生活水箱內(nèi)相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進及熔化性能研究

俞準，王姜，嚴中俊，庹曉糠，李水生，張國強

摘? ?要：針對生活水箱內(nèi)封裝相變材料現(xiàn)有強化換熱方法（如添加翅片或膨脹石墨）會導致蓄能密度降低與石墨沉降等問題，提出在不添加外物的基礎(chǔ)上，對當前水箱中應(yīng)用最為廣泛的圓柱型封裝結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，通過減小其底面/頂面半徑比形成側(cè)壁面傾斜的倒圓錐型結(jié)構(gòu)，使得固態(tài)相變材料在重力作用下自然沉降時可充分與面積占比較大的側(cè)壁面發(fā)生接觸熔化，從而實現(xiàn)相變材料熔化性能的提高. 為探究倒圓錐型封裝相變材料熔化性能，建立相應(yīng)熔化傳熱模型，并通過可視化實驗進行驗證. 在該模型的基礎(chǔ)上，對倒圓錐型和圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化性能進行了對比和分析. 結(jié)果顯示在相同體積（1.74e-04 m3）和高度（0.055 m）下，倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化時間為2 520 s，與圓柱型結(jié)構(gòu)相比縮短了690 s，熔化性能提高了21.5%. 倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化過程中，除接觸熔化外液態(tài)相變材料的自然對流也對熔化性能有顯著影響，且側(cè)壁處形成的Rayleigh-Bernard環(huán)流會削弱相變材料接觸熔化性能. 此外，發(fā)現(xiàn)在自然對流與接觸熔化共同作用下，正圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化性能與倒圓錐型結(jié)構(gòu)相比更強，提高了16.7%. 在實際應(yīng)用中可將正圓錐與倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，在有效利用空間的基礎(chǔ)上實現(xiàn)蓄熱量和蓄熱效率的同時提高.

關(guān)鍵詞：生活水箱;相變材料;封裝結(jié)構(gòu);接觸熔化;自然對流

中圖分類號：TU83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Study on Improvement and Melting Performance of Phase Change

Material Encapsulated Structure in Domestic Hot Water Tank

YU Zhun1？覮，WANG Jiang1，YAN Zhongjun1，TUO Xiaokang1，LI Shuisheng2，ZHAGN Guoqiang1

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. China Construction Fifth Engineering Bureau Ltd，Changsha 410014，China）

Abstract：The existing enhancement methods for the heat transfer of phase change material （PCM） in domestic hot water tank， such as adding fins and the expanded graphite， can lead to the reduction in the energy storage density of the encapsulation. Additionally， the graphite may settle during the melting process of PCM. To address this issue， a feasible solution is to promote the PCM's melting performance through improving the structure of cylindrical containers， which have been widely applied in domestic hot water tank， thereby taking advantage of contact melting modes without adding additional materials. In particular， an inverted conical container， which has a relatively lower ratio of the top area to the bottom area when compared to the cylindrical containers， has been proposed to encapsulate the PCM with the goal of establishing the contact melting mode between solid PCM and heated side walls when the PCM drops. To evaluate its performance， a mathematical model was developed and validated by the results obtained from a visualization experiment. Based on this model， the melting performance of the PCM encapsulated in the inverted conical container was analyzed and compared with that encapsulated in cylindrical container. The results show that the total melting time of the PCM encapsulated in the inverted conical container is 2 520 s under the same volume （1.74e-04 m3） and height（0.05 m）. It is decreased by 690 s when compared with that encapsulated in the cylindrical container， which indicates the melting performance has improved 21.5%. Except for the contact melting， the natural convection of the liquid PCM also strongly affects the melting performance of the PCM. It is found that the Rayleigh-Bernard convection in the side region results in the decrease of melting performance of the PCM. In addition， an interesting finding is that higher melting performance （i.e.16.7%） is achieved for the PCM encapsulated in the conical container when compared with that encapsulated in the inverted conical container. In this view， the combined usage of conical enclosure and inverted conical enclosure can be appreciated to improve both the heat storage capacity and the melting performance in practical applications.

Key words：domestic hot water tank;phase change materials;encapsulated structure;contact melting;natural convection

太陽能生活熱水系統(tǒng)中蓄熱水箱與封裝相變材料的結(jié)合使用可有效減緩太陽能的間歇性、不穩(wěn)定性和供需不匹配等問題[1]. 由于相變材料（如石蠟和有機酸等）導熱性能相對較低，對其進行封裝后應(yīng)用在生活水箱中，充放能速率較慢，從而降低了相變蓄熱水箱的蓄放熱性能. 現(xiàn)有的相應(yīng)措施，如在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部添加翅片[2]或在相變材料里添加泡沫金屬[3]、膨脹石墨[4]等，盡管能提高相變材料熔化速率，但同時也會導致相變材料的體積減小，蓄能密度降低. 此外，添加泡沫金屬后形成的復合相變材料可能存在液態(tài)相變材料從泡沫孔隙中泄露的問題[5]，而石墨等在熔化過程中亦會發(fā)生沉降[6]，鑒于此，限制了上述方法的實際應(yīng)用和推廣.

現(xiàn)有生活水箱中相變材料封裝結(jié)構(gòu)主要包括圓柱型[7]、球型[8]和矩型[9]等，其中應(yīng)用最為廣泛的為圓柱型封裝結(jié)構(gòu)[7]. 近年來，部分學者對其內(nèi)部相變材料熔化過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)固態(tài)相變材料由于重力作用，向下運動時會對底部液態(tài)相變材料進行擠壓并形成薄液態(tài)層，該液態(tài)層以導熱為主要傳熱方式的熔化傳熱過程（即接觸熔化[10]），與側(cè)壁面液態(tài)相變材料以自然對流換熱為主要傳熱方式的熔化過程相比，具有更高的熔化傳熱速率[11-13]. 基于此，考慮到實際應(yīng)用中圓柱型封裝結(jié)構(gòu)側(cè)壁面面積占總傳熱面積的比例相對較大，能有效提高圓柱型封裝相變材料熔化性能的方法是通過優(yōu)化改進其結(jié)構(gòu)型式，使得相變材料在側(cè)壁面處發(fā)生接觸熔化. 值得強調(diào)的是，該方法可避免現(xiàn)有添加翅片或高導熱劑等措施所導致的封裝結(jié)構(gòu)蓄能密度降低或石墨沉降等問題，具有較大的實際應(yīng)用潛力. 基于上述分析，本文提出在不添加外物的基礎(chǔ)上，通過減小圓柱型封裝結(jié)構(gòu)底面/頂面半徑比形成側(cè)壁面傾斜的倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)，使得固態(tài)相變材料受重力作用，向下運動時可充分與側(cè)壁面緊密接觸并發(fā)生接觸熔化，從而實現(xiàn)相變材料熔化效率的提高.

為了深入探究倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料熔化性能，本文建立了相應(yīng)熔化傳熱模型并通過可視化實驗進行驗證. 在此基礎(chǔ)上，本文對倒圓錐型和圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化性能進行了對比，并基于瞬時速度場和溫度場深入分析了倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化過程特性. 此外，本文還對不同底面/頂面半徑比對封裝相變材料熔化性能的影響進行了探究，以進一步實現(xiàn)其在實際應(yīng)用中的優(yōu)化.

1? ?實驗裝置及步驟

圖1為本文所搭建的恒溫水箱內(nèi)倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料可視化實驗系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要由恒溫水箱、電加熱器、溫度控制箱、倒圓錐型封裝相變材料和數(shù)字照相機組成.實驗采用雙水箱結(jié)構(gòu)，分別控制水箱水溫為初始溫度與加熱溫度. 此外，為便于直接記錄封裝相變材料熔化過程，恒溫水箱前后面板均選用透明PC板，實驗時可直接將封裝結(jié)構(gòu)固定在恒溫水箱內(nèi)部，并用數(shù)字照相機進行拍照記錄.

圖2為本文開發(fā)的倒圓錐型封裝相變材料（高度為55 mm，內(nèi)徑為110 mm），其封裝結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用厚度為5 mm的透明PC管，以實現(xiàn)相變材料熔化過程的可視化;頂面采用2 mm厚的不銹鋼板. 實驗選用的相變材料為月桂酸，其物性參數(shù)見表1. 表1中同時給出了實驗所用不銹鋼與透明PC管的物性參數(shù)[14].

實驗步驟如下：

1）對實驗結(jié)構(gòu)進行氣密性測試，確保該結(jié)構(gòu)在60 ℃水溫下不會發(fā)生泄露;

2）向?qū)嶒灲Y(jié)構(gòu)內(nèi)部緩慢灌注液態(tài)相變材料，直至凝固后的固態(tài)相變材料充滿整個腔體;

3）將實驗結(jié)構(gòu)置于1#恒溫水箱中，水溫控制在30 ℃，靜置2 h，以保證相變材料的初始溫度均勻一致，且穩(wěn)定在30 ℃;

4）將實驗結(jié)構(gòu)置于2#恒溫水箱中，水溫控制在60 ℃;

5）用數(shù)字照相機記錄熔化過程中實驗結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料固液界面的變化，直至完全熔化.

2? ?模型建立與驗證

2.1? ?模型建立

為便于建立封裝相變材料熔化過程數(shù)值模型，本文做出以下假設(shè)[15]：

1）相變材料純凈且各向同性，相變材料在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變;

2）忽略水箱內(nèi)的溫度分層[16]，假設(shè)水箱內(nèi)各個高度位置的水溫均勻一致;

3）忽略熱水與相變材料換熱以及電加熱引起的溫度波動，假設(shè)相變過程中，水箱內(nèi)水溫保持恒定;

4）忽略封裝結(jié)構(gòu)與水的對流換熱，假設(shè)外表面溫度保持恒定且與水溫一致;

5）忽略封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面之間的橫向傳熱，假設(shè)其導熱只沿厚度方向傳遞;

6）相變過程中，忽略由于液態(tài)相變材料溫度變化引起的密度變化對其流體性質(zhì)的影響，即boussinesq假設(shè).

基于以上假設(shè)條件，考慮到倒圓錐封裝結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，同時為了提高模型的計算效率，將其簡化為二維軸對稱模型[13]. 在上述模型假設(shè)及簡化的基礎(chǔ)上，為了獲得相變材料熔化過程中的溫度場和速率場，相變材料傳熱與流體流動的控制方程如下[17-18]：

■ + ■·（ρV） = 0? ? ? ? （1）

ρ■ + ■（-k■T） + ρV·■H = 0? ? ? ? （2）

ρ■+ρ（V·■）V=-■P+μ■2V+Fa+Fb? ? （3）

其中，

ρ（T） = ρs + （ρl - ρs）B（T）? ? （4）

H = CpsTCpsTs + B（T）·LCpsTs + L + Cpl（T - Tl）? ? ? ?（5）

Fs = -ρ（1 - α（T - Tm））g? ? ? ? （6）

Fb = -A（T）·V? ? ? ? （7）

A（T） = ■·L? ? ? ? （8）

B（T） = 0（T - Ts）/（Tl - Ts）1? ? ? ?（9）

式中：ρ為相變材料的密度，kg/m3;V為流體速度，m/s;T為相變材料的溫度，℃;P為相變材料的表面壓力，Pa;Fa為考慮液態(tài)相變材料的密度隨溫度變化而引起變化產(chǎn)生的浮力，N/m3;Fb為考慮焓孔隙法中的源項[19]，N/m3;B（T）為相變區(qū)域中的液相體積分數(shù);其中C為糊狀區(qū)系數(shù)，為了確保固態(tài)區(qū)域相變材料速度為0，現(xiàn)有文獻中C一般取103～106[17];q為足夠小但不為0的數(shù)，在本文中C和q的值分別設(shè)定為1 000與0.001[19].

2.2? ?模型驗證

在上述假設(shè)與模型基礎(chǔ)上，本文采用Comsol Multiphysics5.3a軟件進行相應(yīng)模擬計算分析，并通過計算結(jié)果與可視化實驗結(jié)果的對比分析，驗證模型的準確性，對比結(jié)果分別如圖3和圖4所示.

圖3為熔化時間分別為1 910 s、2 800 s以及3 300 s時的可視化實驗與模型計算的固-液界面對比圖. 左側(cè)為可視化實驗結(jié)果，右側(cè)為模型計算結(jié)果. 由圖3可見，模型計算的固態(tài)相變材料形狀以及固液界面始終與實驗值吻合. 在此基礎(chǔ)上，圖4將模型與實驗的液相體積分數(shù)值進行了對比. 由圖4可見，實驗值與模擬值的吻合程度較好，且兩者之間的均方根誤差僅為0.018，表明該傳熱模型具有較高的準確性，可用于探究封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能.

3? ?結(jié)果與討論

3.1? ?兩種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分數(shù)變化

圖5為倒圓錐型與圓柱型兩種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相分數(shù)對比圖. 兩種封裝結(jié)構(gòu)簡圖及尺寸如圖6所示，兩種結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為壁厚2 mm的不銹鋼，內(nèi)部容積和高度分別為1.74e-04 m3和0.055 m，各個壁面加熱溫度設(shè)定為60 ℃.

由圖5可見，在熔化最初階段兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化速率（即液相體積分數(shù)隨時間變化曲線的斜率）相對較大且基本一致，這主要是因為該階段加熱壁面處熔化的液態(tài)相變材料層較薄，此時兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)主導的傳熱方式均為導熱;隨著熔化過程的進行，液態(tài)相變材料層厚度的增大會導致表面?zhèn)鳠釤嶙柙龃螅沟孟嘧儾牧系娜刍俾手饾u下降. 此外，從圖5中可以看出倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化速率更大，說明與圓柱型結(jié)構(gòu)底面所發(fā)生的接觸熔化相比，倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁處的接觸熔化性能更強，其封裝相變材料的熔化速率更快;在熔化后期，未熔化的固態(tài)相變材料體積已較小，且倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)固態(tài)相變材料聚集在底部錐角處，與側(cè)壁面的接觸面積較小，接觸熔化速率降低，此時兩種結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化速率又基本持平.

就相變材料完全熔化時間（即相變材料液相體積分數(shù)為1時的熔化時間）而言，倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料完全熔化時間為2 520 s，與圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料需要的3 210 s相比縮短了690 s，熔化性能提高了21.5%. 該結(jié)果表明，通過優(yōu)化圓柱型結(jié)構(gòu)來增強固態(tài)相變材料與加熱壁面的接觸熔化，可以有效提高封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能.

3.2? ?倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料熔化過程

為了進一步探究倒圓錐型結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化過程特性，本文基于所建數(shù)學模型對其在恒溫水箱中熔化過程的瞬時速度場和溫度場進行了分析. 圖7為相變材料被加熱到20 s、80 s、390 s、1 840 s、2 190 s與2 520 s時的速度場（左側(cè)）和溫度場（右側(cè)）分布云圖.

如圖7（a）所示，當相變材料加熱到20 s時，附著于加熱壁面的相變材料已完全熔化，并在壁面與固態(tài)相變材料之間形成厚度約為0.8 mm的液態(tài)相變材料層. 由于該液態(tài)層厚度較小，在密度差作用下受到的熱浮力不足以克服固體壁面的粘滯力，從而處于靜止狀態(tài)，此時的傳熱方式主要為導熱. 隨著加熱過程進行到80 s，壁面處液態(tài)相變材料層厚度逐漸增大，其受到的熱浮力逐漸大于壁面粘滯力，開始產(chǎn)生運動，此時側(cè)壁面和頂部液態(tài)相變材料的最大流速分別可達到1.75e-04 m/s與8.09e-05 m/s，如圖7（b）所示. 該現(xiàn)象標志著封裝相變材料的傳熱方式開始從導熱轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲹Q熱.

圖7（c）顯示當加熱時間達到390 s時，頂部液態(tài)相變材料的厚度達到了5.2 mm，顯著大于側(cè)壁面液態(tài)相變材料厚度（1.5 mm）. 這是因為固態(tài)相變材料在重力作用下，向下運動并對側(cè)壁處液態(tài)相變材料產(chǎn)生擠壓，促使其沿側(cè)壁面向上流動，從而呈現(xiàn)頂部液態(tài)相變材料層厚度較大，而側(cè)壁相對較小的現(xiàn)象. 值得強調(diào)的是，此時固態(tài)相變材料在重力作用下對側(cè)壁處液態(tài)相變材料層進行擠壓并發(fā)生接觸熔化，與圓柱型封裝結(jié)構(gòu)側(cè)壁處傳熱過程相比[14]，倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁面處的接觸熔化是提高相變材料熔化性能的一個重要因素.

圖7（ d）顯示，隨著熔化過程持續(xù)進行到1 840 s，側(cè)壁面處出現(xiàn)了明顯的Rayleigh-Bernard環(huán)流[20]. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是隨著固體相變材料與側(cè)壁面之間液態(tài)層厚度的增大（此時已達到4.5 mm），由加熱壁面?zhèn)鞯焦虘B(tài)相變材料表面的熱量已經(jīng)不足以將剛?cè)刍牡蜏叵嘧儾牧涎杆偌訜嶂粮邷兀⑾蛏狭鲃樱虼巳刍牡蜏匾簯B(tài)相變材料會沿著固-液界面向下流動，在流動過程中換熱升溫后再向上流動，從而形成環(huán)流. 該環(huán)流的形成促進了液態(tài)相變材料的對流換熱，同時也加大了固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間液態(tài)層的厚度，削弱了側(cè)壁面的接觸熔化.

圖7（e）顯示，當熔化時間進行到2 190 s時，側(cè)壁面處的Rayleigh-Bernard環(huán)流已經(jīng)消失，且液態(tài)層的厚度降低到2.3 mm. 這可能是由于隨著固態(tài)相變材料體積逐漸減小，通過側(cè)壁面?zhèn)魅氲臒崃孔阋詫⑷刍牡蜏匾簯B(tài)相變材料加熱至高溫并沿壁面向上流動，導致固態(tài)相變材料對側(cè)壁液態(tài)相變材料的壓力增大，從而使得液態(tài)層厚度減小，傳熱速率得以提升. 當加熱時間達到2 520 s時，如圖7（f）所示，倒圓錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的固態(tài)相變材料已經(jīng)全部熔化，標志相變材料固-液相變過程的結(jié)束.

由上述分析可知，與圓柱型結(jié)構(gòu)相比，倒圓錐形結(jié)構(gòu)封裝相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化得到了顯著提升，從而提高了相變材料的熔化性能. 同時，熔化過程中液態(tài)相變材料的對流換熱對相變材料的熔化性能也具有重要影響，且側(cè)壁面處形成的Rayleigh-Bernard環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，導致相變材料接觸熔化性能有所削弱.

3.3? ?底面/頂面半徑比對相變材料熔化性能的影響

封裝結(jié)構(gòu)高度和體積不變時，其上下底面積及相應(yīng)側(cè)壁面傾斜角度變化會對相變材料接觸熔化和對流換熱產(chǎn)生顯著影響，從而導致相變材料熔化性能的改變. 為評估上述參數(shù)變化對相變材料熔化性能的影響，本文以底面/頂面半徑比（β）作為特征參數(shù)，在保持封裝結(jié)構(gòu)高度和體積分別為0.055 m和1.74e-04 m3的基礎(chǔ)上，基于所建傳熱模型對以下五種典型封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料的熔化性能進行了對比分析，其封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，物理模型簡圖如圖8所示.

圖9為上述五種封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分數(shù)變化曲線圖. 由圖9可知，不同封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料液相體積分數(shù)隨時間的變化趨勢基本一致，在熔化初期相變材料的熔化速率最大，隨著熔化過程的進行，熔化效率會逐漸降低，但其完全熔化時間存在較大的差異，如表3所示.

顯然，當封裝結(jié)構(gòu)由倒圓錐型向倒圓臺型與圓柱型轉(zhuǎn)變時，相變材料完全熔化時間先上升后下降. 與倒圓錐型結(jié)構(gòu)相比，倒圓臺型與圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的完全熔化時間更長，說明β的增大使得熔化過程中固態(tài)相變材料對側(cè)壁處液態(tài)相變材料的擠壓力減小，液態(tài)層厚度增大，導致側(cè)壁面?zhèn)鳠崴俾蚀蠓档停冶砻娣e的減小同樣會降低表面?zhèn)鳠崃浚瑢е孪嘧儾牧先刍俾式档?而圓柱型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化時間相比倒圓臺型結(jié)構(gòu)有所下降，可能是β的增大同時會加強底面接觸熔化與液態(tài)相變材料的自然對流，彌補了側(cè)壁面接觸熔化的削弱以及表面積減小導致壁面?zhèn)鳠崃康慕档停瑥亩沟孟嘧儾牧先刍阅芪⑷跎仙?

當封裝結(jié)構(gòu)由圓柱型向正圓臺型和正圓錐型轉(zhuǎn)變時，相變材料完全熔化時間持續(xù)顯著降低. 其主要原因是，β的增大促進了液態(tài)相變材料的自然對流換熱以及底面處的接觸熔化，此外，表面積的增大進一步加強熱流體與封裝結(jié)構(gòu)之間的傳熱，從而有效提高相變材料的熔化性能. 一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，與倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化時間（2 520 s）相比，正圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化僅需2 100 s，熔化性能提高了16.7%. 這說明與倒圓錐結(jié)構(gòu)相比，雖然正圓錐結(jié)構(gòu)內(nèi)固態(tài)相變材料在側(cè)壁面處的接觸熔化性能相對較弱，但其內(nèi)部液態(tài)相變材料的自然對流換熱效果要遠強于倒圓錐型結(jié)構(gòu)，且倒圓錐型結(jié)構(gòu)側(cè)壁面處的Rayleigh-Bernard環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，削弱相變材料接觸熔化性能，從而導致正圓錐結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化性能更好. 因此，在相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進設(shè)計過程中，應(yīng)同時考慮固態(tài)相變材料與加熱壁面的接觸熔化以及液態(tài)相變材料的自然對流作用，才能實現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計.

盡管實際應(yīng)用中圓錐型封裝結(jié)構(gòu)可以有效提高相變材料的熔化性能，但與傳統(tǒng)圓柱型結(jié)構(gòu)相比，其對空間的利用率較低，不利于封裝結(jié)構(gòu)的布置. 針對該問題，一種可行的方法是將正圓錐型結(jié)構(gòu)與倒圓錐型結(jié)構(gòu)間隔布置，在有效提高空間利用率的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)蓄熱量以及蓄熱效率的同時提高.

4? ?結(jié)? ?論

本文提出在不改變圓柱型封裝結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上，通過減小其底面/頂面半徑比形成側(cè)壁面傾斜的倒圓錐型封裝結(jié)構(gòu)，使得固態(tài)相變材料受重力作用向下運動時可充分與側(cè)壁面緊密接觸并發(fā)生接觸熔化，從而實現(xiàn)對相變材料熔化效率的有效提高，并通過建立相應(yīng)熔化傳熱模型對倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料的熔化性能進行了深入分析. 主要結(jié)論如下：

1）與圓柱型結(jié)構(gòu)相比，倒圓錐型結(jié)構(gòu)可充分利用固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化，從而有效提高相變材料的熔化性能. 其中，倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料完全熔化需2 520 s，與圓柱型結(jié)構(gòu)相比縮短了690 s，熔化性能提高了21.5%.

2）倒圓錐型結(jié)構(gòu)封裝相變材料熔化過程中，除固態(tài)相變材料與側(cè)壁面間的接觸熔化外，液態(tài)相變材料的自然對流對相變材料熔化性能也具有重要影響，且側(cè)壁面處形成的Rayleigh-Bernard環(huán)流會加大該處液態(tài)層厚度，導致相變材料接觸熔化性能有所削弱.

3）相比倒圓錐型結(jié)構(gòu)，正圓錐型結(jié)構(gòu)封裝的相變材料熔化性能提高了16.7%. 因此，在相變材料封裝結(jié)構(gòu)改進設(shè)計中應(yīng)同時考慮接觸熔化以及液態(tài)相變材料自然對流的作用. 同時，為了有效提高相變蓄熱水箱空間利用率并減小布置難度，在實際應(yīng)用中可將正圓錐型與倒圓錐型結(jié)構(gòu)間隔布置，在有效利用空間的基礎(chǔ)上實現(xiàn)水箱蓄熱量和蓄熱效率的同時提高.

在此工作基礎(chǔ)上，考慮到用戶用水行為會對水箱內(nèi)溫度分布以及封裝相變材料的熔化過程產(chǎn)生較大的影響，未來應(yīng)基于用戶用水行為建立相應(yīng)的數(shù)值傳熱模型，以進一步優(yōu)化研究不同參數(shù)（相變材料熱物性及封裝結(jié)構(gòu)幾何尺寸等）以及相變材料封裝結(jié)構(gòu)布置方式對相變材料熔化性能的影響. 此外，為了探究其在實際太陽能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用，應(yīng)進一步將該相變蓄熱水箱與太陽能熱水系統(tǒng)進行耦合，以探究其對系統(tǒng)運行性能的影響.

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