法、新生儿窒息治疗
穿着厚重衣物或服装下的人体冷却
废热回收
低谷电能利用：热水加热和冷却
热泵系统
生物气候建筑/建筑中的被动储存（HDPE，石蜡）
化学反应中平滑放热温度峰值
太阳能发电厂
航天器热系统
车辆中的热舒适度
电子设备的热保护
食品的热保护：运输、酒店业、冰淇淋等
用于服装的纺织品
计算机冷却
带有热能储存的涡轮入口冷却
