[发明专利]一种相变储热的性能强化及经济性评价方法

说明书

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 and optimization of melting performance for a latent heat thermal energy storage unit 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m_PCM，0，确定相变材料的单价a_PCM，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a_add，计算或称量所使用的相变材料的质量m_PCM、所使用的添加物的质量m_add，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q_c，0和储热性能强化后的单位成本储热速率q_c：

3-1)确定步骤1)所述的基准条件下的储热时间τ_m，0，将相变材料的质量m_PCM，0，相变材料的单价a_PCM，相变材料的相变潜热L，熔化时间τ_m，0代入式(1)，得到该基准条件下的单位成本储热速率q_c，0，