板式相变储能换热器的性能优化

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0192

储能科学与技术 ›› 2021, Vol. 10 ›› Issue (5): 1745-1752.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0192

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板式相变储能换热器的性能优化

刘丽辉(), 张航, 彭子安, 李杰, 孙小琴()

长沙理工大学能源与动力工程学院，湖南长沙 410004

收稿日期:2021-05-06 修回日期:2021-05-07 出版日期:2021-09-05 发布日期:2021-09-08
作者简介:刘丽辉（1996—），女，硕士研究生，主要研究方向为相变材料传热性能，E-mail：liulh0909@163.com|孙小琴，教授，主要研究方向为相变储能技术，E-mail：xiaoqinsun@csust.edu.cn。
基金资助:
国家重点研发计划(2018YFE011200);国家自然科学基金(52078053);湖南省自然科学基金优秀青年基金(2019JJ30027);湖南省高新技术产业科技创新引领计划(2020GK4057);长沙市杰出创新青年培养计划(kq2009049);研究生科研创新项目(CX20200868)

Energy storage optimization of a plate-type phase change heat exchanger

Lihui LIU(), Hang ZHANG, Zian PENG, Jie LI, Xiaoqin SUN()

School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, Hunan, China

Received:2021-05-06 Revised:2021-05-07 Online:2021-09-05 Published:2021-09-08

摘要/Abstract

摘要：

本工作设计了一种板式相变储能换热器，研究几何参数对换热器储能性能的影响。控制换热器的体积与储能量不变，构建了5种不同结构的板式相变储能换热器模型，利用FLUENT软件分别对其进行储能数值模拟，并对最佳结构的入口温度、入口流速进行优化计算。结果表明：减小板式相变单元厚度可以增加换热速率，但同时会增加压降，计算得到相变单元数量N=5时换热效率最佳；板式相变换热器的储能速率与边界流体流速成正比，与压降成反比；板式相变换热器的换热速率随入口温度升高而增加，但增加的幅度随着边界流速或温度的增加而减小。综合考虑换热器内部结构与工况对换热性能的影响，本研究中换热器性能最佳的为相变单元数量为5、热流速率为0.5 m/s的换热器模型，同时发现在实际应用中当流速较小时，需要重点关注换热器内部结构的设计。

关键词: 板式相变储能换热器, 数值模拟, 储能速率, 压降

Abstract:

In this paper, a prototype of a plate-type phase-change heat exchanger (PPCHE) is designed, and the influence of geometric parameters on the performance of the PPCHE is studied. Five PPCHEs models with different plate-type phase-change units (PPCUs) were constructed to control the heat exchanger volume and the PCM mass. Numerical simulation optimized the heat-transfer fluid (HTF) inlet temperature and velocity. The results showed that increasing the number of PPCUs increased the heat-transfer rate, but the pressure drop also increased. When the PPCUs numbered five in total, the heat-transfer efficiency was the best. The energy storage efficiency was proportional to the fluid velocity and inversely proportional to the pressure drop. The heat-transfer rate increased with an increasing HTF temperature; however, the increased rate decreased with an increase in HTF velocity or temperature. In this study, the best condition for the highest energy storage performance was v=0.5 m/s and N=5. In practical application, the design of the internal structure of the heat exchanger when the flow rate is low should be a primary focus.

Key words: plate phase change heat exchanger, numerical simulation, energy storage rate, pressure drop

中图分类号:

TK 02

刘丽辉, 张航, 彭子安, 李杰, 孙小琴. 板式相变储能换热器的性能优化[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(5): 1745-1752.

Lihui LIU, Hang ZHANG, Zian PENG, Jie LI, Xiaoqin SUN. Energy storage optimization of a plate-type phase change heat exchanger[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(5): 1745-1752.

图/表 15

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参考文献 13

1	NKWETTA D N, HAGHIGHAT F. Thermal energy storage with phase change material—A state-of-the art review[J]. Sustainable Cities and Society, 2014, 10: 87-100.
2	汪翔, 陈海生, 徐玉杰, 等. 储热技术研究进展与趋势[J]. 科学通报, 2017, 62(15): 1602-1610.
	WANG X, CHEN H S, XU Y J, et al. Advances and prospects in thermal energy storage: A critical review[J]. Chinese Science Bulletin, 2017, 62(15): 1602-1610.
3	ABDULATEEF A M, MAT S, ABDULATEEF J, et al. Geometric and design parameters of fins employed for enhancing thermal energy storage systems: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82: 1620-1635.
4	ZIVKOVIC B, FUJII I. An analysis of isothermal phase change of phase change material within rectangular and cylindrical containers[J]. Solar Energy, 2001, 70(1): 51-61.
5	VYSHAK N R, JILANI G. Numerical analysis of latent heat thermal energy storage system[J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(7): 2161-2168.
6	李洋, 王彩霞, 宗军, 等. 不同形式相变储热换热器的对比分析[J]. 储能科学与技术, 2019, 8(2): 347-356.
	LI Y, WANG C X, ZONG J, et al. A comparative analysis of different heat exchangers containing phase change materials[J]. Energy Storage Science and Technology, 2019, 8(2): 347-356.
7	尹点. 板片式相变储能换热器的数值模拟及其实验研究[D]. 长沙: 中南林业科技大学, 2017.
	YIN D. A numerical simulation and experimental investigation of A plate-type phase change energy storage heat exchanger[D]. Changsha: Central South University of Forestry & Technology, 2017.
8	COSTA M, BUDDHI D, OLIVA A. Numerical simulation of a latent heat thermal energy storage system with enhanced heat conduction[J]. Energy Conversion and Management, 1998, 39(3/4): 319-330.
9	MEDRANO M, YILMAZ M O, NOGUÉS M, et al. Experimental evaluation of commercial heat exchangers for use as PCM thermal storage systems[J]. Applied Energy, 2009, 86(10): 2047-2055.
10	夏莉, 张鹏, 周圆, 等. 石蜡与石蜡/膨胀石墨复合材料充/放热性能研究[J]. 太阳能学报, 2010, 31(5): 610-614.
	XIA L, ZHANG P, ZHOU Y, et al. Study on the charging/discharging characteristics of paraffin and paraffin/expanded graphite composite material[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(5): 610-614.
11	刘丽辉, 莫雅菁, 孙小琴, 等. 板式相变储能单元的蓄热特性及其优化[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1784-1789.
	LIU L H, MO Y J, SUN X Q, et al. Thermal storage characteristics and optimization of plate-type phase change energy storage unit[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(6): 1784-1789.
12	BRENT A D, VOLLER V R, REID K J. Enthalpy-porosity technique for modeling convection-diffusion phase change: Application to the melting of a pure metal[J]. Numerical Heat Transfer, 1988, 13(3): 297-318.
13	SHOKOUHMAND H, KAMKARI B. Experimental investigation on melting heat transfer characteristics of lauric acid in a rectangular thermal storage unit[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013, 50: 201-212.

方案编号	结构参数				边界条件
方案编号	PCM数量N	PCM厚度/mm	通道厚度/mm	PCM/热流体积/m3	热流温度/℃	热流流速/(m·s^-1)
1	1	0.075	0.075	0.010125	50	1
2	3	0.025	0.025		50	1
3	5	0.015	0.015		50	1
4	7	0.0107	0.0107		50	1
5	9	0.0083	0.0083		50	1
6	5	0.015	0.015		35、40、45、50、60	1
7	5	0.015	0.015		50	0.5、1、2、3、4

属性	数值*
相变温度/℃	27
密度/(kg·m^-3)	850(s)/790(l)
导热系数/[W·(m·K)^-1]	0.36(s)/0.16(l)
比热容/[kJ·(kg·℃)^-1]	2.15(s)/2.30(l)
相变潜热/(J·kg^-1)	231.2
动力黏度/(Pa·s)	0.005
体积膨胀系数/K^-1	0.001

[1]	冯国会, 王天雨, 王刚. 封装方式对相变水箱蓄放热性能影响模拟分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2161-2176.
[2]	叶文兰, 赵明, 胡明禹, 田扬. 管束式相变蓄热器的蓄放热性能分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2151-2160.
[3]	李仲博, 汉京晓, 王成成, 杨慧, 杨娜, 尹少武, 王立, 童莉葛, 唐志伟, 丁玉龙. 热化学反应器放热过程模拟及参数影响规律[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2133-2140.
[4]	吴小凌, 周涛, 刘钰照, 杜艳平, 陈会平, 李顺. 基于空气紊流的中空底孔微柱阵列设计及强化散热数值研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1980-1987.
[5]	甘露雨, 陈汝颂, 潘弘毅, 吴思远, 禹习谦, 李泓. 锂电池安全性多尺度研究策略：实验与模拟方法[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(3): 852-865.
[6]	张晓光, 潘晓楠, 李金铭, 刘丽, 何燕. 电池排布对锂电池组相变热管理性能的影响[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 127-135.
[7]	田辉, 华栋, 曼茂立, 刘春哲, 李国君, 张兄文. 板式固体氧化物燃料电池积碳特性的数值研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 291-296.
[8]	李正, 刘祯, 吴华伟, 谢东升, 钱伟. 涡旋压缩机切向泄漏瞬态流场特性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(5): 1579-1588.
[9]	王君雷, 徐祥贵, 孙通, 姚华, 宋民航, 王燕, 黄云. 一种螺旋翅片式相变储热单元的储热优化模拟[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 514-522.
[10]	梁卫华, 吴大勇, 舒均国. 逗号刮刀涂布流场理论分析与数值模拟[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(2): 565-576.
[11]	邓婷婷, 蔡颖玲. 笼屉式水箱中膨胀石墨对石蜡熔化和凝固过程的影响[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(1): 190-197.
[12]	邹燚涛, 裴后举, 施红, 朱信龙, 杨凯杰, 王均毅. 某型集装箱储能电池组冷却风道设计及优化[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1864-1871.
[13]	周慧琳, 邱燕. 矩形单元蓄热特性及结构优化[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(4): 1082-1090.
[14]	王烨, 蔺虎相, 胡悦, 王苗, 林源山. 半球形顶太阳能蓄热水箱内置错层隔板结构及运行参数优化[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(3): 942-950.
[15]	邹勇, 仇汝冬, 王霞. 石蜡相变材料蓄热过程的模拟研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 101-108.

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