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多目标优化板式换热器相变储热系统的研究

作者及机构
本研究由Tampere大学材料科学与环境工程系的Mehrdad Taghavi（通讯作者）、Aalto大学机械工程系的Andrea Ferrantelli、以及Tampere大学的Tero Joronen合作完成，研究成果发表于《Journal of Energy Storage》2024年第89卷（文章编号111645）。

学术背景
本研究属于能源存储与热力学工程交叉领域，聚焦于相变材料（Phase Change Material, PCM）储热系统的优化设计。板式换热器储热系统（Plate Heat Exchanger Thermal Energy Storage, PHETES）因其高储热密度和紧凑结构被视为潜热储能的理想形式，但其效率受设计变量（如换热流体通道厚度、PCM厚度、初始温度等）显著影响。现有研究表明，PCM的低导热性导致储热系统释热效率不足，且传统设计难以平衡几何参数与运行条件的矛盾。因此，本研究旨在通过多目标优化方法，结合计算流体力学（CFD）模拟与响应面模型（Response Surface Methodology, RSM），提出PHETES的最优设计配置。

研究流程

1. CFD建模与验证

   • 研究对象：简化PHETES几何模型（单PCM单元夹在两块换热流体通道之间，对称结构）。
     
   • 方法：基于瞬态传热与相变理论，求解连续性方程、动量方程和能量方程（式4-6），引入“糊状区常数”（Mushy Zone Constant）模拟PCM固液相变。
     
   • 创新点：采用实验验证的CFD模型（相对误差<6.26%），并通过网格独立性测试确保结果可靠性。
     

2. 响应面模型（RSM）构建

   • 设计变量：换热流体厚度（5–20 mm）、PCM厚度（5–20 mm）、初始温度（343–360 K）、入口温度（296–310 K）。
     
   • 响应参数：平均功率（P）、储热量（Q）、平均效率（ε）、2°C温降时间（t2°C）、总过程时间（tp）。
     
   • 实验设计：采用Box-Behnken设计（BBM）生成49组仿真数据，75%用于训练RSM模型，25%用于测试。通过二阶多项式回归（式11）预测响应变量，并比较三种训练集模型的预测性能（附录A）。
     

3. 多目标优化（MOOP）

   • 算法：非支配排序遗传算法（NSGA-II），优化目标为最大化P、ε、t2°C，最小化tp。
     
   • 流程：基于RSM模型生成帕累托前沿（Pareto Front），筛选非劣解。
     

主要结果

1. CFD与RSM分析

   • 几何参数影响：PCM厚度为5 mm时系统性能最优（图6a-c），因其减少热阻；换热流体厚度增加至20 mm可延缓出口温度下降（t2°C提升54.6%），但牺牲储热密度。
     
   • 温度参数影响：入口温度（ti）越低，效率越高（ε提升21.4%），但过程时间延长（图6d-e）；初始温度（t0）超过PCM熔点10°C会显著降低系统效率。
     

2. 优化结果

   • 最优配置：PCM厚度5 mm、换热流体厚度20 mm、ti=296 K、t0=343 K（表6）。此设计下ε提高21.4%，t2°C达264秒，且储热量（Q）达8363.9 kJ。
     
   • 关键发现：完全放电（tp）会因末期功率骤降而效率低下，建议以t2°C为运行截止条件。
     

结论与价值
1. 科学价值：揭示了PHETES中几何与温度参数的耦合效应，提出通过薄PCM层补偿低导热性的新思路。
2. 应用价值：优化设计可直接用于热泵系统，提升能源利用率；研究还指出，避免过高的初始充电温度（>10°C超熔点）可兼顾系统效率与经济性。

研究亮点
1. 方法创新：首次将RSM与NSGA-II结合用于PHETES优化，解决了传统实验设计的高成本问题。
2. 工程指导性：明确了5 mm PCM厚度的普适优势，为紧凑型储热系统设计提供定量依据。
3. 跨学科融合：CFD验证模型的高精度（误差<6.26%）增强了优化结果的可靠性。

其他价值
- 附录A通过对比训练集模型（R²_pred=0.752–0.978），验证了RSM在储热系统优化中的稳健性，为后续研究提供了方法参考。
- 研究数据可通过请求获取，支持学术共享。

（报告字数：约1500字）