一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法技术

技术编号:19511762 阅读:62 留言:0更新日期:2018-11-21 08:03
本发明专利技术公开了一种固‑液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法,针对固‑液相变储热器的动态、非线性难点,提出无量纲充/放热时间,即实际充/放热时间与基准充/放热时间的比值。基准充/放热时间通过解析方式建立显示计算公式,可表征相变储热器的非线性特性。提出了时均载热流体侧出口温度和时均壁面温度,表征固‑液相变储热器的动态特性。在此基础上,通过实验和数值模拟方法建立无量纲充/放热时间与各影响参数的修正公式。进而可以开展固‑液相储热器的两类快速设计问题(已知总换热面积设计充/放热时间和已知充/放热时间设计总换热面积)。该方法具有较高的准确性,且具有通用性,易于推广到不同类型的结构形式。

【技术实现步骤摘要】
一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法
本专利技术属于固-液相变储热器
,具体涉及一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法。
技术介绍
随着能源危机和环境问题的日益加剧,储热得到了越来越多的关注。储热不仅可以节约能源消耗,同时也可以解决能源供需之间的不匹配问题。目前,储热方式主要有3种:显热储热、潜热储热及化学储热。其中,相变储热具有比显热高数倍的储热密度;且相变储热过程处于恒温状态,具有比化学储热更好的稳定性。目前常见的相变储热方式是指固-液相变储热。固-液相变储热器是固-液相变储热系统的关键设备之一,其性能好坏以及匹配问题是影响整个储热系统性能及成本的关键因素之一。常见的固-液相变储热器是通过载热流体(HTF)将热量带进或带出相变储热器;即在充热的时候,在储热器内实现热量从载热流体侧传递给相变材料侧(PCM);而在放热的时候,在储热器内实现热量从相变材料侧传递给载热流体侧。因此,相变储热器与常规换热器具有类似的结构。两者最大的不同之处在于:常规换热器中一般有冷热两种载热流体,流体通过壁面进行换热;而相变储热器内的相变材料侧一般是密封在相变储热器内,所以不能流动。正因为如此,相变储热器的相变材料侧的换热效果一般不太理想。截至目前,针对固-液相变储热器内的传热机制和性能提升方法已经开展了大量的研究工作。例如,为了改善固-液相变材料的传热能力弱的问题,研究工作包括制备一些高导材料(如纳米颗粒等)与相变材料的复合相变材料、在相变材料中填充高导翅片、以及设计优化相变储热器的结构等。这些研究工作为促进相变储热技术的发展起到了很大的作用,因此相变储热技术正处于由实验室向实际工程推进的阶段。在将相变储热技术推向实际工程应用的阶段,如何快速预测相变储热器性能以及快速设计相变储热器成为了制约的关键因素之一。普通换热器性能的快速预测和设计技术已经十分成熟。然而,普通换热器预测与设计方法并能不够直接应用于相变储热器,这是因为相变储热器的固-液相变过程是一个非线性的动态过程。这种非线性的动态过程给相变储热器的快速预测和设计提出了挑战。
技术实现思路
本专利技术提供一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法,能够解决上述固-液相变过程的非线性动态特性对固-液相变储热器性能预测与设计造成的问题。为实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,建立无量纲充/放热时间计算方法,计算公式如下:其中:ttotal为实际储热器的充/放热时间;ttotal,0是实际储热器的简化模型所对应的基准充/放热时间,所述简化模型是具有解析解或近似解析解的模型,其表达式为:ttotal,0=f(Ste,δPCM,λPCM,ρPCM,cp,PCM)(2)其中,Ste为相变材料的Stefan数,ρPCM为相变材料的密度,cp,PCM为相变材料的比热容,λPCM为相变材料的导热系数,δPCM为相变材料的厚度;f(储热器结构、载热流体侧参数、初始温度)是与储热器结构、载热流体侧参数以及整个储热器的初始温度等因素有关的公式,其与储热器结构、载热流体侧参数以及初始温度等因素之间的关系通过数值模拟或实验方法建立。优选的,其中,Ste0为无量纲初始时间,Tinitial为整个储热器的初始温度,Tmelting是相变材料的熔点,β是相变材料的相变潜热,L为储热器的长度,δHTF为载热流体的厚度,a、b、c、m以及n是待定常数,通过数值模拟或实验方法进行确定。优选的,所述简化模型为单相Stefan模型,其中,Tmelting是相变材料的熔点,β是相变材料的相变潜热,Th是热源温度或冷源温度,对于充热过程为热源温度,对于放热过程为冷源温度。优选的,Th=Tinlet,Tinlet为载热流体入口温度。优选的,Th=0.5(Tinlet+Toutlet),其中Tinlet为载热流体入口温度,Toutlet为载热流体出口温度。优选的,Th=Twall,ave,其中,Twall,ave为储热器的时均壁温,Toutlet,ave为载热流体时均出口温度,qave为储热器的时均热流密度,qm,HTF为载热流体的质量流量,cp,HTF为载热流体的比热容,hHTF为载热流体与壁面的对流换热系数,A为储热器的换热面积;熔化充热过程时,式(8)右边最后一项取负号,凝固放热过程时,取正号;Q=Qs+Ql(11)Ql=mPCMβ(12)储热量Q为充/放热过程中相变材料吸收或释放出来的总热量,由相变潜热Ql和显热Qs组成,mPCM为相变材料的质量。一种基于上述计算方法的固-液相变储热器性能预测方法,包括如下步骤:(a)确定基本参数:确定相变材料及其热物性,包括密度ρPCM、比热容cp,PCM、导热系数λPCM、熔点Tmelting以及相变潜热β等;确定相变材料的质量mPCM,确定载热流体及其物性,包括密度ρHTF、比热容cp,HTF以及导热系数λHTF等;确定载热流体侧的工况参数,包括进口温度Tinlet以及质量流量qm,HTF或流速uHTF等;确定储热器换热面积A和储热器的长度L、载热流体侧通道高度δHTF以及相变材料厚度δPCM等;(b)计算储热量:根据公式(12)计算潜热量,如果需要考虑显热,则先给定一个初始假定的显热Qs,init;(c)给定初始假定的充/放热时间ttotal,init;(d)根据估计的显热Qs,init和充/放热时间ttotal,init,按照公式(9)和(10)计算时均出口温度Toutlet,ave;(e)根据公式(8)计算时均壁面温度Twall,ave;(f)核算显热量:根据时均壁面温度Twall,ave,按照例如公式(13)进行显热计算,并将计算值与Qs,init进行对比,如果两者的差异大于规定值,则重新(b)到(f)步骤,直到两者的误差小于规定值;如果不考虑显热则可以跳过该步骤直接进入步骤(g);(g)计算基准充/放热时间ttotal,0:根据例如公式(5)、(6)、(7)计算基准充/放热时间;(h)计算ttotal:根据公式(3)计算ttotal,将计算得到的ttotal和假定的ttotal,init进行对比,如果满足差异小于规定值则预测完成;如果差异大于规定值,则将计算得到的ttotal作为新的估计值代入步骤(c),重复步骤(c)到(h)直到两者的差异小于规定值,预测完成。一种基于上述计算方法的固-液相变储热器设计方法,包括如下步骤:(a)确定基本参数:选择相变材料,确定其基本热物性,包括密度ρPCM、比热容cp,PCM、导热系数λPCM、熔点Tmelting以及相变潜热β等;确定载热流体及其物性,包括密度ρHTF,比热容cp,HTF、以及导热系数λHTF等;确定载热流体侧的工况参数包括Tinlet以及流量qm,HTF或流速uHTF等,确定充/放热时间ttotal;(b)计算储热量:根据公式(12)计算潜热量,如果需要考虑显热,则先给定一个初始假定的潜热Qs,init;(c)给定初始假定的总换热面积Ainit;(d)根据已知的充/放热时间ttotal及假定的总换热面积Ainit,按照公式(9)、(10)计算时均出口温度Toutlet,ave;(e)根据给定的Ain本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种固‑液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,建立无量纲充/放热时间计算方法,计算公式如下:

【技术特征摘要】
1.一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,建立无量纲充/放热时间计算方法,计算公式如下:其中:ttotal为实际储热器的充/放热时间;ttotal,0是实际储热器的简化模型所对应的基准充/放热时间,所述简化模型是具有解析解或近似解析解的模型,其表达式为:ttotal,0=f(Ste,δPCM,λPCM,ρPCM,cp,PCM)(2)其中,Ste为相变材料的Stefan数,ρPCM为相变材料的密度,cp,PCM为相变材料的比热容,λPCM为相变材料的导热系数,δPCM为相变材料的厚度;f(储热器结构、载热流体侧参数、初始温度)是与储热器结构、载热流体侧参数以及整个储热器的初始温度等因素有关的公式,其与储热器结构、载热流体侧参数以及初始温度等因素之间的关系通过数值模拟或实验方法建立。2.根据权利要求1所述的一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,其中,Ste0为无量纲初始时间,Tinitial为整个储热器的初始温度,Tmelting是相变材料的熔点,β是相变材料的相变潜热,L为储热器的长度,δHTF为载热流体的厚度,a、b、c、m以及n是待定常数,通过数值模拟或实验方法进行确定。3.根据权利要求1所述的一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,所述简化模型为单相Stefan模型,其中,Tmelting是相变材料的熔点,β是相变材料的相变潜热,Th是热源温度或冷源温度,对于充热过程为热源温度,对于放热过程为冷源温度。4.根据权利要求3所述的一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,Th=Tinlet,Tinlet为载热流体入口温度。5.根据权利要求3所述的一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,Th=0.5(Tinlet+Toutlet),其中Tinlet为载热流体入口温度,Toutlet为载热流体出口温度。6.根据权利要求3所述的一种固-液相变储热器的快速性能计算方法,其特征在于,Th=Twall,ave,其中,Twall,ave为储热器的时均壁温,Toutlet,ave为载热流体时均出口温度,qave为储热器的时均热流密度,qm,HTF为载热流体的质量流量,cp,HTF为载热流体的比热容,hHTF为载热流体与壁面的对流换热系数,A为储热器的换热面积;熔化充热过程时,式(8)右边最后一项取负号,凝固放热过程时,取正号;Q=Qs+Ql(11)Ql=mPCMβ(12)储热量Q为充/放热过程中相变材料吸收或释放出来的总热量,由相变潜热Ql和显热Qs组成,mPCM为相变材料的质量。7.一种基于权利要求6所述计算方法的固-液相变储热器性能预测方法,其特征在于,包括如下步骤:(a)确定基本参数...

【专利技术属性】
技术研发人员:郑章靖徐阳
申请(专利权)人:中国矿业大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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