一种PCM换热器流道选型优化方法及装置

本发明属于空气换热器，具体涉及一种pcm换热器流道选型优化方法及装置。

背景技术：

1、相变材料(pcm-phase change material)是指温度不变的情况下，改变物质状态时能提供潜热的材料，这实际是利用了pcm材料在相变点附近存在巨大焓变的特性，该特性决定了其能在较小的温度范围内吸收存储或释放大量的热能。基于pcm的相变储能技术是近年来的研究热点问题，具有广泛的工程应用背景，比如太阳能的存储及余热回收利用、电力能源的削峰填谷等。例如大楼的通风系统中，pcm作为换热介质，通过pcm换热器，被用于冷却或加热空气，作为温度调控装置，替代或部分替代空调的作用，从而达到节能的目的。应用过程涉及相变材料的凝固(充能)与融化(放能)过程，pcm材料在夜晚温度较低时凝固放热，而在温度较高的白天融化吸热，对楼宇空间进行冷却。通过对流换热，该凝固-融化的循环过程降低了楼宇内部的温度变化，间接降低了大楼的制冷/制热能耗。

2、流道设计选型是pcm换热器应用的关键技术之一。许多研究表明，合适的pcm换热器流道设计能够显著提高换热效率，减少相变时间，使制热/制冷过程更加稳定高效，降低对材料或外源热泵系统的依赖。

3、当前对pcm板式换热器的研究不少，但实际应用很少，研究往往关注微流道内部简化单元的流动换热及相变材料的蓄放热特性，缺乏对流道整体设计选型的研究，而流道的设计、选型决定了换热器的性能与能耗，对商业化应用至关重要。

4、目前，没有相关的商业软件或者开源代码能够进行该项工作，事实上，选型工具也是行业内的核心技术。尤其在相变材料能源存储领域，已知公开文献或专利中，涉及pcm换热器设计选型的几乎没有。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种pcm换热器流道选型优化方法及装置，以解决当前设计选型优化方法设计的pcm换热器，其相变材料的利用效率较低、能量转化效率较低的问题。

2、本发明采用以下技术方案：一种pcm换热器流道选型优化方法，按照以下步骤实施：

3、s1、根据预设的板式换热器外形尺寸、进出口空气温度以及pcm相变材料的相变点温度得到pcm换热器整体的对数平均温度差，基于所述对数平均温度差建立能量方程；

4、s2、在初猜的空气流道间距条件下，使用数值迭代方法求解所述能量方程，利用差值矩阵得到最符合条件的流道设计参数，所述流道设计参数包括pcm换热板2的数量、空气间距a所对应的pcm换热板2的厚度p；

5、s3、根据所述流道设计参数得到热性能因子，对不同的空气流道间距重复以上步骤s2，得到多组空气间距和对应的pcm换热板2的厚度的组合，对应得到多个热性能因子，进而得到热性能因子矩阵；根据所述热性能因子矩阵，再结合对空气间距和对应的pcm换热板2的厚度的范围限定，即得到最优的流道设计参数。

6、进一步的，步骤s1中的对数平均温度差由下述公式求得：

7、

8、其中，δtap是对数平均温度差，tair，i,tair，o是进出口空气温度，pct是相变材料的相变点温度；

9、基于所述对数平均温度差建立的能量方程，表达式如下：

10、

11、其中，q为换热功率，是入口空气质量流率、cpair是换热器内部空气的平均比热容、tair，o是入口空气温度、tair，i是出口空气温度，u是整体换热系数，a是总换热面积。

12、进一步的，步骤s2中，迭代求解基于对数平均温度差建立的能量方程，所得到的差值矩阵中res[j]表达式如下：

13、

14、其中，j代表第j步迭代，q(n)是pcm板数量为n时的换热功率。

15、进一步的，步骤s3中，所述热性能因子矩阵中η[i]的计算公式如下：

16、

17、其中，i代表第i组流道设计参数，nur、fr、ar分别是参考工况下换热器的努塞尔数、摩擦因子及换热面积。

18、本发明采用的第二种技术方案是，一种pcm换热器流道选型优化装置，包括：

19、设计点输入模块410，用于程序获取空气进出口温度、流量、压力、相变材料的工作温度、换热器整体尺寸约束条件；

20、物理性质查询模块420，用于程序获取所述温度、压力条件下的空气物理性质；

21、流动换热计算模块430，用于根据模块410和420的工况数据以及物理性质数据，进行流道的能量方程构建与求解，获得相应工况下的换热器设计参数；

22、流道优化模块440，用于将流动换热计算模块430设计完成的换热器设计参数对应的热性能因子，建立热性能因子矩阵，对换热器几何参数进行优化，获得优化后的设计参数；

23、结果输出模块450，用于将所述优化后设计参数及其对应的运行工况、计算过程产生的中间数据输出给设计人员。

24、本发明采用的第三种技术方案是，一种pcm换热器流道选型优化装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种pcm换热器流道选型优化方法。

25、本发明采用的第四种技术方案是，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种pcm换热器流道选型优化方法。

26、本发明的有益效果是：本发明基于对数平均温度差方法建立了pcm换热器流道选型优化分析模型；通过数值迭代求解，得到差值矩阵，进而求得换热器装置内部流道的设计参数。进一步计算出每个工况的热性能因子矩阵，利用热性能因子矩阵进行选型、优化工作，大大节省了计算时间，节约了设计成本。本发明提出的技术方案能够帮助工程技术人员快速得到换热器内部流道的几何尺寸及其他相关的换热器整体性能参数，优化过程计算量小，效率高，使用便捷。该方法丰富了板式换热器的设计方法，弥补了当前相变材料换热器设计选型优化方法的不足，有效提高了相变材料的利用效率、能量转化效率。

技术特征：

1.一种pcm换热器流道选型优化方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

2.如权利要求1所述的一种pcm换热器流道选型优化方法，其特征在于，所述步骤s1中的对数平均温度差由下述公式求得：

3.如权利要求2所述的一种pcm换热器流道选型优化方法，其特征在于，所述步骤s2中，迭代求解基于对数平均温度差建立的能量方程，所得到的差值矩阵中res[j]表达式如下：

4.如权利要求3所述的一种pcm换热器流道选型优化方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述热性能因子矩阵中η[i]的计算公式如下：

5.一种pcm换热器流道选型优化装置，其特征在于，包括：

6.一种pcm换热器流道选型优化装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的一种pcm换热器流道选型优化方法。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一种pcm换热器流道选型优化方法。

技术总结
本发明公开了一种PCM换热器流道选型优化方法及装置，按照以下步骤实施：S1、根据预设的板式换热器外形尺寸、进出口空气温度以及PCM相变材料的相变点温度得到PCM换热器整体的对数平均温度差，基于对数平均温度差建立能量方程；S2、使用数值迭代方法求解能量方程，利用差值矩阵得到最符合条件的流道设计参数；S3、根据流道设计参数得到热性能因子，对不同的空气流道间距重复以上步骤S2，得到多组空气间距和对应的PCM换热板的厚度的组合，根据热性能因子矩阵，再结合对空气间距和对应的PCM换热板的厚度的范围限定，即得到最优的流道设计参数。其解决了当前设计选型优化方法设计的PCM换热器，其相变材料的利用效率较低、能量转化效率较低的问题。

技术研发人员：孙星,徐震,景婷婷,秦飞,何国强
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13