一种相变热储、放热一体装置的设计方法

1.本发明涉及太阳能供暖技术领域，特别涉及一种相变热储、放热一体装置的设计方法。


背景技术：

2.进入21世纪后，随着经济的快速发展，牧区和偏远农村的人们对空间采暖提出了新的要求。牧区和偏远农村地广人稀且一般拥有充足的太阳能资源，目前世界各国均在努力开发新能源，研究高效节能新技术。太阳能集热器的出现是真正解决降低消耗化石能源的有效途径，但是仍有许多问题。尤其是能源的时间上分布不均匀导致了一般的太阳能集热系统不满足日常需求。目前最有效的研究是相变储热技术。但是相变储热技术大多还是在研究如何添加肋片从而强化充热过程，如何改变相变材料的物理提高导热系数等。
3.关于现有的相变热储放一体换热装置的设计方法，大多数的还停留在实验测试和数值模拟某一热力过程。实验过程耗费的时间和经济成本较高，同样复杂的数值模拟计算时间周期也较长，因此迫切需要一种简单且实用的工程应用的相变储、放热装置的设计方法。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.基于现有的相变换热器的设计方法，大多还停留在实验测试和数值模拟，但是这两种设计方法对于工程问题来说难度较大、成本高和耗时长，本技术发明提供一种简单且实用的工程应用的相变储、放热装置的设计方法。
6.2.技术方案
7.为解决上述的技术问题，本技术提供了一种简单且实用的相变储、放热装置的设计方法，包括以下步骤：
8.步骤一、预设相关设计参数和制约条件：设计参数一般为加热管道的直径d，加热管道的数量n，加热管道之间的间距wh，lh，流经装置中流体的进口温度t
wi
、出口温度t
wo
、流体进口速度u，装置所处环境温度te；制约条件一般为占地面积和空间体积；对应为装置的外长l，宽w，高h，以及装置可以包含相变材料的容积v，充热管道与相变材料的接触面积s。
9.步骤二、确定相变材料和封装材料的物性参数；相变材料是通过封装容器的方式进行组合，在进行热量计算是需要获取相变材料和封装容器材料对应的热物性参数，主要包含密度、潜热量、动力粘度等，热扩散系数，导热系数。
10.步骤三、确定相变热储、放热一体装置的总储热量qi和平均充热功率并判定储热量是否满足设定值。
11.步骤四、确定相变热储、放热一体装置的传热系数k、放热面积a和放热功率p并判定放热功率是否满足设定值。
12.步骤五、确定相变热储、放热一体装置的相变材料用量m。
13.3.本发明的有益效果
14.与现有相变储热装置，本发明的优点是：
15.(1)本发明分离加热和散热的过程，分别通过总储热量和放热功率对相变储热装置进行表征计算，通过两者确定相应的设计参数。虽然设计方法精度有所降低，但是大大地简化了耦合计算带来的难度。
16.(2)简化了复杂的管壳式换热器设计方法，特别是对于工程问题可以方便的计算出需要材料用量和对应装置的参数尺寸。
附图说明
17.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明一种相变储、放热装置的设计和优化流程图。
具体实施方式
19.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
20.请参见附图，本技术提供一种相变储、放热装置的设计和优化方法，包括以下步骤：
21.步骤一、预设相关设计参数和制约条件：设计参数一般为加热管道的直径d，加热管道的数量n，加热管道之间的间距wh，lh，流经装置中流体的进口温度t
wi
、出口温度t
wo
、流体进口速度u，装置所处环境温度te；制约条件一般为占地面积和空间体积；对应为装置的外长l，宽w，高h，以及装置可以包含相变材料的容积v，充热管道与相变材料的接触面积s。
22.步骤二、确定相变材料和封装材料的物性参数；相变材料是通过封装容器的方式进行组合，在进行热量计算是需要获取相变材料和封装容器材料对应的热物性参数，主要包含密度、潜热量、动力粘度等，热扩散系数，导热系数，相变材料的熔化温度。
23.相变储、放热一体换热器设计最重要的就是选择相变材料的熔化温度，熔化温度的确定主要考虑系统集热温度和用户需求。
24.本发明考虑系统采用采用太阳能真空管集热器，据工程经验真空管太阳能集热器系统的集热温度一般为65℃左右，确定相变材料的温度上限为(65-5)℃。
25.用户的使用方式决定了系统所提供温的下限。本发明考虑具体实施方案为空间加热，要求房间的温度te为14℃，考虑至少要10℃的温差，选择的相变材料熔化温度应该大于(14+10)℃。在24-60℃之间选择相变材料可以满足具体实施案例，结合经济性和熔化温度范围可以选择如下三种无机相变材料。随后查询或者测试对应相变材料的热物性如表1示。
26.表1.相变材料热物性表(太阳能供热采暖工程技术规范gb50495-2019)
[0027][0028]
步骤三、确定相变热储、放热一体装置的总储热量qi和平均充热功率并判定储热量是否满足设定值。
[0029]
整个装置的热能储存量是由流过装置的热流体(水)提供的，考虑到装置出口处的流体温度是时间的函数，积分后可得经过一定时间t后，由热水所提供的总热量qi为：
[0030][0031]
其中，c
p，w
为水的平均比热容j
·
kg-1
·
k-1
，qm为热流体(水)的质量流量kg/s。
[0032]
平均传热功率为：
[0033][0034]
总储热量一般根据当地太阳能集热器的运行数据为主，当没有相关数据时，可以考虑采用采暖需求量的进行替代，平均传热功率一般可以采用充热时间段的功率进行表示，太阳能集热器作为热源时，充热时间一般为早上9点到晚上18点。
[0035]
储热量的设定值根据保障天数和单日的储热总量确定，没有相关材料是按照保障天数和采暖需求量的乘积代替。
[0036]
本实施案例中储热装置需要提供的总热量为q
r，max
＝36mj。考虑两天的用量为72mj。
[0037]
步骤四、确定相变热储、放热一体装置的传热系数k、放热面积a和放热功率p并判定放热功率是否满足设定值。
[0038]
放、热一体装置存在两个散热面积，一是加热管道和相变材料间的换热面积，二是换热装置外壳与室内空气之间的换热面积。外壳的散热面积是制约向室内的散热速率的主要因素之一，因此需要确定外壳的散热面积，进而确定装置的尺寸。
[0039]
考虑装置的相变材料为六水氯化钙，当储热装置循环管的外壁表面温度为29.4℃(相变温度)，室内设计温度te为14℃时，平均温度tm＝1/2
×
(14℃+30℃)＝22℃。
[0040]
查询取值可以参见，高等教育出版社出版的“传热学(第五版)”，陶文铨编著教材附录，22℃时空气的物性为：密度为1.040kg/m3，比热cp为1.005kj/(kg
·
℃)，导热系数＝0.028w/(m
·
℃)，黏度为18.97
×
10-6
m2/s，计算得出普朗特数pr为0.698。
[0041]
首先计算格拉晓夫数gr
[0042][0043]
gr
·
pr＝8.4
×
109×
0.7＝5.88
×
109[0044]
本实施案例为竖直方管，采用《传热学第五版》给出了自然对流的平板关联公式
为：
[0045]nu
＝c(grpr)n[0046]
以格拉晓夫数gr判定自然对流的空气在平壁附近的流动状态。
[0047]
当gr小于10
4-3
×
109时，为层流。此时系数c为0.59，指数n为0.25。
[0048]
当gr在3
×
109到2
×
10
10
之间时，为过渡流。此时系数c为0.0292，指数n为0.39。
[0049]
当gr大于2
×
10
10
时，为湍流。系数c为0.11，指数n为1/3。
[0050]
计算出：
[0051]nu
＝0.0292
×
(5.88
×
109)
0.39
＝188.5
[0052]
计算出传热系数为：
[0053][0054]
将计算出的nu带入到上式中，计算出储热装置热壁面处传热系数为当满足最低保障温度14℃时，该小时的需求热量为882w。采用上述的传热系数2.93w/(m2·
℃)，可以计算出29.4℃的壁面温度需要的散热面积应为18.8m2。
[0055]
放热功率的设定值为设备运行期间某地区热负荷最大值对应的小时能耗量，考虑散热面积大于该值时对应的散热量即为满足放热功率设定值。
[0056]
步骤五、确定相变热储、放热一体装置的相变材料用量m。
[0057]
考虑无机相变材料的熔化温度tm为固定值，位于初始温度ti和最终温度之间to；每根管内充填的pcm物理性能不变，且充填的pcm温度是相同的；所有换热管壁很薄，其所储存的热量忽略不计。根据热量平衡可知相变材料的用量为：
[0058][0059]
其中：lm为相变潜热，kj/kg，c
p，s
为相变单元内pcm(固相)在初始温度ti和相变温度tm之间的平均比热容；c
p，l
为相变单元内pcm(液相)在相变温度tm和最终温度to之间的平均比热容。
[0060]
经计算需要的相变材料为464.55kg，可以提供的热量为75.68mj，在相变时间段提供的热负荷为884w，满足2日的储存量和供热期间最冷小时的热负荷需求量。

技术特征：
1.一种相变热储、放热一体装置的设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、预设相关设计参数和制约条件：设计参数一般为加热管道的直径d，加热管道的数量n，加热管道之间的间距w
h
，l
h
，流经装置中流体的进口温度t
wi
、出口温度t
wo
、流体进口速度u，装置所处环境温度t
e
；制约条件一般为占地面积和空间体积；对应为装置的外长l，宽w，高h，以及装置可以包含相变材料的容积v，充热管道与相变材料的接触面积s；步骤二、确定相变材料和封装材料的物性参数；步骤三、确定相变热储、放热一体装置的总储热量q
i
和平均充热功率并判定储热量是否满足设定值；步骤四、确定相变热储、放热一体装置的传热系数k、放热面积a和放热功率并判定放热功率是否满足设定值；步骤五、确定相变热储、放热一体装置的相变材料用量m。

技术总结
本发明公开了一种相变热储、放热一体装置设计方法，计算方法包括以下步骤：步骤一、预设相关设计参数和制约条件；步骤二、确定相变材料和封装材料的物性参数；步骤三、确定相变热储、放热一体装置的总储热量Q


技术研发人员：尤学一 郑龙锋
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/15