论文总字数：50153字

摘 要

本文自行设计了一种矩形板翅式相变储能换热器，数值研究了储热单元结构参数对储热性能的影响，同时以储热密度和储热速度为目标函数，采用matlab编制小生境遗传算法程序对的矩形板翅式相变储能换热器结构参数进行双目标优化设计。

本文基于等效热容法建立矩形板翅式相变储能换热器储热单元传热模型，通过全隐式差分格式和控制容积法进行数值计算，讨论分析了翅片非稳态导热温度分布随时间的变化和结构参数对传热性能、储热密度和储热速度的影响。研究结果表明: (1)在某一特定的高度以下，通过分隔板的导热量要大于通过翅片的导热量，翅片导热量随着翅片高度的增加而逐渐增加；(2)翅片的相对导热量随着翅片高度的增加而增加，但翅片厚度对翅片的相对导热量影响几乎可以忽略不计；(3)储热密度和储热速度是一对耦合矛盾的变量，储热单元结构参数之间存在着相互制约的关系。

另外，本文以储热密度和储热速度为目标函数，翅片间距、翅片高度和翅片厚度为决策变量，基于小生境帕累托遗传算法编制matlab优化程序，对储热单元进行设计优化，得到不同储热时间约束条件下的帕累托最优解集。通过双目标优化得到了兼顾两个目标函数的Pareto最优解集，集合中的每一个方案都是储热密度和储热速度之间的权衡，换句话说，该方案使得规定储热时间下储热量最大化和储热单元质量最小化，设计者可以根据具体应用目标选择设计方案。

关键词：板翅式相变储能换热器，传热，优化，遗传算法

Abstract

In the present work, the heat transfer characteristics of the heat storage unit of a designed plate-fin phase change energy storage heat exchanger are investigated numerically. Additionally， the program of niched genetic algorithm developed in Matlab is applied to optimize the design of plate-fin phase change energy storage heat exchanger, considering the heat storage density and the heat storage rate.

In the present work, a numerical heat transfer model based on the efficient heat capacity method is established. The numerical calculation is carried out by the full implicit difference scheme and the control volume method. The variation of temperature distribution of the fin with time and the effects of structural parameters on the heat transfer performance, the heat storage density and the heat storage density is discussed and analyzed. The results show that: (1)The heat transfer through the fin, which is smaller than heat transfer through parting sheet below a certain fin height, increases with the fin height. (2)The ratio, heat transfer through fin to total heat transfer, increases with the fin height, but doesn’t change with fin thickness. (3)The heat storage rate and the heat storage density are a pair of coupling contradictory variables, and there is a mutual constraint relationship between the thermal unit structural parameters.

Moreover, a niched Pareto genetic algorithm is used to optimize the design of the thermal storage unit, taking the heat storage density and the heat storage rate as objective functions and the geometric structural parameters, including fin height, fin thickness and fin spacing, as decision variables, and the Pareto optimal solution set are obtained under different duration of the heat storage. Each solution in the Pareto optimal solution set is a trade-off between the heat storage density and the heat storage rate. In other words, the main advantage of this study is to provide a wide range of optimal design schemes for the thermal storage unit of a PCM based PFHE, allowing designers to choose a design scheme guaranteeing the maximum heat storage under certain heat storage system quality or the minimum heat storage system quality under certain heat storage.

Keywords: plate-fin phase change energy storage heat exchanger; heat transfer; optimization; genetic algorithms

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1储热技术概述 2

1.2.2相变储能材料的研究 2

1.2.3相变储能换热器结构研究 3

1.2.3.1板翅式相变换热器研究现状 4

1.2.3.2管式换热器研究现状 4

1.2.4相变储能换热器强化传热研究 5

1.2.5遗传算法在换热器中的应用研究 6

1.3本论文的研究内容 6

1.4本论文的创新性 7

1.5本章小结 7

第二章 板翅式相变储能换热器结构设计与性能数值模型 9

2.1本文研究的相变储能换热器 9

2.2储热单元传热模型及其求解 10

2.2.1储热单元物理模型 10

2.2.2基于等效热容法的传热模型及其数值求解 11

2.2.2.1等效热容法原理 11

2.2.2.2计算区域控制方程 12

2.2.2.3数值求解 12

2.3数值模拟结果分析与讨论 14

2.3.1数值算例 14

2.3.2翅片的传热性能 16

2.3.3翅片对储热量的影响 17

2.4本章小结 19

第三章 基于小生境遗传算法的板翅式相变储能器优化设计 21

3.1引言 21

3.2遗传算法操作 21

3.2.1编码 21

3.2.2初始种群的产生 21

3.2.3遗传算子 22

3.2.4选择 23

3.2.5约束条件的处理 23

3.2.6收敛准则 23

3.3基于小生境遗传算法的多目标优化 23

3.3.1目标函数、决策变量及约束条件 24

3.3.2小生境遗传算法 24

3.3.3 遗传多目标优化 26

3.3.3.1 计算过程 26

3.3.3.2 计算源代码简介 27

3.4储热单元优化设计计算结果分析与讨论 28

3.4.1储热单元结构参数对储热密度和储热速度的影响 28

3.4.2优化设计计算及其结果分析 30

3.5本章小结 33

第四章 结论与展望 34

附录 36

参考文献 42

致 谢 45

第一章 绪论

1.1 课题背景和意义

能源问题和人类生活息息相关，提高能源利用率已成为可持续发展的必由之路。世界各国正寻求环境友好、价格低廉的绿色能源，并积极开展余热回收及节能减排等工作。节约能源和绿色环保已成为我国基本国策，节能减排的关键是节约能源，提高能源系统能效，减少污染。合理的能源系统结构减小能量在传递或转移过程中的损失，对能源利用率的提高有重要作用。

人类工业化就是从对热能利用的开始，自然界中的能源有80%是通过转化成热能供人类利用。换热器作为热交换设备在热能利用中占有越来越重要的地位，被广泛应用于化工、动力、冶金、太阳能和航空航天等领域。提高换热器工作效率成为目前缓解能源紧张、人类可持续发展的有效途径，也是未来天基系统热管理中必须解决的热门问题。对于换热设备中出现的热、质传递，流体流动等过程，我我们应当有能力卓有成效的处置他们，这种能力可以来自与对过程本质的认识以及用以定量的估计这些过程的一套方法。因此，研究储能换热器传热特性并对其进行结构优化设计，提高换热器的换热性能，节约换热设备材料成本，是提高能源利用率、节能减排的重要举措。

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