一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法

本发明涉及相变传热领域，具体涉及一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法。

背景技术：

1、相变储能技术的原理为利用物质相态转变过程中的热量吸收或释放来进行储放热。该技术具有高储能密度和相变温度恒定等优点，但由于相变材料的低热导率，严重限制了该技术的使用和推广，因此需要使用相变蓄热器来提高相变过程的换热速率。而在当下的工业生产中，管壳式相变蓄热器和环形翅片的搭配又较为常见，因此，研究管壳式相变蓄热器中环形翅片的分布具有重要意义。

2、在目前已有的研究和技术中，由于较为简单的翅片结构，导致很少有关于环形翅片的分布研究。现有的一些研究中有将环形翅片的排列密度呈指数型增加来观察其充放热性能的变化，也有通过构建不同的案例来研究环形翅片组的长度变化对蓄热性能的影响，还有将环形翅片呈算数型排列以用于观察其相变过程中的传热性能变化。

3、但上述的这些研究都更注重于环形翅片分布中的单因素影响，如相邻翅片的间距变化，相邻翅片的长度变化等，在相变过程中考虑多种结构参数同时发生变化的研究鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法。

2、本发明提供了一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1、根据管壳式相变蓄热器的结构，确定所需环形翅片的总体积以及环形翅片均匀分布时的翅片长度、翅片厚度和翅片数量；步骤2、通过环形翅片均匀分布时的结构参数，定义和计算汉诺塔形翅片分布的结构参数；步骤3、利用多面响应法对汉诺塔形翅片分布进行结构优化设计，以寻找出蓄热性能最佳的参数组合。

3、在本发明提供的管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法中，还可以具有这样的特征：步骤1包括：根据管壳式相变蓄热器的结构确定环形翅片的总体积占比，选取管壳式相变蓄热器的外管内壁半径与内管外壁半径的差值的1/2作为翅片长度，选取合适的翅片厚度，基于环形翅片的总体积、翅片长度、以及翅片厚度，计算出翅片数量。

4、其中，环形翅片的总体积占比优选为1％～5％。

5、在本发明提供的管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法中，还可以具有这样的特征：步骤2包括：将设计好的环形翅片沿着管壳式相变蓄热器的内管进行均匀排列，排列过程中将最顶部间距和最底部间距均设置为中间部分翅片间距的1/2，并将该间距的值定义为初始间距；选取初始间距的1/2作为汉诺塔形翅片分布中最底部间距的最小值，选取初始间距的3/2作为最底部间距的最大值，并以此确定最底部间距的值域；将最底部间距作为等差数列的首项，相邻翅片间距的差值作为等差数列的公差，对该等差数列求和，并加上翅片厚度与翅片数量的乘积，构建以间距公差为自变量的长度函数，限制长度函数的因变量大于等于内管长度的1/2且小于等于内管长度，构建不等式并求解，得到间距公差的取值范围，并对小数点后的位数进行取舍；保持环形翅片的总体积恒定不变，将汉诺塔形翅片分布中最顶端翅片的长度定义为等比数列的首项，将相邻翅片的长度比定义为公比，基于环形翅片的总体积、最顶端翅片的长度、以及相邻翅片的长度比构建一个二元方程，并限制最底端翅片的长度小于等于管壳式相变蓄热器的外管内壁半径与内管外壁半径的差值，联立二元方程与不等式，求解出长度比的最大取值，并将长度比的最小值取为1。

6、在本发明提供的管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法中，还可以具有这样的特征：步骤3包括：根据最底部间距、间距公差、长度比这三个影响因素的值域，构建正交实验表，进行多次实验并记录结果；利用多面响应法以完全相变时间为响应目标，构建响应面方程，并进行方差分析用以确定拟合模型的显著性水平，再利用梯度下降法或牛顿法求解多元回归线性方程，获得响应目标具有最佳取值时的参数组合，并进行实验验证。

7、发明的作用与效果

8、根据本发明所涉及的管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法，其具有以下有益效果：

9、1、由于对最底部间距进行了合理的设计和优化，有利于平衡管壳式相变蓄热器中底部区域热传导和顶部区域热对流的传热收益，实现传热性能的最优化；

10、2、由于对翅片的间距公差进行了合理的设计和优化，有利于实现液态相变材料流动范围的最大化，进一步有益于相变后期底部区域的对流换热；

11、3、由于对翅片的长度比进行了合理的设计和优化，有利于增强相变后期底部区域的导热能力，消除该区域的传热滞后现象；

12、4、由于对不同区域内环形翅片的体积和布置进行了合理的设计和优化，在一定程度上起到了抑制自然对流、强化热传导的作用，使得新构建的汉诺塔形翅片分布相比于均匀的翅片分布，具有更好的蓄热速率和熔化均匀性。

技术特征：

1.一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：

技术总结
本发明提供一种管壳式相变蓄热器中汉诺塔形翅片分布的设计方法，包括：步骤1、根据管壳式相变蓄热器的结构，确定所需环形翅片的总体积以及环形翅片均匀分布时的翅片长度、翅片厚度和翅片数量；步骤2、通过环形翅片均匀分布时的结构参数，定义和计算汉诺塔形翅片分布的结构参数；步骤3、利用多面响应法对汉诺塔形翅片分布进行结构优化设计，以寻找出蓄热性能最佳的参数组合。本设计方法通过设计和优化不同区域内环形翅片的体积和布置，尤其是最底部间距、翅片的间距公差、以及翅片的长度，在一定程度上起到了抑制自然对流、强化热传导的作用，使得构建的汉诺塔形翅片分布相比于均匀的翅片分布，具有更好的蓄热速率和熔化均匀性。

技术研发人员：李彦,朱学良,朱群志
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14