矩形腔相变蓄热装置蓄热性能的数值模拟及优化.pdf

矩形腔相变蓄热装置是一种重要的蓄热技术，能够有效地提高

太阳能热利用的效率。本文以该装置为对象，通过数值模拟分

析其蓄热性能，并进行优化设计。

一、装置原理

矩形腔相变蓄热装置是一种利用相变材料（例如蜡）储存和释

放热能的技术。该装置由一个矩形腔体、放置在腔体内的相变

材料和三组加热管组成。当太阳能辐射照射到该装置的表面时，

加热管对相变材料进行加热，使其从固态转变为液态，并吸收

大量热能。当外界温度下降时，相变材料从液态转变为固态，

释放储存的热能，用于供暖或其他用途。

二、数值模拟

本文采用太阳能热利用软件TRNSYS对该装置进行数值模拟，

进行蓄热性能分析，并对装置进行优化设计。

1.模拟参数

本文设定了以下模拟参数：

装置高度（H）：2.5m；

装置宽度（L）：1.5m；

）：0.02m；

相变材料：蜡（熔点58℃，凝固点55℃）；

相变材料体积：0.01m^3；

加热管功率：1000W；

太阳辐射强度：800W/m^2；

环境温度：20℃。

2.模拟结果

模拟结果表明，在装置初期，相变材料经过短暂的加热就开始

融化，并迅速吸收大量的热能。随着加热时间的延长，相变材

料融化程度逐渐增加，并在达到熔点时发生相变。相变材料的

温度随时间的增加而增加，当相变完成后，温度基本保持不变。

当外界温度下降时，相变材料开始凝固，并释放储存的热能，

使温度保持在一个较高的水平。

通过对模拟结果的分析表明，该装置的蓄热性能较为优秀，可

以高效地收集和储存太阳能热能，同时可以将蓄热效率最大化。

三、优化设计

根据数值模拟结果，可以对矩形腔相变蓄热装置进行优化设计，

以进一步提高装置的性能。

1.

相变材料的性质和性能是决定矩形腔相变蓄热装置效率的关键

因素之一。本文通过对比试验不同相变材料的性能，发现蜡是

一种较为适合该装置的相变材料。但是，蜡的熔点较低，难以

应对极端气候带来的挑战。因此，对相变材料进行优化，寻求

更适合不同气候条件的相变材料，是进一步提高装置效率的关

键。

2.优化装置设计

本文通过改变装置的高度、宽度和厚度等参数，对装置的设计

进行了优化。结果表明，增加装置的高度和宽度有助于提高装

置的热容量和蓄热效率，在相同的加热时间内，能够储存更多

的热量。增加装置厚度可以延长相变材料的相变时间，并且增

加了热质量，进一步提高了装置的热容量。

3.优化加热管布置

矩形腔相变蓄热装置的加热管布置位置会直接影响其蓄热性能。

本文对加热管布置位置进行了优化，并将加热管布置在靠近相

变材料底部的位置。结果表明，改变加热管布置位置可以提高

相变材料的熔化速度，并在相同的加热时间内获得更高的热能

储存效率。

四、结论

收集和储存太阳能热能。通过数值模拟和优化设计，本文进一

步提高了装置的性能，同时也揭示了矩形腔相变蓄热装置的性

能与相变材料性质、装置设计、加热管布置等因素密切相关。

今后，应该在探索合适相变材料、进一步优化装置设计、改善

加热管布置等方面加大研发力度，不断提高装置的蓄热性能。

本文将列出和分析以下数据：

1.太阳辐射强度和环境温度数据

2.相变材料的性质和性能数据

3.加热管功率和布置数据

4.矩形腔相变蓄热装置的尺寸和设计参数数据

1.太阳辐射强度和环境温度数据

太阳辐射强度是指单位时间内单位面积上太阳辐射能量的密度。

在太阳明亮的日子里，太阳辐射强度可以达到1000到

1200W/m²。本文中设定的太阳辐射强度为800W/m²，为一般

情况下的辐射强度。

环境温度是指室外的环境温度。在本文中，设定的环境温度为

20℃，这是一般情况下室外温度的范围。

2.相变材料的性质和性能数据

性质和性能对装置的蓄热效率有着非常大的影响。

本文采用蜡作为相变材料。蜡的熔点大约在58℃左右，凝固

点在55℃左右。相变过程中，蜡的比热容在固态下为

1.30J/g·K，在液态下为2.38J/g·K，相变潜热为211J/g。相比

较其他相变材料，蜡具有较高的热容量和相变潜热，因此在矩

形腔相变蓄热装置中具有良好的应用前景。

3.加热管功率和布置数据

加热管对相变材料进行加热，是实现矩形腔相变蓄热装置蓄热

的重要途径。加热管功率和布置直接影响了相变材料的加热速

度和融化程度。

本文设定的加热管功率为1000W，与常见的电热器功率相当。

加热管布置在靠近相变材料底部的位置，具有更快的加热速度

和更高的融化程度，这也是一种常见的布置方式。

4.矩形腔相变蓄热装置的尺寸和设计参数数据