李 洋，王彩霞，宗 軍，楊智舜，陳麗華，韓雨辰，張 瑋

?

不同形式相變儲熱換熱器的對比分析

李 洋1,2，王彩霞2，宗 軍2，楊智舜3，陳麗華3，韓雨辰2，張 瑋2

（1浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027；2國家電投集團科學技術(shù)研究院有限公司太陽能技術(shù)研究所，北京 102206；3浙江大學航空航天學院流體機械及工程學院，浙江 杭州 310027）

針對日益嚴重的環(huán)境問題，“煤改電”已經(jīng)成為實現(xiàn)北方清潔供暖的有效手段。此外，我國每年在余熱利用，尤其是在中低溫品質(zhì)熱能利用上還相當不充分。在此大背景下，以相變儲熱供熱技術(shù)為切入點，著重對目前相變儲熱換熱器進行了比較，定性分析了板式、管殼式、熱管式及其他異形（儲熱磚/球）換熱器的優(yōu)缺點。并通過數(shù)值模擬的方式，定量比較了相同換熱面積及邊界條件下，管殼式和板式相變換熱的二維相變材料熔化模型，管殼式換熱器需6 h完全熔化，板式換熱器需8.5 h完全熔化，主要原因在于二者在換熱管/板在排布上差異導致。但考慮到相較于管殼式換熱器，板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、加工工藝簡單、拆卸方便，未來可形成通過制成儲熱磚的方式實現(xiàn)模塊化運行，為后期維護提供了很大便利，因此具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

相變儲熱；換熱器；對比分析

“溫度對口、梯級利用”是科學用能遵循的重要原則。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對各行業(yè)用能的清潔程度、成本限制提出了新的指標要求，尤其在我國北方地區(qū)供暖季節(jié)，由于燃煤不充分等原因?qū)⑿纬伸F霾，嚴重影響空氣質(zhì)量。為了削減取暖燃煤用量，改變用能習慣，提升城市的宜居水平，以北京為代表的各大城市正在逐步推進“電能替代”工作，預計將在“十三五”末期完成“煤改電”全覆蓋，電力作為清潔能源在社會供能體系中承擔越來越重要的角色。

由于供暖要全天候滿足溫度要求，而峰谷期電價差異較大，為了更多地享受國家峰谷電價優(yōu)惠政策，工業(yè)園區(qū)企業(yè)在錯峰用電基礎(chǔ)上可以考慮將大量低谷段電量通過電熱轉(zhuǎn)化方式儲存起來，在用電的高峰期釋放以滿足大功率供暖的耗能需求，通過電量谷峰轉(zhuǎn)移，減少供熱系統(tǒng)的電力峰期用電量，從而降低企業(yè)生產(chǎn)運營成本，達到降本增效的目的。傳統(tǒng)小區(qū)的供暖“煤改電”同樣也可以采用峰谷電量轉(zhuǎn)移的方式，實現(xiàn)低成本的電供暖，不僅可以降低居民自身的用能成本，還可以減少市政管廊的投資建設(shè)和維護成本。通過對可實現(xiàn)峰谷電量轉(zhuǎn)移儲熱技術(shù)的開發(fā)，同樣可為太陽能熱發(fā)電行業(yè)儲熱系統(tǒng)工程化的建設(shè)提供理論支持和實驗數(shù)據(jù)支撐。

此外，近些年我們社會經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化和工業(yè)化進程不斷推進，消耗大量能源，在這個過程中，資源短缺，供給側(cè)壓力增大，能源利用率較低等問題凸顯，已經(jīng)成為阻礙我國經(jīng)濟發(fā)展不可忽視的因素。為了降低供給側(cè)的壓力，提高能源利用效率、減少能源浪費是目前普遍采用的方法。而在各種形式能源浪費中，余熱資源浪費尤為突出，工業(yè)生產(chǎn)中的大部分余熱一般直接排向大氣，既浪費資源又極易造成溫室效應(yīng)，造成疊加的環(huán)境問題。縱觀余熱資源，其產(chǎn)生原因主要是在生產(chǎn)過程中鍋爐等換熱設(shè)備的熱損失造成。表1統(tǒng)計了我國主要用能行業(yè)的余熱資源使用情況[1]。

表1 不同工業(yè)部門余熱資源及其利用情況

基于以上現(xiàn)實情況，儲熱技術(shù)作為一種行之有效的方式，為供暖行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及余熱再利用提供了可選手段?？紤]到利用峰谷差進行居民供暖以及余熱利用等應(yīng)用場合主要為150 ℃以下中低溫區(qū)，而制約中低溫熱利用主要原因為熱交換效率較低，因此，找到一種適用于中低溫熱利用的儲熱技術(shù)便成了關(guān)鍵。其中，相變儲熱技術(shù)是利用特定材料在發(fā)生相變過程中吸收大量熱量，將熱量儲存于材料當中。在需要熱量時，再讓材料將熱量釋放出來，通過這種熱量儲存與釋放的可逆過程，達到谷電峰用及余熱回收利用的目的。相變儲熱技術(shù)具有儲熱密度高、儲釋熱過程溫度恒定等諸多優(yōu)勢，目前已成為中低溫熱利用儲熱領(lǐng)域的研究熱點。近年來，在節(jié)能建筑設(shè)計、太陽能熱利用、電力調(diào)峰、余熱廢熱回收利用等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[2]。

相變儲熱單元作為相變儲熱系統(tǒng)的核心部分，儲熱材料儲釋熱過程均在其中完成，因此，其使用壽命、穩(wěn)定性、安全性及結(jié)構(gòu)特點是研究重點。就中低溫區(qū)儲熱供熱場景而言，如何提高相變儲熱單元儲/放熱效率即換熱效率也就成了研究關(guān)鍵，一方面決定于相變儲熱材料的性能，另一方面起關(guān)鍵作用的就是其中的換熱裝置，即相變儲熱換裝置，其換熱情況對系統(tǒng)效率有非常重要的影響。通過合理的相變換熱器的設(shè)計能夠有效彌補相變材料熱導率低的缺點?；诖?，本文以相變儲熱換熱器為研究對象，對目前相變儲熱換熱器進行了比較，定性分析了板式、管殼式、熱管式及其他異形（儲熱磚/球）換熱器的優(yōu)缺點。并通過數(shù)值模擬方式，建立了管殼式和板式換熱器的數(shù)值分析模型，定量比較了相同換熱面積及邊界條件下，這兩種換熱器形式下的相變材料熔化模型，對相變儲熱換熱器形式選取及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了探索研究。

1 相變儲熱換熱裝置研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況

1.1 相變儲熱換熱裝置研究進展

為了防止相變儲熱材料和換熱介質(zhì)的直接接觸導致?lián)交鞊p失和變質(zhì)，相變材料要與換熱介質(zhì)進行隔離，即為非接觸式相變換熱器，相變材料包覆在換熱器內(nèi)部，可以在管內(nèi)或在殼內(nèi)，熱或冷的換熱介質(zhì)通過與相變材料進行換熱，達到儲/放熱的目的。目前研究中比較常見的相變換熱器形式主要有板式、管殼式及填充式3種基本形式，如圖1所示，較為復雜的相變換熱器通?？赏ㄟ^上述3種形式的相比換熱器演化得到。通過合理的設(shè)計，相變換熱器可以達到實際應(yīng)用場合的要求，目前已經(jīng)應(yīng)用的大多為非接觸式相變換熱器[3]。

圖1 相變儲熱換熱器主要形式

相變儲熱設(shè)備的形狀多種多樣。王培倫等[4]搭建了通用式儲熱換熱平臺，設(shè)計了裙齒板式相變儲能換熱器，結(jié)果表明，儲熱和釋熱過程中，管簇正三角形排列比正四邊形排列換熱速率更快。黃邦等[5]針對相變儲熱裝置中相變材料的最佳填充范圍及盤管間距的確定這一工程應(yīng)用中存在的難題，利用相變蠟作為儲能材料制作出一種套管式相變儲能換熱器，對換熱器在通過熱空氣時的相變傳熱及儲能特性進行了實驗研究，得出了單管相變換熱器中相變材料的較佳填充范圍2～5mm，因此，在多盤管相變儲熱裝置中換熱盤管之間的理論間距為4～5mm。韓廣順等[6]對套管式相變儲熱單元儲熱換熱性能進行了研究，建立了內(nèi)傳熱管和外傳熱管相變儲熱計算模型，運用數(shù)值模擬的方式，研究了兩種結(jié)構(gòu)儲熱換熱性能，結(jié)果顯示，在熔化相同體積相變材料前提下，外傳熱管儲熱單元可以縮短60.7%的熔化時間，換熱特性明顯優(yōu)于內(nèi)傳熱管式儲熱單元，這對與變儲熱裝置的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。葉宏等[7]針對管內(nèi)相變儲熱、管外流體流動的換熱模式，設(shè)計了管殼式相變換熱器，如圖2所示。其中管側(cè)為相變材料，殼側(cè)流水，單元中間設(shè)置了擋板以達到強化殼側(cè)換熱的目的，結(jié)果表明，相變材料有效導熱系數(shù)是影響換熱器性能的關(guān)鍵因素。

崔海亭等[8]設(shè)計加工了一種圓柱形儲熱器，將相變點為57～59 ℃的石蠟儲熱球體封裝在儲熱器中，對傳熱介質(zhì)進口溫度和流量變化影響儲熱器性能進行了影響分析。馬貴陽等[9]在管殼式相變儲熱裝置中（圖3）加裝了翅片，從而強化換熱，加快了相變材料融化速率。

圖2 管殼式相變換熱器縱剖面示意圖

圖3 加裝導熱翅片的相變儲熱裝置

徐峰等[10]對管內(nèi)走換熱介質(zhì)，管外為相變材料的并聯(lián)螺旋盤管相變儲熱裝置的進行了研究，結(jié)果表明，在換熱面積給定的前提下，該結(jié)構(gòu)不僅降低了管道水流阻力，又讓換熱很均勻，總體上提高了相變材料儲熱的穩(wěn)定性和時效性。吳斌等[11]通過填充高導熱多孔篩網(wǎng)的方式，開展了管殼式儲熱裝置換熱實驗，實驗結(jié)果表明，填充篩網(wǎng)對改善相變材料傳熱性能具有積極影響。GHAREBAGHI等[12]對豎直加熱面上添加水平翅片的方形相變儲熱單元進行研究，發(fā)現(xiàn)加翅片有利于強化換熱，同時發(fā)現(xiàn)豎直加熱面上加水平翅片比水平加熱面上加豎直翅片的傳熱效果好一倍，而且減小翅片間距（即增加翅片數(shù)）也可以提高換熱效果。但是增加翅片數(shù)量會阻礙浮力驅(qū)動的自然對流，相變儲熱單元內(nèi)的主導傳熱方式將轉(zhuǎn)變?yōu)閷?。VYSHAK等[13]發(fā)現(xiàn)管殼式換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，相同條件下，長方體單元結(jié)構(gòu)中相變材料的熔化時間明顯短于圓柱形結(jié)構(gòu)，而在管殼式結(jié)構(gòu)中的熔化時間更短。ZHANG等[14]通過數(shù)值模擬的辦法，對管殼式相變儲熱系統(tǒng)進行研究，發(fā)現(xiàn)翅片高度的升高可以有效提高相變材料熔化的液相率，提高單元整體傳熱性能，另外，還發(fā)現(xiàn)通過增加強化換熱的翅片可以降低相變材料的過冷度 影響。

由于相變儲/放熱過程中發(fā)生固/液相變，為了容納和保護相變材料，采用封裝形式將相變材料包覆起來并與傳熱介質(zhì)分隔，也是一種新型換熱器形式。封裝可以提高相變儲能系統(tǒng)的傳熱性能，這主要是通過提高換熱面積以及其他強化傳熱方式綜合作用的結(jié)果。封裝方式主要有兩種：宏觀封裝和微觀封裝，其中微觀封裝，是將相變材料吸附在相應(yīng)包覆材料中，受制于微觀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，微觀封裝尚停留在實驗室探索測試階段[15]。相比微觀封裝結(jié)構(gòu)，宏觀封裝（諸如磚型、膠囊型、球型等），以其拆裝方便，易于更換，且通過增加翅片、凹槽等方式強化換熱，是未來相變儲熱換熱器發(fā)展的重要方向。

圖4 宏觀封裝換熱單元

圖5 相變微膠囊

1.2 相變儲熱換熱裝置應(yīng)用情況

目前，大范圍商業(yè)推廣相變儲熱供熱產(chǎn)品大都以管殼式換熱器為主，選取市面上較為成熟的一款相變儲熱設(shè)備為例，分析其換熱形式的特點。產(chǎn)品額定儲熱量為650 MJ，采用相變材料是自行研發(fā)的無機相變納米復合材料，相變點約為78 ℃。外形為一立方體結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為942mm×942mm× 1835mm，自重2.2噸。其內(nèi)部有一特殊鋼制內(nèi)膽，內(nèi)膽內(nèi)部灌裝有相變材料，材料中均勻排布有換熱管，內(nèi)膽外部為保溫層。谷電時段，通過電鍋爐加熱相變材料，將熱能存儲在產(chǎn)品中，其他時段，利用產(chǎn)品本身存儲的熱量進行采暖的系統(tǒng)，適合學校、醫(yī)院、商場、辦公樓、小區(qū)等區(qū)域型集中采暖。產(chǎn)品外觀圖及其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)原理圖

由公開商業(yè)資料，可知產(chǎn)品大致?lián)Q熱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 蛇形盤管換熱形式

換熱器結(jié)構(gòu)為蛇形盤管形式，優(yōu)點在于整體結(jié)構(gòu)較為簡單，可做模塊化處理，易于安裝與施工。通過設(shè)計盤管結(jié)構(gòu)，包括管徑、管間距等參數(shù)，使熱阻盡量小，換熱面積盡量大，同時最大限度的填充相變儲熱材料，大大提高儲熱能力、換熱功率與效率，以滿足特定應(yīng)用場景下的供熱需求。但也存在相變材料與盤管接觸所帶來的腐蝕，細長盤管彎曲加工工藝以及相變材料熔化及凝固過程中的傳熱計算等復雜問題。作為一種相對成熟相變換熱器形式，需要結(jié)合實際應(yīng)用，對核心問題進行逐步優(yōu)化。

2 相變儲熱換熱裝置對比分析

2.1 板式相變儲熱換熱器

李嘉琪等[16]對新型平板熱管式相變儲熱裝置進行了試驗研究，該種相變儲熱裝置以新型平板熱管為換熱元件，在平板熱管一側(cè)，緊貼有數(shù)個換熱肋片。整個相變儲熱裝置分為上、中、下三部分，上部分通入冷水，用來取熱，中間部分用來儲存熱量，布置有相變儲熱材料和換熱元件，下部通入熱水，為提供儲熱的熱源。整個裝置的平面結(jié)構(gòu)如圖8所示。結(jié)果表明，新型平板熱管換熱器能夠很好地解決冬季盤管的防凍問題，同時在同等體積材料量的條件下，具有更大的接觸面積。在換熱過程中，換熱器均溫性能好，具有較強的換熱能力[17]。

圖8 板式相變儲熱換熱器

圖9 新型平板式相變儲熱裝置

2.2 管殼式相變儲熱換熱器

胡軍等[18]對用在太陽能低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的管殼式螺旋盤管相變儲熱換熱器進行了實驗研究。相變材料是相變溫度為54～56 ℃的石蠟。相變儲熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 管殼式相變儲熱裝置

該研究首先對裝置內(nèi)傳熱流體的連續(xù)性方程、運動方程以及能量方程作了理論分析，提出了數(shù)、數(shù)、數(shù)等無量綱參數(shù)。結(jié)論是對于確定了結(jié)構(gòu)的相變儲熱單元，其儲熱性能將主要受傳熱介質(zhì)的入口流速、水溫及儲熱時間所影響。實驗結(jié)果顯示，當液態(tài)石蠟達到一定厚度時，熱傳遞將轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀粚α鲹Q熱過程。在換熱過程中，相變界面的軸向推進速度與盤管的布置密度有關(guān)，盤管螺距越小，軸向推進速度越快。當數(shù)不變時，隨著數(shù)的增大，儲熱時間縮短。該結(jié)構(gòu)可以較好地滿足太陽能的儲熱需求。

2.3 其他相變儲熱換熱器

2.3.1 熱管式換熱器

上海海事大學章學來等[19]設(shè)計了一種熱管式相變儲熱換熱器，見圖11。將相變材料運用其中，以鍋爐排放煙氣作為熱源，采用熱管作為加熱元件，在煙氣進口段添加環(huán)形翹片，加熱冷水。整個裝置具有儲熱、放熱功能，且還具備同時取放熱功能，在此功能下，熱源的熱量可以瞬時、有效的傳遞給進行取熱介質(zhì)。而被相變材料所吸收的熱量僅占很少的部分。通過計算，約70%熱量可被傳遞給取熱介質(zhì)。

2.3.2 填充球狀換熱器

崔海亭等[8]設(shè)計并搭建了以太陽能為熱源的圓柱形儲熱器實驗臺，將封裝了相變材料的儲熱球體放置在儲熱器中，儲熱器為一圓柱形儲罐，罐高 1.6 m，直徑為0.6 m，儲熱器中堆積了200個直徑為100 mm相變材料的不銹鋼小球，共9層。石蠟作為相變材料，每層在不同的周向和軸向位置都焊接了多個熱電偶以便對儲熱器內(nèi)相變材料溫度場的變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，隨著傳熱介質(zhì)的進口溫度的提高，完成儲熱所需的時間不斷減少，儲熱效率得到提高，流速的增加對儲熱的影響不大。

圖12 儲熱器試驗臺架

圖13 相變儲熱球換熱器

2.4 相變儲熱換熱器對比分析

由于傳統(tǒng)板式、管殼式以及一些其他形態(tài)換熱器一般應(yīng)用場景，大都為一次側(cè)和二次側(cè)為流動流體，通過兩側(cè)流體的逆向流動達到換熱目的。而相比傳統(tǒng)換熱應(yīng)用場景，換熱器在相變儲熱裝置中的應(yīng)用，為相變材料在換熱器一側(cè)固定不動，且呈逐漸熔化或凝固態(tài)勢。另一側(cè)換熱介質(zhì)（水或油等）為流動狀態(tài)，同時加之換熱器長期浸沒在具有一定腐蝕性的相變材料中，便對換熱器從制造材料到換熱形式提出了更加嚴苛的要求。通過以上幾種典型相變儲熱換熱器的研究現(xiàn)狀，我們總結(jié)了典型換熱形式應(yīng)用在相變儲熱體系中的優(yōu)缺點及相應(yīng)要求，如表2所示。

表2 不同相變換熱器的對比分析表

2.4.1 管殼式與板式相變換熱器數(shù)值計算分析比較

鑒于市面上較為成熟的相變儲熱換熱器形式僅為管殼式和板式，二者中尤以管殼式較多。因此，通過數(shù)值模擬，在相同邊界條件及儲熱材料下對板式及管殼式相變換熱器的性能進行定量比較，分析各自在相變儲熱過程中的換熱效率，分析情況如表3所示。

表3 邊界條件及相變儲熱材料物性

表4 分析比較結(jié)果

二維管殼式相變換熱器傳熱物理模型如圖14所示，為了簡化計算，物理模型主要由4根圓管橫截面的外部邊緣、相變材料和四周的對稱面組成。結(jié)構(gòu)參數(shù)：橫截面四周的對稱面尺寸為140 mm×160 mm，換熱管道外徑19 mm，橫向管間距60 mm，縱向管間距80 mm。通過二維計算可以得到壁面周圍相變材料的溫度變化情況、熔化情況和熔化時間。橫截面內(nèi)相變材料采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)48528個。由溫度云圖可以看出，4根管的中心點在353 min時，即接近6 h的時候就可以全部 熔化。

圖14 二維管殼式換熱器模型網(wǎng)格劃分

圖15 二維管殼式換熱器熔化情況（5 min）

圖16 二維管殼式換熱器熔化情況（175 min）

二維板式相變換熱器傳熱物理模型如圖17所示。由于二維板式換熱器在垂直于流動方向具有周期性，本文作者截取兩塊相變材料區(qū)與對應(yīng)的換熱流體區(qū)作為計算域，左右兩側(cè)采用對稱邊界，換熱流體為水，入口速度=0.01 m/s，入口溫度=105 ℃。二維板式換熱器截面內(nèi)相變材料采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)30000個，幾何尺寸為寬0.16 m，長1.8 m。由溫度云圖圖18和圖19可以看出，對稱的兩側(cè)相變材料在510 min時，即8.5 h的時候可以全部熔化。

計算得到的二維管殼式和板式換熱器的液化率曲線對比結(jié)果如圖20所示。從圖中可以看出，在相同的換熱面積下，二維管殼式相變換熱器的換熱效率要比二維板式換熱器高。這主要是在相同換熱面積條件下，對于相變材料熔化最遠端中心點（決定熔化時間）來說，管殼式換熱器相當于四周4根換熱管同時對其進行加熱，而板式換熱器僅為兩側(cè)換熱流體流道對其進行加熱，因此管殼式換熱器換熱時間顯著快于板式換熱器。但是，考慮到相較于管殼式換熱器，板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，加工工藝簡單，且拆卸方便，為后期維護提供了很大便利。同時，板式換熱器在同等體積相變材料情況下，如果不考慮相變儲熱單元整體體積增加，可以通過增加換熱板數(shù)量（理論上可無限增加），大幅提高換熱面積，從而提高換熱效率，比管殼式換熱器更具發(fā)展空間。

圖17 板式換熱器模型二維網(wǎng)格劃分

圖18 二維板式換熱器熔化情況（4 min）

圖19 二維板式換熱器熔化情況（300 min）

圖20 板式換熱器與管殼式換熱器液化率對比圖

3 結(jié) 論

（1）隨著近幾年來供暖行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，“煤改電”供暖已成為主流。相變儲熱技術(shù)也隨之快速發(fā)展，但受制于傳統(tǒng)換熱器形式，目前應(yīng)用于相變儲熱供熱產(chǎn)品中的換熱器形式為板式和管殼式，且由于技術(shù)成熟、成本低、加工要求低、整體結(jié)構(gòu)較為簡單，可做模塊化處理，易于安裝與施工，同等體積下能裝入更多相變儲熱材料，尤以管殼式為主。

（2）由于相變儲熱模塊要求相變儲熱材料與換熱器在一定空間內(nèi)完成熱量的吸收和釋放，因此，一方面要盡量多的填充相變儲熱材料以提高整個模塊產(chǎn)品的儲熱量，另一方面要在保證相變材料填充體積情況下，盡量增加換熱面積。為此，國內(nèi)外相關(guān)學者通過加翅片、凹凸螺紋及適當調(diào)整管間距等方式來對傳統(tǒng)換熱進行強化傳熱處理，從而提高換熱效率。

（3）由于相變換熱器較傳統(tǒng)換熱器在使用環(huán)境中有較大差異，尚存在相變材料與換熱器接觸所帶來的材料腐蝕，相變材料熔化及凝固過程中的傳熱、應(yīng)力計算，以及非穩(wěn)態(tài)充放熱過程中的邏輯控制等復雜問題需要進一步解決，這些也是未來相變換熱器亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

（4）通過數(shù)值分析手段，比較了相同換熱面積及邊界條件下，管殼式和板式相變換熱的二維相變材料熔化模型，管殼式換熱器需6 h完全熔化，板式換熱器需8.5 h完全熔化，主要原因在于二者在換熱管/板在排布上差異導致。但考慮到相較于管殼式換熱器，板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、加工工藝簡單、拆卸方便、為后期維護提供了很大便利。同時，板式換熱器在同等體積相變材料情況下，可以通過增加換熱板數(shù)量（理論上可無限增加），這也是板式換熱器優(yōu)勢所在，大幅提高換熱面積，從而提高換熱效率，比管殼式換熱器更具發(fā)展空間。同時，結(jié)合更加輕質(zhì)化、低成本、滿足導熱需求的換熱材料，比如增強型聚乙烯等材料，是換熱器優(yōu)化改進的一個重要方向。

[1] 何志興. 中低溫工業(yè)煙氣余熱回收的相變儲能換熱器研究[D]. 長沙: 中南林業(yè)科技大學, 2017.

HE Zhixing. A phase change energy storage heat exchanger for recycling the heat of middle or low temperature industrial flue gas[D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2017.

[2] 王彩霞, 胡之劍. 中低溫相變儲熱技術(shù)在供暖領(lǐng)域的研究應(yīng)用[J]. 中外能源, 2018, 23(2): 82-87.

WANG Caixia, HU Zhijian. Research on the application of low-to-medium temperature phase change thermal energy storage technology in heating field[J]. Sino-global Energy, 2018, 23(2): 82-87.

[3] 王藝斐. 串聯(lián)式多相變儲熱實驗與數(shù)值模擬研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2016.

WANG Yifei. Experimental and numerical study on cascaded latent heat storage[D]. Beijing: The University of Chinese Academy of Sciences, 2016.

[4] 王培倫. 相變儲熱換熱器設(shè)計及強化換熱機理研究[D]. 北京:中國地質(zhì)大學(北京), 2015.

WANG Peilun. The structure design and heat transfer enhancement mechanism of heat storage exchanger containing phase change material(PCM)[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2015.

[5] 黃邦. 相變儲能換熱器的傳熱特性及其應(yīng)用研究[D]. 長沙: 中南林業(yè)科技大學, 2015. 

HUANG Bang. Phase change heat transfer characteristics of heat exchanger and its application research[D]. Changsha: Central South University of Forestry and Technology, 2015.

[6] 韓廣順, 丁紅勝, 黃云. 套管式相變儲熱單元儲熱換熱性能的研究[J]. 熱能動力工程, 2016, 31(2): 14-20.

HAN Guangshun, DING Hongsheng, HUANG Yun. Numerical simulation of charging process for double pipe latent heat storage unit[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2016, 31(2): 14-20.

[7] 葉宏, 趙曉, 程丹鵬, 等. 管殼式相變換熱器貯熱換熱效果的數(shù)值研究[J]. 太陽能學報, 2008, 29(12): 1499-1503.

YE Hong, ZHAO Xiao, CHENG Danpeng, et al. Numerical investigation on heat storage and heat exchange of the shell-and-tube phase change heat exchanger[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008, 29(12): 1499-1503.

[8] 崔海亭, 王振輝, 郭彥書, 等. 圓柱形相變蓄熱器蓄/放熱性能實驗研究[J]. 太陽能學報, 2009, 30(10): 1188-1192.

CUI Haiting, WANG Zhenhui, GUO Yanshu, et al. Experimental study on heat performance of new phase change thermal energy storage unit[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(10): 1188-1192.

[9] 馬貴陽, 鄭平, 龔智立. 相變蓄熱裝置的研制及放熱性能測試[J]. 遼寧石油化工大學學報, 2005, 25(4): 55-61.

MA Guiyang, ZHENG Ping, GONG Zhili. Manufacturing of phase change heat accumulator and exothermic heat capability test[J]. Journal of Liaoning University of Petroleum & Chemical Technology, 2005, 25(4): 55-61.

[10] 徐峰, 孫勇, 師涌江, 等. 螺旋盤管相變蓄熱裝置蓄熱特性研究[J]. 河北建筑工程學院學報, 2013, 31(1): 56-62.

XU Feng, SUN Yong, SHI Yongjiang, et al. The heat accumulating characteristics of the phase change thermal energy storage with helical coil[J]. Journal of Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering, 2013, 31(1): 56-62.

[11] 吳斌, 邢玉明. 適用于廢熱回收的相變蓄熱裝置數(shù)值模擬與實驗研究[J]. 熱能動力工程, 2011, 26(1): 53-57.

WU Bin, XING Yuming. Numerical simulation and experimental study of a phase change heat accumulation device applicable for waste heat recovery[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2011, 26(1): 53-57.

[12] GHAREBAGHI M, SEZAI I. Enhancement of heat transfer in latent heat storage modules with internal fins[J]. Numerical Heat Transfer, 2008, 53(7): 749-765.

[13] VYSHAK N R, JILANI G. Numerical analysis of latent thermal energy storage system[J]. Energy Conversion & Management, 2007, 48(7): 2161-2168.

[14] ZHANG Y, FAGHRI A. Heat transfer enhancement in latent heat thermal energy storage system by using the internally finned tube[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1996, 39(15): 3165-3173.

[15] MEHLING H, CABEZA L F. Heat and cold with PCM: An up to data introduction into basics and applications(Google eBook) [J]. Clinical Anatomy, 2008, 20(7): 843-848.

[16] 李嘉琪, 刁彥華, 趙耀華. 新型平板熱管蓄熱裝置固-液相變過程數(shù)值模擬[J]. 建筑科學, 2011, 27(10): 88-92.

LI Jiaqi, DIAO Yanhua, ZHAO Yaohua. Numerical simulation on Solid-liquid phase change process of thermal storage equipment with novel flat heat pipe[J]. Building Science, 2011, 27(10): 88-92.

[17] 李嘉琪, 刁彥華, 趙耀華等. 新型平板熱管相變換熱器儲放能過程的研究[J]. 工程熱物理學報, 2012, 33(11): 1932-1935.

LI Jiaqi, DIAO Yanhua, ZHAO Yaohua. Experimental study on heat transfer characteristics of the melting and solidification process for a new type of flat pipe/PCM thermal storage system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2012, 33(11): 1932-1935.

[18] 胡軍, 董華, 周恩澤. 螺旋盤管式相變儲熱單元儲熱性能[J]. 太陽能學報, 2006, 27(4): 399-403.

HU Jun, DONG Hua, ZHOU Enze. Experimental study on heat charging performance of phase change thermal energy storage unit with helical coil[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27(4): 399-403.

[19] 章學來, 于美, 于樹軒, 等. 一種新型相變材料及其熱管式換熱器的研究[J]. 制冷技術(shù), 2010 (4): 14-17.

ZHANG Xuelai, YU Mei, YU Shuxuan. Research on a new phase change material and related heat pipe exchanger[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2010 (4): 14-17.

A comparative analysis of different heat exchangers containing phase change materials

1,2,2,2,3,3,2,2

(1Department of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;2Department of Solar Energy Technology Research, State Power Investment Corporation Central Research Institute, Beijing 102206, China;3Department of Engineering Mechanics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

This workis motivated by the following two aspects. First, replacement of coal firing to electrical heating has become an effective means to achieve clean heating in the north part of China to combat increasingly serious environmental problems. Second, China's annual use of waste heat, especially in the medium and low temperature ranges, is still inadequate. For both the aspects, the phase change material-based heat storage technology has a great role to play. This article aims to compare heat exchangers consisting of phase change materials. First, a qualitative comparison was made between plate, shell-and-tube, heat pipe and other specially designed heat exchangers (heat storage bricks/balls). Numerical simulations were then carried out using a two-dimensional phase change material melting model for shell-and-tube and plate heat exchangers with the same heat exchange area and boundary conditions. The results showed that the shell-and-tube heat exchanger took about 6 hours to completely melt, and 8.5 hours were needed for the plate heat exchanger mainly due to the difference in the arrangement of the heat exchange tubes/plates. However, the plate heat exchanger is still regarded to have a great potential due to more compact structure, simpler manufacture process and easier to assemble/disassemble, and easier modularization for scale-up.

phase change heat storage; heat exchanger; contrastive analysis

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0215

TK 11+4

A

2095-4239（2019）02-347-10

2018-10-30；

2018-12-05。

李洋（1986—），男，博士研究生，工程師，從事相變儲熱產(chǎn)品開發(fā)與熱工水力計算工作，E-mail：liyang@spic.com.cn。