具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置及设计方法

1.本发明属于热发生装置技术领域，尤其涉及具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置及设计方法。


背景技术：

2.为了有效逐步替代不可再生化石能源，风能、太阳能等可再生能源逐步受到广泛的关注，可再生能源具有成本低、无污染、调节能源结构等优点，但是可再生能源具有地域性、间歇性等的固有缺点，使得储能技术成为解决可再生能源应用与发展的重要问题。无论是合理利用不可再生能源，还是科学开发可再生能源，都离不开换热器。换热器的效率是能源利用中的重要一环，如何提高换热器换热效率一直是各国学者的研究热点问题。储能技术广泛应用的主要有显热蓄热储能、潜热蓄热储能和化学能蓄热储能形式。其中通过相变材料的储能技术被认为是性能较好的储能技术手段。相变蓄热储能技术具有密度大、温度恒定、可利用率高等优势，但是导热系数低是相变材料的广泛应用的阻碍之一。
3.现有技术将改善相变换热器结构分为三种：有源技术、无源技术、复合强化技术。其中，无源技术由于造价较低、结构简单、维护方便等优势在强化相变蓄热装置应用范围较广。增加翅片和开孔都属于无源强化技术的方法，增加翅片延伸蓄热器换热面积，加强了导热从而加快了蓄热速率；开孔将换热表面处理成多孔，强化相变蓄热器自然对流强度从而加快了相变速率。
4.现有技术研究了新型的长宽比的树形结构翅片。结果表明，当树形仿生翅片长宽比为1.3，宽度指数为1时，能够显著提高水平壳管式相变蓄热装置蓄热性能，凝固速率降低66.2%，完全融化速率提升4.4%。现有技术还研究了具有均匀梯度的树形结构翅片，并与传统的分形翅片和均匀树形仿生翅片作比较。结果表明，提高了树形仿生翅片下部融化速率，加强了融化后期自然对流和热传导协同作用。提高了9%的完全融化时间。现有技术还研究了利用响应面法和遗传算法对开孔螺旋叶片进行多目标结构优化设计。结果表明，通过响应面法和遗传算法能够缩短设备结构优化设计迭代的时间，通过拟合的关联式找到帕累托最优解集，从而使得优化开孔后的螺旋叶片最大效率提高了6.46%的气液分离效率。
5.还有，现有技术提出树网构造理论归结于体点理论，树形仿生翅片有利于降低热滞后性，更有利于将热输送到相变蓄热器某一点，提高整体蓄热的整体的均匀性。目前对于树形仿生翅片强化主要改变树形仿生翅片的长宽比和树形仿生翅片的角度，从而提高相变过程的导热能力和加快蓄热速率。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：（1）现有技术没有将无源技术中树形仿生翅片和开孔技术相结合，相变材料融化过程中自然对流作用效果较弱，使得整体蓄热速率较慢。
7.（2）现有技术对不同直径开孔和开孔个数对树形仿生翅片相变蓄热装置蓄热量和耗材的影响缺乏有效分析，使得相变蓄热器应用缺乏理论依据，使实用性受限。


技术实现要素：

8.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置及设计方法。
9.所述技术方案如下：一种具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，包括热水管，所述热水管的圆周上均匀布置有多个用于散热的开孔的树形仿生翅片。
10.所述树形仿生翅片包括依次连接的第一树枝、第二树枝、第三树枝；所述第一树枝连接热水管；所述第一树枝、第二树枝、第三树枝上分别开设有第一树枝开孔、第二树枝开孔、第三树枝开孔；进一步的，所述第二树枝相比于第一树枝按至少两倍树枝分支。
11.进一步的，所述第三树枝相比于第二树枝按至少两倍树枝分支。
12.进一步的，所述第一树枝、第二树枝、第三树枝相互之间呈一定角度分布。
13.进一步的，所述第一树枝、第二树枝、第三树枝的宽度采用递减式布置。
14.进一步的，所述第一树枝开孔、第二树枝开孔、第三树枝开孔均为多个，多个第一树枝开孔、第二树枝开孔、第三树枝开孔的孔间距不同。
15.进一步的，所述第一树枝开孔、第二树枝开孔、第三树枝开孔的直径不同。
16.本发明的另一目的在于提供一种具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的设计方法，包括：利用计算流体力学软件，通过响应面法分析设计变量对相变蓄热装置换热量和耗材单因素和多因素影响，并建立数学关联式，获取具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的模拟仿真模型；所述变量包括开孔直径、直径间距、开孔个数。
17.利用计算流体力学软件的计算方法包括：对于开孔树形翅片换热器中的pcm相变材料，固相区、糊状区、液相区的焓各不相同，固相区只有显热，液相区和糊状区的焓同时具有显热和潜热，其固相区和液相区的焓表达式分别为：；；式中，为固相区的焓，为液相区和糊状区的焓，为温度，为参考温度，为定压比热，为微分符号，为pcm 的相变潜热；对于糊状区，引入液相率表征糊状区 pcm 液相所占的体积分数，其中液相率定义为：；式中，为pcm 固相温度，为pcm液相温度，为温度；引入液相率后，方程中的焓值写成统一的数学表达式：
；针对液体相变材料自然对流的情况，对换热器中相变材料的热流体行为进行数值模拟时，所使用的控制方程，即连续性、动量和能量方程如下式：连续性方程为：；动量方程为：；；能量方程为：；式中，为潜热的平流输运，为三维坐标中x方向的速度，为三维坐标中y方向速度，为密度，为热膨胀系数，为动力粘度，为热容，为导热系数，为压力，为焓，为三维坐标x方向的总速度，为三维坐标y方向总速度；动量汇由和表示如下：；；式中，为糊状区常数，为参数，用于避免被零整除，为显焓，为潜热；考虑到自然对流的影响是不可避免的，尤其在熔化过程中，采用boussinesq近似模型；在该模型中，除了动量方程项外，假定流体密度为常数，基于以下表达式，密度被认为是温度的函数：；；式中，为液体相变材料的密度，为固相温度线温度，为液相温度线温度。
18.所述响应面法使用完全可旋转的中心合成设计（ccd），其中包括4个因子，5个水平，最后产生26个案例，其中包括2个中心点，16个分数阶乘点，8个星点；采用的响应面二次多项式表示为：；式中，为变量数，为系数，和分别为响应和因子；通过拟合得到换热量s1和耗材s2与开孔直径a、b、c和开孔个数d之间的数学关系式；利用响应面法分别对换热量和耗材拟合出的关联式如下：换热量公式为：
s1=0.795013-0.00386
×
a-0.000353
×
b-0.000731
×
c-0.00027
×
d+0.000112
×a×
b-0.000026
×a×
c+0.00005
×a×
d+0.000014
×b×
c+0.00005
×b×
d+0.000106
×c×
d+0.000039
×a2-0.00000004075
×
b2+0.000067
×c2-0.000000719437
×
d2上述公式的相关系数为0.9692；耗材公式为：s2=1.03884+0.003729
×
a+0.003982
×
b+0.00568
×
c+0.002175
×
d-0.00069
×a×
b+0.000145
×a×
c-0.000476
×a×
d-0.000151
×b×
c-0.000315
×b×
d-0.000716
×c×
d-0.00031
×a2-0.000283
×b2-0.000538
×
c2+0.000042
×
d2上述公式的相关系数为0.9896。
19.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：为了提高水平式相变潜热蓄热装置的热性能，提出了具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，借助于计算流体力学软件，通过响应面法分析设计变量（开孔直径、直径间距、开孔个数）对相变蓄热装置蓄热量和耗材单因素和多因素影响，并建立数学关联式。结果表明，对相变换热器开三排孔换热性能提升最明显，较未开孔的换热量、对流换热系数分别提升了21.92%、24.39%。开孔翅片加快了相变换热器对流换热性能，节省了翅片管耗材用量，为相变蓄热优化设计提供了指导。
20.本发明将无源技术中树形仿生翅片和开孔技术相结合，在保证翅片结构强度的前提下，提升相变材料融化过程中自然对流，通过相变材料的自然对流从而强化蓄热速率。由于翅片开孔减少翅片的耗材和体积，因此提高相变蓄热器整体蓄热量。
21.本发明利用计算流体力学软件，对开孔树形仿生翅片融化过程进行了数值模拟，通过响应面法分析了不同直径开孔和开孔个数对树形仿生翅片相变蓄热装置换热量和耗材的影响，通过开孔对相变蓄热器起到了自然对流和导热的协同强化作用，提高了相变蓄热器的整体蓄热量和适用性，对于相变蓄热器应用和发展具有促进作用。
附图说明
22.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；图1是本发明实施例提供的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置示意图；图2是本发明实施例提供的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置具体尺寸图；图3是本发明实施例提供的未开孔与随着开孔排数增加耗材与换热量的变化图；图4是本发明实施例提供的未开孔与增加开孔排数体积与对流换热系数的变化图；图中：1、热水管；2、第一树枝；3、第二树枝；4、第三树枝；5、第一树枝开孔；6、第二树枝开孔；7、第三树枝开孔。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
24.实施例1，如图1所示，本发明实施例提供的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置（水平壳管式相变蓄热装置的树形仿生翅片物理模）包括：热水管1，所述热水管1的圆周上均匀布置有多个用于散热的开孔的树形仿生翅片；所述树形仿生翅片包括依次连接的第一树枝2、第二树枝3、第三树枝4；所述第一树枝2连接热水管1；所述第二树枝3相比于第一树枝2按至少两倍树枝分支；所述第三树枝4相比于第二树枝3按至少两倍树枝分支；所述第一树枝2、第二树枝3、第三树枝4相互之间呈一定角度分布；所述第一树枝2、第二树枝3、第三树枝4的宽度采用递减式布置；所述第一树枝2、第二树枝3、第三树枝4上分别开设有第一树枝开孔5、第二树枝开孔6、第三树枝开孔7；所述第一树枝开孔5、第二树枝开孔6、第三树枝开孔7均为多个；所述第一树枝开孔5、第二树枝开孔6、第三树枝开孔7的直径不同。
25.本发明实施例提供的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置具体尺寸如图2所示；水平相变蓄热器包含若干尺寸参数，其中，重要结构参数包括：各树枝长度ln和宽度δn（各树枝详细结构参数见表1所示），热水管半径r1=9mm、换热器r2=15mm、树形仿生翅片长度r3=59mm，各树枝均匀分布。
26.对于温度检测点，将圆周半径和均匀分布角度相交得到温度点分布，其中r4=20mm、d1=15mm、d2=10mm、d3=5mm。对于响应面设计变量取值详见表。
27.表1 树形仿生翅片各树枝结构参数：；表2孔径、个数设计变量及取值：
。
28.实施例2，本发明实施例提供一种具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的设计方法，包括：利用计算流体力学软件，通过响应面法分析设计变量对相变蓄热装置换热量和耗材单因素和多因素影响，并建立数学关联式，获取具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的模拟仿真模型；所述变量包括开孔直径、直径间距、开孔个数。
29.本发明主要分析相变换热器的pcm融化传热特性与不同开孔树形肋片结构参数的关系。对于开孔树形翅片换热器非稳态导热的相变融化过程问题，目前使用最广泛的方法焓-孔隙率法，将和结合而成的总焓作为能量方程中的主要因变量。焓法的优点在于它不需要追踪相界面，将焓和温度作为待求函数，建立整个区域的能量方程，基于焓法模型建立离散方程，并对其进行数值求解。伴随有相变过程的热传导问题具有高度的非线性特征，使得问题复杂化。为了简化模型，作以下假设：pcm是均质的，且是各向同性的相变材料，液相被视为不可压缩牛顿流体。
30.pcm在层流状态时，黏性耗散和接触热阻可以忽略不计。
31.相变过程受热传导和热对流控制，密度采用boussinesq假设，即仅在受浮升力影响时考虑流体的密度变化。引入热膨胀系数来表征密度波动，否则密度在相变过程中是恒定的。
32.相变换热器与外界的热量交换损失可忽略不计，相变温度为一个确定的范围，采用焓法间接确定相界面。该方法用焓和温度同时作为待求变量，在固相、液相及其交界面建立统一的能量方程，通过求解焓值来确定相界面的位置。其能量方程为：；式中，是焓，是时间，是导热系数，是密度，是温度，和为极坐标系下的极径和极角。
33.对于开孔树形翅片换热器中的pcm相变材料，固相区、糊状区、液相区、的焓各不相同。固相区只有显热，液相区和糊状区的焓同时具有显热和潜热。其固相区和液相区、糊状区的焓表达式分别为：；
；式中，为固相区的焓，为液相区和糊状区的焓，为温度，为参考温度，为定压比热，为微分符号，为pcm 的相变潜热；对于糊状区，引入液相率表征糊状区 pcm 液相所占的体积分数，其中液相率定义为：；式中，为pcm 固相温度，为pcm液相温度，为温度；引入液相率后，方程中的焓值写成统一的数学表达式：；针对液体相变材料自然对流的情况，对换热器中相变材料的热流体行为进行数值模拟时，所使用的控制方程，即连续性、动量和能量方程如下式：连续性方程为：；动量方程为：；；能量方程为：；式中，为潜热的平流输运，为三维坐标中x方向的速度，为三维坐标中y方向速度，为密度，为热膨胀系数，为动力粘度，为热容，为导热系数，为压力，为焓，为三维坐标x方向的总速度，为三维坐标y方向总速度；动量汇由和表示如下：；；式中，为糊状区常数，最好在 10
5-106范围内，为参数，用于避免被零整除，为显焓，为潜热；考虑到自然对流的影响是不可避免的，尤其在熔化过程中，采用boussinesq近似模型；在该模型中，除了动量方程项外，假定流体密度为常数，基于以下表达式，密度被认为是温度的函数：
；；式中，为液体相变材料的密度，为固相温度线温度，为液相温度线温度；使用响应面法（response surface method）的中心合成设计（central composite design，ccd）设计方法，中心合成设计的定义为每个数值因子被设置为5个级别：正负alpha(轴向点)，正负1(阶乘点)和中心点。如果添加了类别因素，则中心组合设计将在类别因素级别的每一个组合中重复。建立四因素五水平二目标的方案，选定四种因素作为多因素对象，分别为φ1、φ2、φ3开孔直径和开孔个数（分别为对应l1、l2、l3排开孔直径）。φ1、φ2、φ3直径取值范围在2~4mm，开孔个数取值5~9之间。通过拟合得到填充量和换热量（两目标）与φ1、φ2、φ3开孔直径和开孔个数（四因素）之间的数学关系式。
34.中心复合设计(ccd)是由box和wilson在1951年提出的，是实验者普遍使用的rsm。这个最流行的rsm设计是三个设计点的集合包括阶乘点、星点和中心。
35.；式中，和分别表示因子个数和中心点的重复次数。
36.在本发明中，响应面法使用一个完全可旋转的ccd，其中包括4个因子，5个水平，最后产生了26个案例，其中包括2个中心点，16个分数阶乘点，8个星点。rsm是一种数学方法与统计方法相结合的方法，用于受多因素影响的感兴趣响应进行建模和分析。在rsm中，路线是通过一系列确定性实验来模拟真实的极限状态面，而不需要传统的经验关联。在缺乏更精确的经验公式的情况下，rsm是优化复杂设计工作的有效方法。本研究采用的响应面二次多项式表示为：；式中，为变量数，为系数，和分别为响应和因子；通过拟合得到换热量s1和耗材s2（两目标）与φ1、φ2、φ3开孔直径a、b、c和开孔个数d（四因素）之间的数学关系式。利用响应面法分别对换热量和耗材拟合出的关联式如下：换热量公式为：s1=0.795013-0.00386
×
a-0.000353
×
b-0.000731
×
c-0.00027
×
d+0.000112
×a×
b-0.000026
×a×
c+0.00005
×a×
d+0.000014
×b×
c+0.00005
×b×
d+0.000106
×c×
d+0.000039
×a2-0.00000004075
×
b2+0.000067
×c2-0.000000719437
×
d2上述公式的相关系数为0.9692，接近于1，所以上述公式是精确的。
37.耗材公式为：s2=1.03884+0.003729
×
a+0.003982
×
b+0.00568
×
c+0.002175
×
d-0.00069
×a×
b+0.000145
×a×
c-0.000476
×a×
d-0.000151
×b×
c-0.000315
×b×
d-0.000716
×c×
d-0.00031
×a2-0.000283
×b2-0.000538
×
c2+0.000042
×
d2上述公式的相关系数为0.9896，接近于1，所以上述公式是精确的。
38.通过上述实施例，可知，相变储热可用于太阳能储热、工业设备余热利用等领域。
本发明的开孔树形仿生翅片能够在减少耗材的基础上提高蓄热器换热量，减少材料消耗，相较于未开孔树形仿生翅片可最大减少2.41%的耗材。由于开孔后增强了树形仿生翅片的换热，相较于未开孔翅片最大可提升96.69%的换热量，减少制造成本的同时提高蓄热器蓄热整体性能，能够在市场产品中提高优势进而促进收益。
39.相变储能技术具有能量密度大，占用空间小等优点，但存在导热系数较小的问题。以往的研究大多针对强化导热性能，本专利创新性利用翅片开孔强化自然对流效应，改善以导热为主的树形仿生翅片蓄热器，提高蓄热器整体蓄热能力，提升相变材料对流效应，改善以导热为主的蓄热方式。
40.相变储热具有温度恒定、储能密度大、重复利用性强等优点，但相变材料的低导热性能阻碍了其实际应用发展。本发明通过对树形仿生翅片开孔强化对流换热改善相变材料低导热系数，增强蓄热器换热。
41.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
42.应用例1，针对太阳能蓄热系统通过热辐射的形式将水加热，将热水作为换热介质，将热量通过开孔树形仿生第一、二、三数枝翅片传递到相变材料中，热量被相变材料吸收并加以储存。将储存的热量可用于热水淋浴，由于相变材料储能密度大，可以比热水储存更多的热量用于淋浴，也可以将储存的热量用于冬季供暖，由于相变材料温度恒定，可保持冬季供暖温度恒定，并且由于重复利用性强，可保持热量持续性供暖。
43.应用例2，由于新能源汽车的快速兴起，在冬季北方地区由于温度低，会产生新能源汽车启动困难的问题。通过在新能源汽车增加相变蓄热系统，将白天新能源汽车产生的热量储存，由于相变材料温度恒定且储能密度大，可以持续性给新能源汽车保持温度恒定，防止发动机温度过低，使得新能源汽车即使在寒冷的冬天依旧能够启动。
44.应用例3，现有工业体系较为完善且类型多样化。其中，大中型能源化工、发电等产生的余热较多，较多通过冷却塔的方式浪费掉。在这些大中型周围增加相变蓄热系统，通过树形仿生翅片将热量传递到相变材料中，将产热的余热进行回收，可以将回收的热量用于多种梯级低温利用。其中包括：将蓄热为民用热水管加热、冬季供暖、食品加工厂烘干等，使得余热可以更好的梯级利用减少资源的浪费。
45.上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
46.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
47.基于上述本发明实施例记载的技术方案，进一步的可提出以下应用例。
48.根据本技术的实施例，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少
一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
49.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
50.本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
51.本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
52.本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
53.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（read-only memory，rom）、随机存取存储器（random access memory，ram）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如u盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
54.为进一步证明上述实施例的积极效果，本发明基于上述技术方案进行如下实验。
55.开孔排数的分析：目前对于树形仿生翅片相变换热器存在着热滞后性缺点的改良主要是对改变树形仿生翅片的结构形状，通过强化导热的方式提高相变换热器的融化速率。本发明不同于前人对树形仿生翅片相变换热器的改变形状结构，将开孔技术与相变换热器相结合，将开孔技术的优良的强化对流换热性能应用到相变换热器中。通过在相变换热器树形仿生翅片中开孔，使相变材料融化过程中产生由密度不同而产生浮升效应的自然对流，使受热融化的高温度、低密度的相变材料与初受热和未受热的低温度、高密度的相变材料相互混合，强化了树形仿生翅片导热与自然对流的协同强化作用，使树形仿生翅片加快与相变材料的换热过程，减少相变材料换热器充热时间。
56.其中，本发明中的水平相变蓄热装置耗材计算来源于三维建模软件，换热量与对流换热系数来源于计算流体力学软件依据连续性方程、动量方程和能量方程对水平相变蓄热装置模型的求解结果。根据计算结果，分别对不同开孔结构的水平相变蓄热装置的耗材、换热量与对流换热系数进行对比，对比结果如表3、表4和表5，以及图3、图4所示。具体如下：图3为未开孔与随着开孔排数增加耗材与换热量的变化。从图3中可以看出，未开孔比开孔的树形仿生翅片的耗材多，并且随着开孔排数的增多耗材不断减少，如表3所示。开孔排数增加后换热量出现明显的提升，其中三排开孔的树形仿生翅片换热量最高，换热量较未开孔树形仿生翅片提升了21.92%，如表4所示。随着开孔排数的增加，树形仿生翅片的换热量呈现上升的趋势，这说明开孔后增加了自然对流对相变材料的掺混作用，从而产
生了融化的相变材料与未融化的相变材料相互流动从而提高了相变换热。
57.表3开孔对耗材的影响：。
58.表4开孔对换热量的影响：。
59.再者，图4为未开孔与增加开孔排数体积与对流换热系数的变化。从图4中可以看出开孔后比未开孔的树形仿生翅片体积明显减少并且对流换热系数有着较大的提升，并且在三排开孔处的树形仿生翅片对流换热系数提升最明显，三排开孔较未开孔的对流换热系数提升了24.39%，如表5所示。说明在树形仿生翅片开孔能够强化自然对流与导热的协同作用从而提高相变换热器的对流换热，减少相变换热器与相变材料换热的热滞后性。开孔的树形仿生翅片比未开孔不仅减少耗材、降低相变换热器成本、提高蓄热量有着明显的优势，从而降低了热滞后性对相变换热器的影响，使得相变换热器的整体换热性能有着较好的提升，应用范围更加广泛。
60.表5开孔对流换热系数的影响：。
61.以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，该装置包括热水管（1），所述热水管（1）的圆周上均匀布置有多个用于散热的开孔的树形仿生翅片；所述树形仿生翅片包括依次连接的第一树枝（2）、第二树枝（3）、第三树枝（4）；所述第一树枝（2）连接热水管（1）；所述第一树枝（2）、第二树枝（3）、第三树枝（4）上分别开设有第一树枝开孔（5）、第二树枝开孔（6）、第三树枝开孔（7）。2.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第二树枝（3）相比于第一树枝（2）按至少两倍树枝分支设置。3.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第三树枝（4）相比于第二树枝（3）按至少两倍树枝分支设置。4.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第一树枝（2）、第二树枝（3）、第三树枝（4）相互之间设置有设定角度。5.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第一树枝（2）、第二树枝（3）、第三树枝（4）的宽度采用递减式布置。6.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第一树枝开孔（5）、第二树枝开孔（6）、第三树枝开孔（7）均为多个，多个第一树枝开孔（5）、第二树枝开孔（6）、第三树枝开孔（7）的孔间距不同。7.根据权利要求1所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，其特征在于，所述第一树枝开孔（5）、第二树枝开孔（6）、第三树枝开孔（7）的直径不同。8.一种具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的设计方法，其特征在于，应用于权利要求1~7任意一项所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置，该设计方法包括：利用计算流体力学软件，通过响应面法分析设计变量对相变蓄热装置换热量和耗材单因素和多因素影响，并建立数学关联式，获取具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的模拟仿真模型；所述变量包括开孔直径、直径间距、开孔个数。9.根据权利要求8所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的设计方法，其特征在于，所述利用计算流体力学软件的计算方法包括：对于开孔树形翅片换热器中的pcm相变材料，固相区、糊状区、液相区的焓各不相同，固相区只有显热，液相区和糊状区的焓同时具有显热和潜热，其固相区与液相区和糊状区的焓表达式分别为：；；式中，为固相区的焓，为液相区和糊状区的焓，为温度，为参考温度，为定压比热，为微分符号，为pcm 的相变潜热；对于糊状区，引入液相率表征糊状区 pcm 液相所占的体积分数，其中液相率定义为：
；式中，为pcm 固相温度，为pcm液相温度，为温度；引入液相率后，方程中的焓值写成统一的数学表达式：；针对液体相变材料自然对流的情况，对换热器中相变材料的热流体行为进行数值模拟时，所使用的控制方程，即连续性、动量和能量方程如下式：连续性方程为：；动量方程为：；；能量方程为：；式中，为潜热的平流输运，为三维坐标中x方向的速度，为三维坐标中y方向速度，为密度，为热膨胀系数，为动力粘度，为热容，为导热系数，为压力，为焓，为三维坐标x方向的总速度，为三维坐标y方向总速度；动量汇由和表示如下：；；式中，为糊状区常数，为参数，用于避免被零整除，为显焓，为潜热；考虑到自然对流的影响是不可避免的，尤其在熔化过程中，采用boussinesq近似模型；在该模型中，除了动量方程项外，假定流体密度为常数，基于以下表达式，密度被认为是温度的函数：；；式中，为液体相变材料的密度，为固相温度线温度，为液相温度线温度。10.根据权利要求8所述的具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置的设计方法，其特征在于，所述响应面法使用完全可旋转的中心合成设计ccd，其中包括4个因子，5个水平，最后产生26个案例，其中包括2个中心点，16个分数阶乘点，8个星点；采用的响应面二次多项式表示为：
；式中，为变量数，为系数，和分别为响应和因子；通过拟合得到换热量s1和耗材s2与开孔直径a、b、c和开孔个数d之间的数学关系式；利用响应面法分别对换热量和耗材拟合出的关联式如下：换热量公式为：s1=0.795013-0.00386
×
a-0.000353
×
b-0.000731
×
c-0.00027
×
d+0.000112
×
a
×
b-0.000026
×
a
×
c+0.00005
×
a
×
d+0.000014
×
b
×
c+0.00005
×
b
×
d+0.000106
×
c
×
d+0.000039
×
a
2-0.00000004075
×
b2+0.000067
×
c
2-0.000000719437
×
d2上述公式的相关系数为0.9692；耗材公式为：s2=1.03884+0.003729
×
a+0.003982
×
b+0.00568
×
c+0.002175
×
d-0.00069
×
a
×
b+0.000145
×
a
×
c-0.000476
×
a
×
d-0.000151
×
b
×
c-0.000315
×
b
×
d-0.000716
×
c
×
d-0.00031
×
a
2-0.000283
×
b
2-0.000538
×
c
2 +0.000042
×
d2上述公式的相关系数为0.9896。

技术总结
本发明属于热发生装置技术领域，公开了具有开孔树形仿生翅片的水平相变蓄热装置及设计方法。该装置包括热水管，所述热水管的圆周上均匀布置有多个用于对相变材料进行换热的开孔树形仿生翅片。本发明利用计算流体力学软件，对开孔树形仿生翅片融化过程进行了数值模拟，通过响应面法分析了不同直径开孔和开孔个数对树形仿生翅片相变蓄热装置换热量和耗材的影响，通过开孔对相变蓄热器起到了自然对流和导热的协同强化作用，提高了相变蓄热器的整体蓄热量和适用性，对于相变蓄热器应用和发展具有促进作用。具有促进作用。具有促进作用。


技术研发人员：杨来顺 王震 崔熠 常国璋 李杰 王翠苹 崔伟伟 孙佩佩
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/9/16