CN107368952A - 一种相变储热的性能强化及经济性评价方法 - Google Patents
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Abstract
一种相变储热的性能强化及经济性评价方法，该方法在确定了某个相变器的储热量、储热时间、材料单价与质量等相关参数后，综合考虑相变材料以及添加材料的成本，给出了单位材料成本下的储热速率，表征了材料成本的利用率，并通过无量纲化处理后，获得单位材料成本下的储热速率强化程度，可用于定量比较不同的储热器形式与强化方式的优劣，得到经济效益最高的相变储热性能强化方案，能够在材料筛选、结构改进、强化方式的优化等方面提供定量依据和切实指导，为相变储热系统的设计提供重要借鉴。
Description
技术领域
本发明属于相变储热性能评价领域，具体涉及相变储热的性能强化及经济性评价方法。
背景技术
相变过程是伴随有较大的能量吸收或释放的等温或近似等温过程。利用相变过程进行热量的存储与释放是一种重要的储热方式，具有储热密度高、工作温度较稳定等优点，相比显热储热技术，可有效降低储热器的尺寸，节约投资成本，在太阳能热利用、余热回收、建筑节能、电子器件冷却等领域具有广阔的应用前景。
相变材料的物性是决定相变储热性能的关键因素之一，然而多数常见的相变材料如石蜡、熔融盐等，导热性能较差，严重制约了储热过程的速率，因此改善相变材料的导热性能是实现高效快速储热的重要举措。将相变材料与具有高导热性能的添加物相复合，是一种直接而有效的改性方式。然而，强化材料的加入带来的消极影响也不可忽视。在强化导热性能的同时，却降低了储热量；此外，一些高效的强化材料如纳米材料、多孔介质等成本较高，过多的使用将导致相变储热系统整体成本显著提升，大规模利用的可能性降低。因此，强化材料的加入不可盲目进行，需要在一定的评价准则的指导下进行合理优化和设计。
目前常见的用于评价相变储热性能的指标有储热速率(单位时间下的储热量)和储热密度(单位质量下的储热量)，但二者评价角度单一，且常常此消彼长，无法统一，例如将相变材料与添加物复合后，通常储热速率随添加物所占比例的增大而增大，储热密度则随之增大降低。因此仅依据储热速率与储热密度的结果只能定性地分析储热性能变化的规律，无法提供最佳强化方案。文献[Xu Y，Ren Q，Zheng Z J，He Y L.Evaluation andoptimization of melting performance for a latent heat thermal energy storageunit partially filled with porous media[J].Applied Energy，2017，193：84-95.]提出了一种综合考虑储热时间和材料质量的综合指标——单位材料质量下的储热速率，可从一定程度上对储热性能进行综合评价，但没有考虑材料成本的影响。在储热系统的实际设计过程中，材料成本是需要慎重考虑的关键因素，因此，亟需一个经济性评价方法，用于评价相变储热单元储热性能和强化效果，能够在考虑材料成本的前提下，定量给出不同相变储热方案的经济效益，为储热方案的优化设计提供指导。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供相变储热的性能强化及经济性评价方法，本发明综合考虑相变储热的储热量、储热时间与材料成本，用于评价单位材料成本下的相变储热速率，并通过无量纲化处理来评价单位材料成本下储热速率的强化率，可用于定量比较不同的相变材料以及不同的强化方式等的经济效益，进而指导储热单元的优化设计。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)确定基准条件下的相变储热器的形式和尺寸，根据工作温度确定相变材料的熔点范围，确定相变材料的种类和配比并查明该相变材料的热物性数据，计算或称量该基准条件下所使用的相变材料的质量mPCM，0，确定相变材料的单价aPCM，将相变材料装载到相变储热器中；
2)对该相变储热器进行储热性能强化，综合考虑相变储热器工作温度范围、材料相容性、运行安全性，确定添加物种类并查明其热物性，确定添加物的单价aadd，计算或称量所使用的相变材料的质量mPCM、所使用的添加物的质量madd，将添加物与相变材料复合并装载到相变储热器中；
3)通过数值模拟或实验方式，分别进行基准条件下以及储热性能强化后的相变储热过程，分别确定基准条件下的单位成本储热速率qc，0和储热性能强化后的单位成本储热速率qc：
3-1)确定步骤1)所述的基准条件下的储热时间τm，0，将相变材料的质量mPCM，0，相变材料的单价aPCM，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm，0代入式(1)，得到该基准条件下的单位成本储热速率qc，0，
式中：Q0为基准条件下的总储热量，C0表示基准条件下的材料总成本，(cp，s)PCM为相变材料的固态定压比热容，mPCM，0∫(cp，s)PCMdT为相变材料固态显热储热量，(cp，1)PCM为相变材料的液态定压比热容，mPCM，0∫(cp，1)PCMdT为相变材料液态显热储热量，由于在相变储热过程中显热储热量远远小于潜热储热量，此处可忽略固态显热储热量和液态显热储热量，仅考虑潜热储热量；
3-2)确定步骤2)所述的储热性能强化后的熔化时间τm，将相变材料的质量mPCM’相变材料的单价aPCM，强化换热材料的质量madd，添加物的单价aadd，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm代入式(2)，得到储热性能强化后的单位成本储热速率qc，
式中：Q为储热性能强化后的总储热量，C表示储热性能强化后的材料总成本，(cp)add为添加物的固态定压比热容，madd∫(cp)adddT为添加物固态显热储热量，(cp，s)PCM为相变材料的固态定压比热容，mPCM∫(cp，s)PCMdT为储热性能强化后，相变材料固态显热储热量，(cp，1)PCM为相变材料的液态定压比热容，mPCM∫(cp，1)PCMdT为储热性能强化后，相变材料液态显热储热量，由于在相变储热过程中显热储热量远远小于潜热储热量，此处可忽略添加物固态显热储热量、相变材料固态显热储热量和相变材料液态显热储热量，仅考虑潜热储热量；
4)确定单位成本储热速率的强化率qc’，将由步骤3)得到的基准条件下的单位成本储热速率qc，0和储热性能强化后的单位成本储热速率qc代入式(3)，或将相变材料的质量mPCM，强化换热材料的质量madd，基准条件下，上述储热器的储热时间τm，0，储热性能强化后的熔化时间τm，相变材料的单价aPCM，添加物的单价aadd代入式(3)，得到无量纲化的单位成本储热速率，即单位成本储热速率的强化率qc’，
式中：N为添加物与相变材料的单价之比aadd/aPCM；
5)若单位成本储热速率的强化率qc’＞1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率提高；若qc’＜1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率降低；qc’越大，表示单位成本下的储热速率越大，对材料的成本利用率越高，经济效益越高。
所述的相变材料的热物性数据包括熔点Tm、密度ρ、相变潜热L、定压比热容cp、导热系数λ、动力粘度μ和热膨胀系数γ。
所述的基准条件下的储热时间τm，0与储热性能强化后的熔化时间τm均以开始加热为起点，以相变材料的完全熔化为终点。
对于不同的强化储热性能的方案，选择同一基准条件，重复步骤2)-4)，确定不同方案对应的单位成本储热速率的强化率qc’，qc’＞1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率提高；qc’＜1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率降低；对比不同方案的qc’，qc’越大，表示单位成本下的储热速率越大，对材料的成本利用率越高，经济效益越高。
本发明在确定了某个相变器的储热量、储热时间、材料单价与质量等相关参数后，综合考虑相变材料以及添加材料的成本，给出了单位材料成本下的储热速率，表征了材料成本的利用率，并通过无量纲化处理后，获得单位材料成本下的储热速率强化程度，可用于定量比较不同的储热器形式与强化方式的优劣，得到经济效益最高的相变储热性能强化方案，能够在材料筛选、结构改进、强化方式的优化等方面提供定量依据和切实指导，为相变储热系统的设计提供重要借鉴。
附图说明
图1为是实施例相变储热器在基准条件下的二维截面示意图；
图2为几种强化相变储热性能的方案示意图。选择泡沫铜为添加物，强化方案一为扇环形(圆心角120°)的泡沫铜填充在储热单元的下部，强化方案二为泡沫铜在下部填充，填充高度占外管直径的0.7，强化方案三为全填充；
图3为本发明单位成本储热速率的强化率qc’随成本比N的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实施方案。
参加图1，本发明的具体实施例是：一个水平放置的套管式储热器，内管外径Ro为40mm，外管内径Ri为125mm，长度为1m。相变材料为二元碳酸盐(Li2CO3-K2CO3，物质的量之比为62∶38)，充满该套管式储热器的环形空间内，高温传热流体从管内流过。计算或称量该基准条件下所使用的相变材料的质量mPCM，0。确定相变材料的单价aPCM°
参见图2，为了强化相变材料的导热性能，选择泡沫金属铜为强化材料，确定泡沫铜的单价aadd。设计了几种泡沫铜在相变材料中的填充方式，以比较不同的方案对相变储热性能的强化效果。将相变材料充满在泡沫铜的孔隙内和未添加泡沫铜的区域，分别计算或称量各方案所使用的相变材料的质量mPCM、所使用的添加物质量madd。二元碳酸盐与泡沫铜的热物性见表1。
表1二元碳酸盐与泡沫铜的热物性
分别进行基准条件下和储热性能强化后的相变储热过程，确定各情况下相变储热器的熔化时间，可以采用以下两种方法，分别有：
第一种：采用实验方法，采集相变储热器内各点的动态温度或进行可视化观测，以完全熔化为终点确定熔化时间。
第二种：采用数值模拟方法，对相变储热过程进行仿真计算，监测液相分数的变化，以液相分数达到1为终点确定熔化时间。
确定基准条件下的单位成本储热速率qc，0。将基准条件下的相变材料的质量mPCM，0，相变材料的单价aPCM，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm，0等参数代入式(1)，得到该基准条件下的单位成本储热速率qc，0，
分别确定各方案对应的储热性能强化后的单位成本储热速率qc。将各方案对应的相变材料的质量mPCM，相变材料的单价aPCM，添加物的质量madd，添加物的单价aadd，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm等参数代入式(2)，得到储热性能强化后的单位成本储热速率qc，
确定各强化方案对应的单位成本储热速率的强化率qc’。将基准情况下的单位成本储热速率qc，0，储热性能强化后的单位成本储热速率qc代入式(3)，或将相变材料的质量mPCM，强化换热材料的质量madd，基准条件下上述储热器的储热时间τm，0，储热性能强化后的熔化时间τm，相变材料的单价aPCM，添加物的单价aadd代入式(3)，得到无量纲化的单位成本储热速率，即单位成本储热速率的强化率qc’，
式中：N表示添加物单价与相变材料的单价之比aadd/aPCM°
参见图3，由于材料成本受市场波动和宏观调控的影响，添加物单价与相变材料的单价之比N为变量，各个强化方案对应的单位成本储热速率的强化率qc’随N的变化而变化。相比于基准条件，通过泡沫铜进行相变储热性能强化可显著提高材料成本利用率，在单位成本下获得较高的储热速率。当N＜5时，强化方案二对成本的利用率最高，相比未进行强化的基准条件，单位成本储热速率可强化4倍以上；当N＞5时，强化方案一对成本的利用率最高，相比基准条件，单位成本储热速率可强化2倍以上；强化方案三始终不是最佳的填充方式，可见盲目的填充不是经济效益最高的方案。以当前的市场价格为参考，泡沫铜与二元碳酸盐的单价之比约为8-12，在此条件下，三种强化方案中强化方案一为最佳方案，经济效益最大。本专利提出的经济性评价方法可在不同的成本范围内提供经济效益最佳的强化方案，为材料筛选、结构改进与强化方式的优化等方面提供定量依据和切实指导。
Claims (4)
1.一种相变储热的性能强化及经济性评价方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定基准条件下的相变储热器的形式和尺寸，根据工作温度确定相变材料的熔点范围，确定相变材料的种类和配比并查明该相变材料的热物性数据，计算或称量该基准条件下所使用的相变材料的质量mPCM，0，确定相变材料的单价aPCM，将相变材料装载到相变储热器中；
2)对该相变储热器进行储热性能强化，综合考虑相变储热器工作温度范围、材料相容性、运行安全性，确定添加物种类并查明其热物性，确定添加物的单价aadd，计算或称量所使用的相变材料的质量mPCM、所使用的添加物的质量madd，将添加物与相变材料复合并装载到相变储热器中；
3)通过数值模拟或实验方式，分别进行基准条件下以及储热性能强化后的相变储热过程，分别确定基准条件下的单位成本储热速率qc，0和储热性能强化后的单位成本储热速率qc：
3-1)确定步骤1)所述的基准条件下的储热时间τm，0，将相变材料的质量mPCM，0，相变材料的单价aPCM，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm，0代入式(1)，得到该基准条件下的单位成本储热速率qc，0，
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式中：Q0为基准条件下的总储热量，C0表示基准条件下的材料总成本，(cp，s)PCM为固态相变材料的定压比热容，mPCM，0∫(cp，s)PCMdT为相变材料固态显热储热量，(cp，1)PCM为液态相变材料的定压比热容，mPCM，0∫(cp，1)PCMdT为相变材料液态显热储热量，由于在相变储热过程中显热储热量远远小于潜热储热量，此处可忽略固态显热储热量和液态显热储热量，仅考虑潜热储热量；
3-2)确定步骤2)所述的储热性能强化后的熔化时间τm，将相变材料的质量mPCM，相变材料的单价aPCM，强化换热材料的质量madd，添加物的单价aadd，相变材料的相变潜热L，熔化时间τm代入式(2)，得到储热性能强化后的单位成本储热速率qc，
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4)确定单位成本储热速率的强化率qc’，将由步骤3)得到的基准条件下的单位成本储热速率qc，0和储热性能强化后的单位成本储热速率qc代入式(3)，或将相变材料的质量mPCM，强化换热材料的质量madd，基准条件下，上述储热器的储热时间τm，0，储热性能强化后的熔化时间τm，相变材料的单价aPCM，添加物的单价aadd代入式(3)，得到无量纲化的单位成本储热速率，即单位成本储热速率的强化率qc’，
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式中：N为添加物与相变材料的单价之比aadd/aPCM；
5)若单位成本储热速率的强化率qc’＞1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率提高；若qc’＜1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率降低；qc’越大，表示单位成本下的储热速率越大，对材料的成本利用率越高，经济效益越高。
2.根据权利要求1所述的相变储热的性能强化及经济性评价方法，其特征在于：所述的相变材料的热物性数据包括熔点Tm、密度ρ、相变潜热L、定压比热容cp、导热系数λ、动力粘度μ和热膨胀系数γ。
3.根据权利要求1所述的相变储热的性能强化及经济性评价方法，其特征在于：所述的基准条件下的储热时间τm，0与储热性能强化后的熔化时间τm均以开始加热为起点，以相变材料的完全熔化为终点。
4.根据权利要求1所述的相变储热的性能强化及经济性评价方法，其特征在于：对于不同的强化储热性能的方案，选择同一基准条件，重复步骤2)-4)，确定不同方案对应的单位成本储热速率的强化率qc’，qc’＞1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率提高；qc’＜1，表示相比基准条件，储热性能强化后的材料的成本利用率降低；对比不同方案的qc’，qc’越大，表示单位成本下的储热速率越大，对材料的成本利用率越高，经济效益越高。
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