基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0155

摘要/Abstract

摘要：

掌握相变材料蓄、放热过程的影响因素对提高相变蓄、放热效率具有重要的指导意义。本文建立了平板换热器相变换热单元模型，基于Fluent软件的凝固/融化模型，以南瑞集团自主研发的乙酸钠基复合相变材料对其凝固放热过程进行仿真，分析了不同换热结构、流体流速以及相变材料厚度对相变材料换热过程的影响，并对平板换热器相变换热单元结构优化，创新性的设计了微通道平板换热器相变换热单元。结果表明：换热器的结构对换热性能有着重要的影响，相比于普通的平板式换热器，微通道换热器能明显地降低相变材料放热时间；流体流速增大放热速度有所提高，但是容易导致速度场温度场不均匀，换热性能提升有限。相变材料凝固总时间随相变材料厚度的增加而增加，对于相变蓄热产品，需按照设计时间对相变单元相变材料厚度进行选型。最后以仿真结果制备相变样机、搭建储/放热系统，并对比实验数据验证模拟结果。

关键词: 乙酸钠基复合相变材料, 微通道换热器, 相变换热

Abstract:

The factors affecting the process of phase change material (PCM) storage and heat release must be understood to improve the PCM storage and heat release efficiency. This study presents a plate heat exchanger heat unit model based on the solidification/melting model of FLUENT software, south of Switzerland group independent research and development of sodium acetate composite PCM on the exothermic process of solidification simulation, analyzed the different heat transfer structure, fluid velocity, and thickness of PCM for heat transfer process, the influence of PCM and heat unit on a flat plate heat exchanger structure optimization, the innovative design of microchannel plate heat exchanger heat units. The results show that the heat exchanger structure has an important effect on the heat transfer performance. The heat transfer velocity is improved with the fluid flow rate increase; however, the velocity and temperature fields are not uniform, and the heat transfer performance is limited. The total solidification time of the PCM increases with its thickness. The simulation results are used to prepare a phase change prototype, build a storage/heat release system, and verify the simulation results by experimental data comparison.

Key words: phase change material base on trihydrate sodium acetate, microchannel heat exchanger phase change heat exchanger

中图分类号:

TK 02

叶闻杰, 杨肖, 孙富华, 杨冬梅, 杜炜, 杨波, 刘杨, 王启扬. 基于微通道平板换热器的相变材料放热性能影响研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(6): 1747-1754.

Wen'jie YE, Xiao YANG, Fuhua SUN, Dongmei YANG, Wei DU, Bo YANG, Yang LIU, Qiyang WANG. Heat release property of phase change materials based on a microchannel heat exchanger[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(6): 1747-1754.

图/表 13

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

参考文献 12

1	陈洪哲, 朱能, 杨昆, 等. 电锅炉与相变蓄热换热器联合供暖的经济性[J]. 煤气与热力, 2019, 39(7): 10001-10003.
	CHEN Hongzhe, ZHU Neng, YANG Kunet al. Economy of combined heating of electric boiler and phase change heat exchanger[J]. Gas and Heat, 2019, 39(7): 10001-10003.
2	凌浩恕, 何京东, 徐玉杰, 等. 清洁供暖储热技术现状与趋势[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(2): 1-13
	LING Haoshu, HE Jingdong, XU Yujie, et al. Status and prospect of thermal energy storage technology for clean heating[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(2): 1-13
3	苗常海, 白中华, 王雯, 等. 典型蓄热式电采暖项目经济性对比分析[J].电力需求侧管理, 2018, 20(6): 36-39.
	MIAO Changhai, BAI Zhonghua, WANG Wen, et al. Comparative analysis on economics of typical regenerative electric heating projects[J]. Power Demand Side Management, 2018, 20(6): 36-39.
4	李永亮, 金翼, 黄云, 等. 储热技术基础(Ⅰ)—储热的基本原理及研究新动向[J]. 储能科学与技术, 2013, 2(1): 69-72.
	LI Yongliang, JIN Yi, HUANG Yun, et al. Principles and new development of thermal storage technolog[J]. Energy Storage Science and Technology, 2013, 2(1): 69-72.
5	张佳利, 丁宇, 曲丽洁, 等. 石蜡/膨胀石墨复合相变储热单元的放热性能[J]. 储能科学与技术, 2019, 8(1): 116-123.
	ZHANG Jiali, DING Yu, QU Lijie, et al. Discharge performance of a thermal energy storage unit with paraffin- expanded graphite composite phase change materials[J]. Energy Storage Science and Technology, 2019, 8(1): 116-123.
6	张宇迪, 章学来, 纪珺, 等. 尿素/三水乙酸钠复合相变材料热物性研究[J]. 能源研究与利用, 2018, 184(6): 30-35.
	ZHANG Y D, ZHANG X L, JI J, et al. Thermo-physical properties of urea/sodium acetate trihydrate composite phase change materials[J]. Energy Research and Utilization, 2008, 184 (6) : 30-35.
7	WEI Z, LI Y, LI D, et al. Thermal energy storage: Challenges and the role of particle technology[J]. Particuology, 2014, 15(4): 2-8.
8	李传, 葛志伟, 金翼, 等.基于复合相变材料储热单元的储热特性[J]. 储能科学与技术, 2015, 4(2): 169-175.
	LI Chuan, GE Zhiwei, JIN Yi, et al. Heat transfer behaviour of thermal energy storage components using composite phase change materials[J]. Energy Storage Science and Technology, 2015, 4(2): 169-175.
9	杜晓冬, 章学来, 丁锦宏, 等. 纳米成核剂对三水乙酸钠蓄热性能的影响[J]. 建筑节能, 2017, 45(9): 25-28.
	DU Xiaodong, ZHNAG Xuelai, DING Jinhong, et al. Effects of nanoparticles nucleating agents on the performance of sodium acetate trihydrate[J]. Building Energy Conservation, 2017, 45 (9): 25-28.
10	郎雪梅, 叶菊招. 三水合乙酸钠的相变贮热性能[J]. 材料开发与应用, 2003, 18(1): 6-9.
	LANG Xuemei, YE Juzhao. Phase change property of sodium acetate trihydrate as heat storage material[J]. Development and Application of Materials, 2003, 18(1): 6-9.
11	袁维烨, 章学来, 华维三, 等. 不同盐水比对三水乙酸钠混合体系稳定过冷影响的研究[J]. 化工新型材料, 2019, 47(4): 158-166.
	YUAN Weiye, ZAHNG Xuelai, HUA Weisan, et al. Study on the influence of different salt ratio on the stability of sodium acetate trihydrate mixed system[J]. New Chemical Materials, 209, 47 (4) : 158-166.
12	马贵香. 硬脂酸基复合相变储能材料的制备、热性能及数值模拟研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所), 2019.
	MA Guixiang. Preparation, thermal properties and numerical simulation of stearic acid-based composite phase change energy storage materials [D]. Beijing: University of Chinese academy of Sciences (Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences), 2019.

[1]	姚祯, 张琦, 王锐, 刘庆华, 王保国, 缪平. 生物质衍生碳材料在全钒液流电池电极方面的应用[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2083-2091.
[2]	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.
[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]	李洪涛, 张帅, 李旭东, 纪运广, 孙明旭, 李欣. 单罐式储能换热系统在热风无纺布工艺中的应用[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2250-2257.
[5]	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.
[6]	刘立君, 宁雅倩, 李晓庆, 刘晓燕. 偏心分形翅片管相变储热单元性能强化模拟[J]. 储能科学与技术, 2022, (): 1-9.
[7]	张弘, 张阳, 赵耀, 王久林. 固固转化反应硫正极的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1919-1933.
[8]	周伟东, 黄秋, 谢晓新, 陈科君, 李薇, 邱介山. 固态锂电池聚合物电解质研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1788-1805.
[9]	冯锦新, 凌子夜, 方晓明, 张正国. 相变乳液的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1968-1979.
[10]	蒋铖一, 钟尊睿, 吴自德, 彭浩. C₈H₁₈～C₁₁H₂₄ 混合烷烃体系相变材料的热力学性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1957-1967.
[11]	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.
[12]	吴玉庭, 寇真峰, 张灿灿, 吴伊洋. 列管式固体氯化钠蓄冷换热器动态分布参数分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1988-1995.
[13]	王灿, 马盼, 祝国梁, 魏水淼, 杨植禄, 张志宇. 丙烯酸锂包覆天然石墨对其电化学性能的影响[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1706-1714.
[14]	郝佳豪, 越云凯, 张家俊, 杨俊玲, 李晓琼, 宋衍昌, 张振涛. 二氧化碳储能技术研究现状与发展前景[J]. 储能科学与技术, 2022, (): 1-10.
[15]	杨娜, 王成成, 杨慧, 胡志昊, 童莉葛, 李仲博, 王立, 丁玉龙, 李娜. 基于热化学反应的硅胶非等温动力学计算及储热性能分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1331-1338.