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发布：2026-06-12 07:12:20 · 事件：2026-06-12 07:12:20

摘自 《煤气与热力》2025年6月刊 相变蓄热换热器相变材料状态影响因素研究 闫全英 1 ，马广增 1 ，王威 2 （1.北京建筑大学 环境与能源工程学院， 北京 100044；2.中国科学院过程工程研究所， 北京 100190） 摘要： 以管壳式相变蓄热换热器为研究对象，采用模拟方法，分析蓄热、放热过程中，进水流速、进水温度对相变材料完全熔化时间、完全凝固时间等参数的影响。蓄热过程：进水温度、进水流速均影响石蜡完全熔化时间。进水流速一定时，进水温度越高石蜡完全熔化时间越短。

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  摘自 《煤气与热力》2025年6月刊>>> 相变蓄热换热器相变材料状态影响因素研究 闫全英 1 ，马广增 1 ，王威 2 （1.北京建筑大学  环境与能源工程学院，  北京  100044；2.中国科学院过程工程研究所，  北京  100190） 摘要： 以管壳式相变蓄热换热器为研究对象，采用模拟方法，分析蓄热、放热过程中，进水流速、进水温度对相变材料完全熔化时间、完全凝固时间等参数的影响。蓄热过程：进水温度、进水流速均影响石蜡完全熔化时间。进水流速一定时，进水温度越高石蜡完全熔化时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全熔化时间越短。进水流速、进水温度对石蜡完全熔化时间的影响程度基本一致。放热过程：进水温度、进水流速均影响石蜡完全凝固时间。进水流速一定时，进水温度越低石蜡完全凝固时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全凝固时间越短。进水流速对石蜡完全凝固时间的影响程度强于进水温度。 关键词： 管壳式相变蓄热换热器；相变换热；完全熔化时间；完全凝固时间 参考文献示例： 闫全英，马广增，王威. 相变蓄热换热器相变材料状态影响因素研究［J］. 煤气与热力，2025，45（6）：A38-A42. 1  概述 近年来，相关学者对相变蓄热换热器进行了一些研究，但离实际应用还有相当的距离。王建辉等人 [1] 设计了一种相变蓄热换热器，经测试，该装置具有蓄热量大、放热稳定的特点，适合在供热领域应用。张云婷等人 [2] 通过数值模拟，发现相较于流速，流体的温度对相变蓄热换热器蓄热过程的影响更显著。陈黎等人 [3] 通过数值模拟，证明串联结构组合式相变蓄热换热器具有更优良的性能。高杨等人 [4] 通过数值计算方法，对填充在多管换热器中的石墨烯 - 石蜡复合相变材料的熔化凝固性能进行了研究，发现管数量增加，可有效缩短相变材料的完全熔化时间和完全凝固时间。李昌亭等人 [5] 对建立的换热管模型进行仿真计算，发现随着中心管直径增大，相变材料完全凝固时间和换热流体出口温度随之减小，但中心管直径并不是越大越好，而应综合考虑和设计。 本文以管壳式相变蓄热换热器（简称相变蓄热换热器）为研究对象，采用模拟方法，分析蓄热、放热过程中，进水流速、进水温度对相变材料完全熔化时间、完全凝固时间等参数的影响。 2  物理模型 相变蓄热换热器结构见图 1 。相变蓄热换热器采用管壳结构，换热管中心轴线按正三角形排列，管束内流体为水，壳体内填充石蜡，石蜡体积占壳体总容积的 87% 。相变蓄热换热器壳体内直径为 340 mm 。换热管数量为 24 根，管长 1 500 mm ，内直径为 25 mm ，换热管中心距为 50 mm 。相变蓄热换热器进出水总管（位于相变蓄热换热器轴向两个端头）内直径均为 100 mm 。相变蓄热换热器管束排布见图 2 。图 2 中数值对应的单位为 mm 。石蜡的物性参数见表 1 。 图 1     相变蓄热换热器结构 图 2     相变蓄热换热器管束排布 表 1     石蜡的物性参数 在数值模拟中进行以下假设：相变材料各处均匀且各向同性。忽略管壁热阻以及换热管间影响。相变材料在相变过程中无过冷现象。不考虑壳体散热。 3  数学模型 3.1  控制方程 相变过程仿真模拟的控制方程主要包括连续性方程、动量方程、能量方程等。 连续性方程： 动量方程： 能量方程： 相变材料比焓 h 的计算式为： 相变材料液相率 β 的计算式为： β= 0 时，相变材料为固态。 β= 1 时，相变材料为液态。 0< β <1 时，相变材料为固液混合状态。 3.2  工况参数 蓄热过程模型初始温度为 20 ℃ ，蓄热过程的工况参数见表 2 。 表 2     蓄热过程的工况参数 放热过程模型初始温度为 70 ℃ ，放热过程的工况参数见表 3 。 表 3     放热过程的工况参数 3.3  网格划分和独立性检验 采用 SolidWorks 软件对相变蓄热换热器进行建模，将模型分成 3 部分：相变材料、流体、换热管壁。为减小计算量，提取一组正三角分布的换热管束（见图 3 ）作为单元模型，单元模型及网格划分见图 3 。网格划分采用六面体结构。 图 3     单元模型及网格划分 网格数初步划分为 3×10 4 、 5×10 4 、 7×10 4 、 9×10 4 、 11×10 4 。以工况 5 出水温度进行网格独立性检验，网格独立性检验结果见图 4 。由图 4 可知，当网格数为 7×10 4 、 9×10 4 、 11×10 4 时，出水温度曲线几乎重合，认为计算精度已达到要求。为减小计算量，网格数选取 7×10 4 。 图 4     网格独立性检验结果 4  模拟结果与分析 4.1  蓄热过程 工况 1~3 石蜡液相率随时间的变化见图 5 。由图 5 可知，进水流速一定时，进水温度越高石蜡完全熔化时间（对应液相率为 1 的时间）越短。进水温度由 70 ℃ 升至 90 ℃ 时，石蜡完全熔化时间由 1 836 s 缩短至 1 559 s ，缩短 15.1% 。 图 5     工况 1~3 石蜡液相率随时间的变化 蓄热过程不同工况石蜡完全熔化时间见图 6 。由图 6 可知，在蓄热过程中，进水温度、进水流速均影响石蜡完全熔化时间。进水流速一定时，进水温度越高石蜡完全熔化时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全熔化时间越短。进水温度 为 90 ℃ 、进水流速为 1.5 m/s 时，熔化时间最短，为 1 252 s 。进水温度为 70 ℃ 时，进水流速由 0.5 m/s 增 至 1.5 m/s ，石蜡完全熔化时间由 1 836 s 缩短至 1 541 s ，缩短 16.1% 。分析蓄热过程各工况的石蜡完全熔化时间可知，进水流速、进水温度对石蜡完全熔化时间的影响程度基本一致。 图 6     蓄热过程不同工况石蜡完全熔化时间 4.2  放热过程 工况 16~18 石蜡液相率随时间的变化见图 7 。由图 7 可知，进水流速一定时，进水温度越低石蜡完全凝固时间越短。进水温度由 50 ℃ 降至 30 ℃ 时，石蜡完全凝固时间由 459 s 缩短至 365 s ，缩短了 20.5% 。 图 7     工况 16~18 石蜡液相率随时间的变化 放热过程不同工况石蜡完全凝固时间见图 8 。由图 8 可知，在放热过程中，进水温度、进水流速均影响石蜡完全凝固时间。进水流速一定时，进水温度越低石蜡完全凝固时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全凝固时间越短。进水温度为 30 ℃ 、进水流速为 1.5 m/s 时，凝固时间最短，为 365 s 。进水温度为 30 ℃ 时，进水流速由 0.5 m/s 增至 1.5 m/s ，石蜡完全凝固时间由 884 s 缩短至 365 s ，缩短 58.7% 。分析放热过程各工况的石蜡完全凝固时间可知，进水流速对石蜡完全凝固时间的影响程度强于进水温度。 图 8     放热过程不同工况石蜡完全凝固时间 5  结论 ①  蓄热过程：进水温度、进水流速均影响石蜡完全熔化时间。进水流速一定时，进水温度越高石蜡完全熔化时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全熔化时间越短。进水流速、进水温度对石蜡完全熔化时间的影响程度基本一致。 ②  放热过程：进水温度、进水流速均影响石蜡完全凝固时间。进水流速一定时，进水温度越低石蜡完全凝固时间越短。进水温度一定时，进水流速越大石蜡完全凝固时间越短。进水流速对石蜡完全凝固时间的影响程度强于进水温度。 参考文献： [1]  王建辉，刘自强，梁迎凯，等 .   高温相变蓄热换热器研究 [J].   河北省科学院学报， 2017(4) ： 54-59. [2]  张云婷，云和明，张艳玲，等 .   壳管式相变蓄热装置的数值模拟 [J].   制冷与空调 ( 四川 ) ， 2013(4) ： 329-334. [3]  陈黎，胡 芃 ，章高伟 .   不同结构组合式相变材料换热器性能分析 [J].   太阳能学报， 2021(6) ： 177-183. [4]  高杨，张树坤，许玲，等 .   石蜡 / 石墨烯相变材料在多管换热器中的储热性能 [J].   青岛科技大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2022(1) ： 77-85 ， 126. [5]  李昌亭，白帆，林春城 .   管壳式相变双层换热管设计与数值分析 [J].   工业加热， 2022(6) ： 33-36. （本文责任编辑：贺明健） 声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有。 点击关注我们↘