黄邦
分类号：密级：
学校代号：10538学号：3201300161
硕士专业学位论文
相变储能换热器的传热特性
及其应用研究
作者姓名：黄邦
导师姓名：罗武生副教授
培养学院：机电工程学院
类别（领域）名称：机械工程
研究方向：机械制造及其自动化
提交日期：2015.6
Phase Change Heat Transfer Characteristics of Heat Exchanger And
Its Application Research
by
HUANG Bang
A thesis submitted in partial satisfaction of the
Requirements for the degree of
Master of Engineering
Supervisor
Associate Professor LUO Wusheng
Central South University of Forestry and Technology
498 Shaoshan South Road，Tianxin District
Changsha Hunan 410004，P.R.CHINA
June, 2015
中南林业科技大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日中南林业科技大学
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摘要
本文利用储能技术把富余的，不连续的能量储存起来，实现能量利用的时间和空间转移，通过实验和数值模拟的研究方法，考察了相变换热器的传热及储能特性，对换热器的蓄能过程及相变材料的相变规律进行了研究，提出了相变蓄能换热器蓄热量的经验公式。其主要研究内容和结论如下：
1、遴选几种适合本课题温度需求的储能材料，通过加热和步冷的实验方法，确定相变材料的相变温度、过冷度、传热均匀性，认为相变蜡较适合做为本课题研究的相变材料，该相变材料的相变温度为30℃，传热各向同性，热性能稳定，过冷度小于1℃。
2、根据数值模拟的研究方法，利用gambit软件建立了相变蓄热单元的传热模型，并利用fluent软件模拟出了相变单元的传热过程，计算得到了PCM（相变材料）熔化和凝固过程的相界面位置、温度分布与时间的关系曲线。结果显示，相变储热单元在液相率最大时传热效率和相变储能效率最高，此时PCM所发生的相变范围为最佳储热范围，该蓄热单元最佳储热范围的内径约为16.6mm，即PCM相变范围为2.3mm。
3、利用相变蜡作为储能材料制作出一种同心套管式相变储能换热器，对换热器在通过热空气时的相变传热及储能特性进行了实验研究。实验证明，储能换热器在本实验条件下的较适宜流量为0.00047m3/s，且受热源温度的影响较大，在55℃时的储热量最大，在忽略热量损失情况下的储能效率达22%左右，85min时最大储热量为25.821KJ，并拟合出该换热器的最大储热量与通入气体和相变蓄热介质的温差及气体流量之间的函数关系式f=808.6x+6.9y(x<40)。得出该换热器中相变材料的较佳填充范围为2mm~5mm，列管布置的间距为4 mm~10mm。
关键字：余热回收；相变材料；相变传热特性；数值模拟；换热器
ABSTRACT
This paper, saving up the spare and discrete energy by using energy storage technology,to realize the time and space transfer of energy utilization.By using the research methods of experiment and numerical simulation,investigated the characteris- tics of phase change heat exchanger about heat transfer and energy storage,studied the the energy storage process of heat exchanger and phase change law of PCM,raised the empirical formula of phase change energy storage heat transfer about the biggest heat storage.As follows is the main research contents and conclusions:
1.Select several kinds of energy storage materials for this topic temperature requirements,through the experiment method of heating and cooling,Determine the phase change temperature uniformity, super-cooling degree, heat transfer of PCM，thought the phase change wax is the most suitable PCM,the phase transition temperature is 30℃,isotropic heat transfer, thermal stability, super-cooling degree is less than 1 ℃.
2.According to the research method of the numerical simulation, using gambit established the heat transfer model of the phase change heat storage unit, and by using fluent software simulated the heat transfer process of phase change unit, calculated the curve about the relationship between the phase interface position,temperature distribution and time in melting and solidification process of PCM.Results show,that Phase change thermal storage unit has the highest heat transfer and phase change energy storage efficiency when the liquid rate of maximum,then Scope of phase transformation range is regarded as the best reservoir of PCM, the best reservoir range of inner diameter is about 16.6 mm of the heat storage unit,That is to say, PCM phase transformation range is 2.3 mm.
https://www.wendangku.net/doc/1b15843786.html,ing phase change wax as energy storage materials produced a kind of phase change heat exchanger, experimental studied phase change heat storag proper- ties and heat transfer process of PCM.The experiment proved that the most suitable flow rate is 0.00047 m3 / s of the energy storage heat exchanger, and is strongly influenced by the heat source temperature, with the biggest heat storage when the temperature is 55℃, under the condition of ignoring heat loss of energy storage efficiency up to 22%, maximum heat storage is 25.821 KJ 85 minutes later, and fitting out the access to the
biggest store heat and gas heat exchanger and the function relation between the temperature of phase change heat storage medium f=808.6x+6.9y.It is concluded that PCM has better filling in the range of 2 mm to 5 mm of the heat exchanger,Layout spacing is 4 mm to 10 mm of the tubulation.
Key Words：Waste heat recovery;Phase change material; Phase change heat transfer characteristics; Numerical simulation;Heat exchanger
目录
摘要...................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................ I I 第一章绪论 .. (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 国内外相变储能技术研究现状及进展 (2)
1.2.1 相变储能技术理论研究 (2)
1.2.2 相变储能技术应用研究 (5)
1.3 课题来源及论文的主要工作 (8)
第二章相变储能原理及相变传热问题的研究方法 (10)
2.1 引言 (10)
2.2 相变传热理论 (10)
2.2.1 相变储能的基本原理 (10)
2.2.2 相变潜热概述 (11)
2.2.3 相变储能系统的基本要求 (12)
2.3 相变材料概述 (12)
2.3.1 相变材料简介 (12)
2.3.2 PCM的成核与过冷现象 (14)
2.3.3 相变材料的选择 (14)
2.3.4 相变材料的储能特点 (15)
2.4 相变储能换热器 (15)
2.5 相变传热的数值求解方法及分析软件 (16)
2.5.1 求解方法简介 (16)
2.5.2 相变传热求解的数学模型 (16)
2.5.3 Fluent分析软件简介 (19)
2.6 论文的研究框架 (21)
2.7 本章小结 (21)
第三章相变蓄热材料 (22)
3.1 引言 (22)
3.2 相变蓄热材料的选择实验 (22)
3.2.1 实验原理与实验目的 (22)
3.2.2 实验装置 (23)
3.2.3 实验内容 (25)
3.2.4 实验过程 (25)
3.3 实验结果与分析 (26)
3.3.1 相变蓄热材料的选择 (26)
3.3.2 相变蜡的步冷实验与传热分析 (27)
3.3.3 相变蜡的熔解实验与传热分析 (30)
3.3.4 相变蜡的可逆性及热稳定性 (31)
3.4 本章小结 (33)
第四章相变储能换热器传热特性的数值模拟研究 (34)
4.1 引言 (34)
4.2 相变储能数值求解模型 (34)
4.2.1 相变传热物理模型 (34)
4.2.2 相变传热数学模型 (35)
4.2.3 边界条件和初始条件设置 (36)
4.2.4 数值求解方法及参数设置 (37)
4.3 相变储热数值模拟结果及分析 (39)
4.3.1吸热过程及传热特性分析 (39)
4.3.2 放热过程及传热特性分析 (45)
4.4 本章小结 (48)
第五章相变储能换热器传热及储能特性的实验研究 (49)
5.1 引言 (49)
5.2 实验系统 (49)
5.2.1 相变储能换热器 (49)
5.2.2 温度测量系统 (50)
5.2.3 通风设备 (50)
5.2.4 风量测量设备 (51)
5.3 实验方法及内容 (51)
5.3.1 实验台搭建及测点布置 (51)
5.3.2 实验过程 (52)
5.4 实验结果与分析 (53)
5.4.1 储能换热器的相变特性 (53)
5.4.2 储能过程及传热特性分析 (55)
5.4.3 相变储能特性分析及储能计算 (60)
5.5 本章小结 (70)
第六章结论与展望 (72)
6.1 研究总结 (72)
6.2 展望 (73)
参考文献 (74)
致谢 (79)
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
当今，能源的应用范围越来越大，使用量也越来越多，化石燃料在今后将不断走向枯竭，因此，我们必须向着能源多元化和能源存储的方向发展，重视怎样将不同形式的能量以可以使用的方式储存起来，并在能源供应不足时又以合理的形式释放出来满足能源需求，因此，储能技术对社会未来的发展、能源的可持续发展起着非常重要的作用[1][2]。目前对储放热技术研究得较为宽泛的主要体现在电能存储和热能存储方面，在电力“移峰填谷”、工业余热废热回收、太阳能高温储能以及工业与民用建筑和空调的节能等领域应用较为广泛。
能源是人类赖以生存的物质基础，是促进经济增长和整个世界发展不可或缺的要素。尽管中国是能源生产大国，但能源消耗情况不容乐观，据统计，我国建筑能耗占据了社会总能耗的40%左右，与欧美发达国家能耗的比例较为接近，其中采暖和空调能耗在整个建筑能耗中又占据半壁江山，达到30%-50%，且逐年不断增长[3][4]。随着中国经济的逐步发展以及工业化和城镇化进程的不断加快，中国能源消耗情况日益严峻，这给我国整个能源供给体系带来了很大的挑战，资源约束日益严重及能源利用效率低表现较为突出，目前我国余热废热浪费严重，对能源的利用效率平均不超过30%，其中大部分未得到利用的能量以余热的形式直接散失在周围环境中，这不仅浪费了大量的资源又引发了温室效应，带来了不少的环境问题[5]。因此，要实现可持续发展，中国除了把核电、风电等新能源和可再生能源开发放在更重要位置，同时也要发展储能技术，减少能源浪费，提高能源利用效率，达到节省能源和保护环境的目的[6-8]。
随着社会经济的不断发展，能源供应紧张状况不断加剧，能源矛盾日益突出，我国要走能源的可持续发展道路就必需节能减排，其中对余热及废热的回收则是实现节能减排的有效途径。目前我国对工业余热的利用与存储技术仍过于薄弱，大量的余热废热都是直接散失到空气中。有相关调查报告显示：在大部分工业生产过程中余热损失在燃料总消耗中所占比可高达67%，大部分的能量是直接浪费掉的，而能够借助储能设备储存起来的热量也可占总余热量的60%，目前我国大部分工业企业对余热的回收率也较低，不足40%，因此，我国工业余热回收空间和潜力巨大[9][10]。余热资源已成为化石能源及水力之后的第五大常规能源。因此，
加强对烟气余热废热的回收及再利用是实现能源可持续发展的一项重要任务。
我国烟气余热资源较为丰富，这为工业余热回收技术的发展创造了极好条件。由于当前大部分工业烟气余热资源多存在不稳定，连续性不足的缺陷，上述余热回收方式难以充分利用烟气余热，造成很大的余热资源浪费。因此，采用一种新的余热回收技术而又能克服上述余热利用过程中的一些难点，将对节能减排具有很重要的现实意义[11][12]。而相变蓄热技术能够满足上述技术要求，利用物质在发生状态变化时将吸收或放出大量的热量来进行能量的存储与释放，如图1.1所示为水的相变储能与普通储能，从图可见，水的相变潜热储能密度要比显热储能密度大得多。因此，相变储能技术是回收利用工业烟气余热的有效途径，可广泛应用于工业废热、余热回收、电力移峰填谷、太阳能热利用以及工业与民用建筑和空调节能等众多领域[13]。
图1.1 水的相变储能与普通储能
Fig1.1 Phase change energy storage and ordinary energy storage of the water 能够发生固-液、固-固、液-气、固-气和液-气中四种物态变化的任意一种变化的物质，均可称为相变材料（Phase change material，PCM）[14-16]。本课题需要选出一种传热均匀，具有恒定相变温度的低温相变蓄热材料，其蓄热温度在25—35℃之间，研制一种通风型的蓄热换热器，用于吸收并存储热量，然后建立相关模型利用数值模拟的方法研究该换热器的传热特性，分析模拟出该换热器中相变材料的温度、固液相分布随时间的变化规律，确定最佳的相变储能状态，对相变蓄热技术应用于实际工程具有重要学术参考价值。
1.2 国内外相变储能技术研究现状及进展
1.2.1 相变储能技术理论研究
相变储能技术是以相变储能材料为基础的高新技术，相变材料相变时潜热大，
比显热储能密度要大得多，在蓄放能的过程中，物质相变在等温或近似等温条件下发生，温度和热能基本恒定，可作为工业节能系统和高新技术产品开发的基础，用以满足人们对系统和产品的特殊性能及成本要求[17-19]。相变蓄热技术涉及到相变材料的物性变化，需要通过求解相变传热过程来确定。因此，有必要对相变材料的凝固与熔化过程进行研究，便于预测相变蓄热系统蓄放热性能以及对相变蓄热系统进行参数和结构设计。
对于相变材料的研究，从20 世纪70 年代起，国内外对传统的无机盐、无机水含盐、金属等相变材料进行了连续和系统的研究。日本在20世纪70年代早期就对水合硝酸盐、磷酸盐、氯化物、氯化钙等进行研究，德国的krichel 对相变材料的研究主要集中于相变材料物性图表的绘制；美国的petri等研究了Na2CO3—BaCO3/MgO复合无机材料，美国的Birchenall等把合金作为相变材料，绘制了相变材料处于不同状态的平衡图，对二元合金的熔化熵和熔化潜热进行了探讨并得出了较为有效的计算方法；美国的Schmidt等对含铝硅合金相变材料进行了深入研究，认为硅铝合金的液态比热容不随温度的改变而产生明显变化，但合金中硅的含量增加会使得合金的线膨胀系数下降，两者之间的变化规律不成线性关系；美国的Mobley教授对过共晶合金储热球进行了研究，指出可以把含30%~40%的过共晶铝硅合金中的部分硅提出来，用于制作硅外壳来包住含硅的铝合金储热球，进而省去相变材料的盛装容器，避免相变材料对容器的腐蚀和相容性问题的出现[20-23]。
西藏太阳能研究示范中心与华中师范大学合作成功将芒硝和硼砂等无机水合盐类材料与成核剂按适度比例混合研制出太阳能高储能密度相变材料；在1978 年，我国葛新石等对相变材料的理论和应用做了详细的研究工作；阮德水等对典型的无机水和盐Na2SO4·10H2O等的相图、储存、成核作用、过冷问题、热物性等进行了系统研究；我国学者对三水醋酸钠（NaCH3COO·3H2O）的过冷、成核、抗凝、长期性能衰减进行了大量研究，指出在三水醋酸钠中加入10%的NaBr·2H2O可以增强其储热性能，该相变材料即使经历反复热循环仍具有稳定的储热性能；广东工业大学张仁元等对无机水和盐硫酸铝铵的过冷机理进行了探讨，指出加入成核剂可以有效降低十二水硫酸铝胺的过冷度，改善其储热性能；学者张东等为了解决熔融态相变材料从容器内溢出的问题，通过在多孔粘土材料、多孔珍珠岩基体上填充脂肪酸类相变材料，成功解决了相变材料溢出封装容器的缺点[24-27]。
对于相变材料的系统性研究是20世纪70年代初开始的，第一次能源危机爆
发，相变蓄能材料的理论和应用研究得到了欧美国家的重视。美国M.Telkes和https://www.wendangku.net/doc/1b15843786.html,ne等人在相变材料的制备、相变储能装置设计、蓄放热特性等方面做了细致研究[28]。德国Krichel绘制了大量PCMs的物性图表，认为石蜡、水、盐和水合盐是100℃以下储能用相变材料的最佳相变材料。1991年德国利用Na2SO4/SiO2制成高温蓄热砖并建立太阳能中央接收塔的储热系统。1996 年，Mehmet Esen建立了多个圆柱体蓄热模型，利用相变求解理论中的焓法进行了瞬态数值计算，并将结果与实验相对比，指出了影响相变蓄热时间，蓄热效率的诸多因素[29]。2000年Neeper在石膏墙体中加入石蜡，利用传热和相变理论，对其热动态特性进行了测试和分析。2002年Giovanni对平板型中蓄能容器进行了数值模拟和实验研究，对比了相变材料的温度变化，结果显示可以用模拟指导实验。Kamal A. R.Ismail等研究了在自然对流条件下圆柱型蓄能装置的相变问题，建立了二维物理模型并进行了数值分析。2005年，Shatikian.V等利用Fluent软件对内加肋相变蓄热单元进行了数值模拟，分析了不同肋片尺寸对蓄热性能的影响[30]。印度理工大学 A. Felix Regin等人[31]深度研究了利用太阳能集热器做热源的圆柱形蓄热器相变熔化情况，通过模拟和实验证明了石蜡熔化过程取决于Stefan数、相变温度和容器直径。
从2003年到2010年，文献[32]-[35]对国内外新型相变材料的热物性及应用领域做了系统性总结，包括相变材料的相变原理、传热性能、相变传热理论、物理及化学特性、数值模拟、蓄能装置设计等。目前国外对相变储能技术的研究主要有两个方向，一是对相变材料的研究，包括相变材料的制备、新型复合相变材料的合成、相变材料的热物性，相变材料与容器的相容性以及是否有析出、过冷现象及其改善途径等。二是对相变传热机理与数值模拟的研究，主要包括相变储能系统的设计、相变传热及储能过程机理分析，储能系统传热强化方法等方面。
对于相变储能问题的求解，可以分为数学求解方法和物理求解方法。针对数学上求解相变传热问题存在的困难，采用的求解方法主要是数值法和分析法，其中分析法具体的求解方式还可以细分为精确分析法和近似分析法。当相变传热问题的初始条件和边界条件相对简单，而几何模型又计算区域无限大时采用精确分析法比较合适，比较常见的方法有诺依曼（Neumann）解及其派生解、圆柱坐标系无限大空间相变问题的精确解、球对称坐标系相变问题的精确解、多组分材料相变问题的精确解等[36]。近似分析法主要适应于有限空间及复杂形式边界条件的相变传热问题，如积分法、准稳态法、摄动法、嵌入法等。数值法求解相变传热问题主要采用有限差分法和有限单元法来计算，按照相变传热计算求解的着重点
不同，数值法也可分为温度法、焓法、显热容法等。温度法求解的侧重点是把温度作为因变量，其他参数因其而变化。焓法求解则是同时把相变材料的焓和温度变化作为追踪对象来表征固液界面的移动。显热容法的中心思想是把材料相变时产生的潜热当作显热来处理，简化计算过程的同时也避免固液界面的追踪。上述求解方法都属经典解法，但也有其局限性，对于相变传热移动边界问题比较新的求解方法是Level Set法和Phase-Field法[37][38]。Level Set法求解关键是通过为两相移动界面定义一个标准参考面以及以参考等值面为基准设定一个描述界面移动规律的单调函数。Phase-Field法的求解关键则是通过把相变区域看成是由无数节点组成的区域，并定义一个Phase-Field函数来描述每个节点及其对应时刻的相运动规律。随着相变传热求解理论研究的不断深入，相变传热问题的模拟求解结果也会与实际数据更加吻合。
相变传热问题的描述仅仅依靠数学方程的描述是不完善的，采用物理方程和数学方程相结合的方法来描述相变问题更具合理性。相变传热的物理问题是相界面位置随相变过程的进行发生变化时，如何求解两相界面的热传导方程。由于两相界面的移动呈非线性分布规律，常用叠加求解方法不能求出热传导方程精确解，因此，针对于此类非线性界面移动问题必须单独处理。对于存在移动界面的非线性问题主要有两种求解方法，一种是多区域法[39]，逐一对相变材料两相共存区域、凝固区域、熔化区域建立动量守恒方程和能量守恒方程，之后利用方程逐步确定糊状区域界面位置以及计算各个区域的温度分布；另一种是温度和焓法，采用能量守恒方程表征整个相变区域的温度和焓变化，当计算区域某个位置温度达到相变点时，把该位置当作相界面处理。在工程实际使用中大多时候需要求解的是有限区域相变传热问题，为了正确理解有限相变区域的整个传热过程，采用数值方法求解有限区域相变问题更加频繁。
1.2.2 相变储能技术应用研究
相变蓄热技术能够将多余的能量储存起来，待需要时再释放出来，用以解决能源供需时间不协调以及能源地域分布不平衡的矛盾，有效的促进了能源利用效率的提高，在建筑工业、纺织工业、电力能源、工业余热回收、蓄热供暖、太阳能综合利用等领域应用广泛。
我国很早开始利用太阳能，像太阳能干燥，并在一些关键技术方面的研究有了显著成果，黄志光等对Al-Si合金相变材料进行了深入研究，提出可以把铝硅合金以及锌硅合金制备成相变储能材料，并成功将锌硅合金应用于太阳能聚热灶；
河北省一些研究人员研制了一种相变蓄热加温器，该装置主要应用于温室大棚，其关键部件在于相变蓄热位置，主要采用十水硫酸钠作为储能材料，白天能够将农用栽培温室中多余的太阳能存储起来，夜间再将能量释放出来以保持温室温度[40][41]。试验表明：通过相变材料夜间放热，温室内冬季夜间最低温度可提高6℃左右，增温效果显著。
美国的Telkes对相变蓄热技术在太阳能利用领域的应用研究较为全面，根据试验需求调配了相变材料并对其蓄放热性能进行了详细分析，并不断地改进试验系统以及相变材料性能，在当地最早建立了一座相变蓄热太阳能房；Kedl和Stoval在相变储能方面的研究成果表现为在普通墙板中填充石蜡制成了可以调温的相变墙板，并被应用到太阳能利用领域；德国Gluck和Hahne等在传统蓄热砖中浸入Na2SO4/SiO2制成了高温相变蓄热砖，并将其应用于太阳能储热系统[42-44]，调研结果表明相变蓄热砖白天蓄热夜间放热特性，适合于不连续的太阳能吸收。
相变蓄热技术在纺织工业中的应用，由于人体皮肤对外界温度的变化比较敏感，而服装对维持人的正常体温有着重要作用，因此在纺织服装设计制造过程中可以利用相变材料的储放热性能来维持人体所需要的温度，研发新型调温纺织品，这些衣物可以给人体带来更加舒适的感觉。20世纪80年代初，美国开始研究调温纺织品，为避免外太空温度急剧变化对航天员和珍贵设备的影响和破坏，通过选择一种合适的相变材料制成微胶囊加入到纺织品中，成功研制了具有调节温度功能的航空服装[45]。
90 年代末，天津成功研制了智能调温纺织品，该纤维织物利用相变材料的蓄放热特性，在环境温度低时，自动调高衣物内部温度，在环境温度高时，自动降低衣物温度，使人体感温度处于较舒适的范围，该类智能调温产品目前主要应用于飞行员用衣物。调温服装的机理是当外界环境温度升高时，服装中相变材料熔化吸收热量，降低体表温度；当外界环境温度降低时，相变材料凝固放出热量，减少人体向外界放出热量进而保持人体温正常，给人体带来舒适的感觉[46]。
相变蓄热技术在建筑工业中的应用，美国利用相变材料研发了一种相变蓄热天花板，主要用于夜间室内供暖。该相变蓄热板是利用安装在窗户上的太阳反射镜将白天的太阳光反射至天花板，之后蓄热天花板储存能量在夜间释放热量用于室内供暖[47]，研究结果表明相变蓄热板对房间的温度调节效果很好，室内温度变化小，人体感觉非常舒适。
周剑敏和马芳梅等从相变储能材料的制备方法入手，分析了相变材料的制备
对材料的蓄放热性能的影响，并提出可以将复合相变储能材料用于建筑物屋顶和墙壁建设，试验结果表明：复合相变储能材料用于墙体建筑在夏季可以有效阻止室外的热量流入室内，降低室内温度，在冬季可以延缓室内热量流向室外，保持室内温度[48]；辽宁王海刚等将相变材料与保温砂土等建筑基体复合制成了相变储能建筑围护结构，并探讨了该结构蓄热特性及节能效果，研究结果表明：相变储能材料与保温板建筑材料制成的复合材料可以用于严寒地区建设节能建筑的外部保护墙面，节能效果明显[49]。
相变蓄热技术在工业余热回收中的应用，日本Yagi等利用Si含量不同的Al-Si合金相变材料进行工业余热回收应用；美国Beam等通过在熔融的LiH中添加5%Ni复合形成新的相变储能材料用于高温余热回收，研究结果表明在熔融LiH 中添加5%的Ni可以大大提高储能体系导热系数，有利于高温热量的储存；美国Ahmet Sari等对十二酸的相变蓄热特性进行了系统研究，并将其应用于低温余热回收；韩国Jong Chan Choi等对低温相变储能材料CaCl2·6H2O的相变传热性能进行了研究，认为该相变材料热物性适合相变蓄热，但需要在该相变材料里加入成核剂用于工业生产中的低温余热回收[50]。
我国将相变储能技术用于连续加热炉、热风炉和非连续加热炉的余热回收，通过应用相变蓄能元件取代工业窑炉蓄热室常用耐火格子砖，以达到提高工业窑炉工作效率，缩小整座工业窑炉体积以及减少总的建造费用等效果[51]。
相变蓄热技术在蓄热供暖中的应用[52]，美国Kaygusuz等通过利用高温相变蓄热材料和太阳能集热器给当地学校图书馆构建了一套太阳能相变蓄热热水系统供暖，这套系统在供暖季平均放热效率可以达到58%。Saman通过将空气集热器与相变蓄热装置组合设计了一套太阳能相变蓄热空气加热系统，该系统把空气作为传热介质，通过空气集热器加热室外空气，热空气流经相变蓄热装置时进行储能，实现系统的蓄热和放热功能。
广东工业大学张仁元教授研制了一种热电相变储能装置用于蓄热供暖，采用化学性质稳定、储热潜力大的相变材料作为蓄热媒介。它是通过把电能转变成热能，利用高蓄能相变材料发生相变将热量以潜热的形式储存起来，待需要时再把热能释放出来供用户使用的蓄放热装置。该套蓄热装置储能效率高，使用空气作传热介质时，热效率可达到85%，储热性能优良，可靠性高蓄热量衰减程度小，相变材料循环蓄放热使用时间长；清华大学张寅平等对相变和化学反应储热进行了研究，设计了一种相变蓄热电取暖器，利用电网低谷期的电使取暖器加热、蓄热，到电网高峰期时将积蓄的热量放出以维持室内温度[53]。
相变蓄热技术在电力能源领域的应用，如今空调是电能消耗大户，在用电高峰期给电网增加了巨大压力，为了较小电能消耗和降低电网压力，可以采用相变储能技术来研制相变储能空调，在用电低谷时蓄冷，在用电高峰时释冷，对电网起到“削峰填谷”平衡电网的作用。另外，还能利用相变蓄冷技术将外界自然环境的冷量存储起来，供室内高温或需要时使用，达到节省电能、保护环境的目的。
20 世纪80 年代中期，日本开始采用冰蓄热中央空调系统，通过固定在换热管内壁面或外壁面的冰壳蓄热，流动的水与固定的冰换热，制成低温冰水；法国在相变储能空调研究放面成果显著，其TSL相变储能小球制冷技术领先世界[54]。
我国电力部门建立了大型抽水蓄能电站，采用相变储能技术有效帮助把用电高峰时间向低谷时间转移了1000万～1200万kw电力负荷；积极开发和利用储能锅炉和储能式设备及电热电器产品，建立了各类中小型相变储能热电站，加快了传统工业和民用电气产品改造；河北省将相变蓄热电锅炉应用于中央空调，此系统将相变材料放入水中，通过电能供热可以将蓄热介质的热含量提高9%以上，相同供热面积蓄热罐体积减少8%。对于蓄冷空调技术，我国浙江某商城使用国产冰蓄冷技术，通过将水制成冰的形式，利用冰的相变潜热进行冷量储存，每年可为用户节省空调运行费用117.7万元，为国家电网转移高峰电力338万kwh，减少废气排放约1238万m3；中国科学院成功研制第一款具有自主知识产权的相变存储器（PCRAM）芯片，该芯片广泛应用于手机存储、射频识别等多种消费型电子产品中[55][56][57]。
综合国内外学者的研究成果，国内外对相变储能技术的研究主要体现在以下几个方面：
（1）对相变储能材料的研究，包括对单一相变材料的制备和复合相变材料的制备及对其物性参数的研究；
（2）对相变储能装置的设计研究，包括对相变储能装置的蓄放热特性研究；
（3）对相变储能的传热强化研究。
虽然国内外学者对相变储能的应用做了较为广泛的研究，但对相变储能装置最佳蓄能量确定及储能效率分析方面研究工作较少，其次关于相变储能装置中相变材料的填充范围的研究尚未见报道。
1.3 课题来源及论文的主要工作
本课题来源于2014年湖南省科技计划“大型微通道热管节能机组的研发及数据中心应用示范”，项目编号：2014XK4042。
本文的任务首先是遴选出一种合适的低温相变蓄热材料，要求该相变材料具有稳定的相变温度且相变温度在25℃-35℃之间、传热性能及热稳定性能较好，再利用选出的相变材料制作出一种同心套管式相变储能换热器。
然后，通过gambit软件建立相变换热体模型，利用Fluent软件对相变蓄热体单元进行模拟计算，对相变材料的熔化和凝固相变传热过程进行模拟，计算得到熔化和凝固过程的相界面位置、温度分布与时间的关系曲线，并分析相变传热的作用机理，得出换热器中相变材料的最佳相变范围。
最后，对相变换热器的相变传热过程进行实验研究，对相变材料的相变蓄热过程、机理进行分析，通过改变工质流量和进口温度以考察运行工况条件对换热器储能特性的影响规律。根据实验和数值模拟的方法来探索该相变储能换热器的最佳储能状态，确定该换热器中相变材料的最佳填充范围及换热盘管之间的理论间距值。
第二章相变储能原理及相变传热问题的研究方法
2.1 引言
热能是一种非常重要的能源，是目前使用最广泛的能源之一，为了能够利用暂时不用或多余的热能，可以采用一定的蓄能材料将余热储存起来，因此，对蓄能技术的研究是关键，而相变储能是一种非常有效的蓄能方法。然而，为了降低蓄能成本，达到最优的蓄能条件，相变换热器的结构设置也是一件非常重要的事情。为了了解相变储能换热器的储能原理，本章将着重从理论上介绍相变储能介质的储热物性、储能介质的选择原则及相变储能的实验研究和数值研究方法。
2.2 相变传热理论
2.2.1 相变储能的基本原理
相变涉及到物质的物态变化，物质在发生相变时需要和外界交换大量的热量，因此，相变过程伴随有大量的能量吸收和释放，将外界多余的热量或直接排放掉的热量存储起来，在需要时再将其释放出来加以利用，这就是相变储能的基本原理。相变储能技术可以将外界环境的温度维持在一个比较稳定的区间，有机相变材料蓄能过程的基本原理如图2.1所示。
图 2.1 相变蓄能基本原理
Fig2.1 The basic principle of phase change energy storage
在相变过程中相变蓄热介质一般是等温或近似等温的过程，相变材料因为相变而吸收或释放出的能量称为相变潜热。金属的相变潜热一般在450KJ/k左右，而某些无机盐的相变潜热则高达1000KJ/kg，如LiF。相变材料在融化时将吸收大量的相变热量，在凝固时能够吸收大量的相变冷量，这使得对相变储能技术的研
究变得非常有意义。
任何一种物质固相中的分子和液相中的分子之间有相对大得多的自由运动，它们之间有相对较高的能量。在固—液相变、液—气相变、固—气相变中，它们的相变潜热是依次递增的。
物质在发生固—液相变时，其熔化过程包括共熔和转熔相变和溶解[49]，相变材料在熔化过程中溶解温度范围的熔化热是可以利用的。物质的固—固相变，物质从某种晶态转移至另一种晶态，此过程所放出的相变潜热一般比较小，它的优点就是在整个相变过程体积变化很小，几乎无过冷现象。因此，这是很吸引人注意且可行的相变储能方式。对于固—液相变过程，此过程不仅能够吸收或释放较大的相变潜热，而且又不占有很大的体积，因此，固液相变是最易实现的相变储能方式。
通过上述内容可知，物质相变涉及到相变潜热的吸收与释放，可以通过盛装相变材料的元件将外界的热量以相变潜热的形式将能量储存起来，待需要时再把存储的能量通过一定的方式释放出来提供使用，这就是相变储能技术的利用方法。
2.2.2 相变潜热概述
相变潜热是指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量，此过程涉及到物质的熔化与凝固。
物质的熔化过程在热力学中可以通过自由能差来表示，见下式[58]
G H T S m ?=?-? (2-1)
式中：H ，S —分别代表物质的焓和熵； T m —PCM 的相变温度（K ）； G —吉布斯自由能； ΔG —吉布斯自由能差.
倘若该变化是平衡的，那么ΔG 则为零，即：
m H T S ?=? (2-2) 从式（2-2）中可知，如果相变材料的相变温度T m 为定值，则相变潜热（ΔH 为相变焓差）与熵的大小成正比例关系。相变焓差的单位为J/mol 或KJ/mol ，可以用量热法来测定其具体数值。
对于处于热动力学平衡时的纯物质，应具有如下的性质[58]：
TdS Dh Vdp =- (2-3)
式中：p ，V —分别代表的是热动力学平衡时的压力和体积.
如果PCM 是在熔化阶段，则压力为某一恒定值，那么，对纯相变材料而言，有：