[发明专利]一种相变储热的性能强化及经济性评价方法

摘要

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。

主权项

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，qc,0=Q0τm,0C0=mPCM,0(∫(cp,s)PCMdT+L+∫(cp,l)PCMdT)τm,0aPCMmPCM,0≈Lτm,0aPCM---(1)]]>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，qc=QτmC=madd∫(cp)adddT+mPCM(∫(cp,s)PCMdT+L+∫(cp,l)PCMdT)τm(aaddmadd+aPCMmPCM)≈mPCMLτm(aaddmadd+aPCMmPCM)---(2)]]>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为固态相变材料的定压比热容，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为液态相变材料的定压比热容，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’，qc′=qc/qc,0=mPCMτmτm,0(Nmadd+mPCM)---(3)]]>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。