文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123649
不同孔隙结构硅藻土基调湿材料调湿性能研究
郑佳宜陈振乾* 施明恒
(东南大学能源与环境学院, 江苏南京 210096)
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摘要本文建立了硅藻土基调湿材料内部热湿耦合迁移一维数学模型,模拟了不同孔隙率、不同环境温度下硅藻土基调湿材料中的热湿耦合迁移过程,结果表明:随着孔隙率的减小,硅藻土基调湿材料的吸、放湿量均增大;环境温度对硅藻土基调湿材料热湿耦合迁移过程影响不显著,不同的环境温度(最大相差20℃)对硅藻土基调湿材料吸、放湿量的影响均在10%左右,且对硅藻土基调湿材料本身温度分布影响小于1%。采用显微图像分析法对硅藻土基调湿材料的表面孔隙结构、孔径分布进行表征,结合硅藻土基调湿材料的调湿性能测试结果,表明硅藻土基调湿材料的孔径尺寸越小、小孔径孔隙数量越多,其调湿性能越好。硅藻土基调湿材料调湿性能的实测数据、模拟结果以及图像表征吻合良好,从而验证了理论模型的合理性。
关键词硅藻土基调湿材料;热湿迁移;孔隙率;孔径分布;
0 前言
随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,人们对室内环境的卫生性、舒适性日益重视,包含室内空气品质(IAQ)、室内温湿度、视觉感受、听觉感受等等。而室内温湿度能够最直接地反馈给人们。现如今较多采用主动式的温湿度控制法,消耗了大量的能源,在日益严重的能源危机中被动湿度控制法应运而生,因此调湿材料的研究也受到了各国研究学者的关注和重视。调湿材料的概念是由日本学者西藤宫野等[1]首先提出,指不需要借助任何人工能源和机械设备,依靠自身的吸放湿性能,感应所调空间空气温湿度的变化,从而自动调节空气相对湿度的材料,它对节约能源、改善环境舒适性、促进生态环境的可持续发展等具有重要的实际意义。20世纪90年代,冯乃谦等[2][3]开始了调湿材料的研究,以沸石作为载体,制备了沸石粉-硅藻土、沸石粉-石膏复合调湿材料,发现其均具有自动吸湿与放湿的特性,并且随着原料配比的不同,调湿材料的性能有所不同。张连松等[4]利用纤维状海泡石对纳米二氧化钛吸附,并与沸石、硅藻土等多孔材料进行选择复配,研制成一种具有净化空气、抗菌、调湿、诱生空气负离子等功能的内墙粉末装饰涂料。陈作义[5]利用改进淀粉对硅藻土/白水泥进行复合改性后获得5种调湿材料, 并对调湿材料的调湿性能进行了实验研究。Junye Wang [6]建立了变化环境中考虑相变的颗粒状白糖的热质耦合迁移的数学模型,探讨了不同温度对白糖热质耦合迁移的影响,其结果与实验吻合良好。L. A. Sphaier等[7]数值模拟了周期性边界条件作用下再生器的热质传递过程。Yi Li[8-10]等建立了多孔纺织品的热湿耦合迁移模型,研究了重力、孔径大小和分布以及大气压强等对多孔纺织品的热湿耦合传递过程的影响。
资助项目:科技部国际科技合作技术交流专项(2011DFA60290)
调湿材料性能研究主要以实验为主,理论分析与数值模拟方面的研究较少。因此,本文针对硅藻土基调湿材料,建立了其热湿耦合迁移数学模型,研究了硅藻土基调湿材料的孔隙率和温度对其热湿耦合迁移过程的影响;通过显微图像法对硅藻土基调湿材料的表面孔隙结构、孔径分布进行表征,研究孔隙分布对其热湿耦合迁移过程的影响;搭建实验台测试硅藻土基调湿材料的吸、放湿量与模拟结果进行对比分析。
1硅藻土基调湿材料热湿耦合迁移数学模型
本文综合了场驱动模型[11-16]和连续介质模型[17],考虑毛细效应下硅藻土基调湿材料中水分扩散,水蒸气分压力作用下硅藻土基调湿材料孔隙中水和水蒸气扩散,水和水蒸气之间的相变过程,建立了对流边界条件下硅藻土基调湿材料一维热湿耦合迁移数学模型。图1为硅藻土基调湿材料单元控制体能量、质量平衡示意图。
图1 调湿材料单元控制体能量、质量平衡示意图
毛细管模型(1)
能量方程(2)
液态水传递方程(3)
水蒸气传递方程(4)
初始条件和边界条件
时,,,,;
时,,,;
时,
Eq.(1)- Eq.(4)为描述硅藻土基调湿材料吸湿过程的控制方程以及边界条件,通过调节源项前符号的正负和边界条件可得到描述硅藻土基调湿材料放湿过程控制方程。
考虑孔隙效应的饱和水蒸气浓度修正系数
由于多孔介质中毛细压力的作用,可假定多孔介质中的饱和水蒸气浓度不同于水平面的饱和水蒸气浓度,因此需要进行修正。根据Kelvin定律[18],弯曲液面上的饱和蒸气压力与平面上饱和蒸气压力的关系可表示为
(5)
其中为液体表面张力;为液体密度;为接触角;为毛细半径。
水蒸气在空气中的扩散系数[20]
(6)

其中为考虑分子间作用力对气体扩散系数影