本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
主要作者及机构
本研究由Weiguan Zhou、Yangjing He、Qing Xu、Changjun Wang、Ziye Ling（通讯作者）、Zhengguo Zhang和Xiaoming Fang合作完成。作者团队来自South China University of Technology（华南理工大学）的Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation（强化传热与节能教育部重点实验室）以及Foshan Shunde Midea Electrical Heating Appliances Manufacturing Co., Ltd.（美的集团）。研究成果发表于Applied Thermal Engineering期刊，2024年2月在线发表，卷号为245，文章编号122740。
学术背景
本研究隶属于热能工程与相变储能材料领域，核心目标是解决太阳能热水系统中因太阳能间歇性和不稳定性导致的热水供应不连续问题。相变材料（Phase Change Material, PCM）因其在恒定温度下吸收或释放大量潜热的特性，成为储能技术的研究热点。然而，传统PCM热导率低，限制了其充放热速率。
研究团队提出了一种新型微通道板式潜热换热器，采用形状稳定的复合相变材料（Composite PCM, CPCM）——三水合乙酸钠（Sodium Acetate Trihydrate, SAT）与膨胀石墨（Expanded Graphite, EG）的复合材料，通过优化结构和材料配比，实现快速储热与放热。研究旨在：（1）设计紧凑型换热器结构；（2）验证CPCM与微通道板的协同性能；（3）优化CPCM厚度、热物性参数及流量对热效率的影响。
研究流程与方法
研究分为数值模拟与实验验证两部分，具体流程如下：
1. 换热器设计与CPCM制备
- 结构设计：换热器采用多层“三明治”结构，每单元由两块CPCM块（厚度10–50 mm）与微通道换热板（铝制，厚度5 mm）堆叠组成。微通道设计增大了传热面积，减少体积占用。
- CPCM制备：将SAT与EG按不同质量分数（75–85 wt%）混合压制成块，密度固定为800 kg/m³，确保形状稳定性。通过差示扫描量热法（DSC）测定其热物性（如相变焓、热导率）。
2. 数值模型建立与验证
- 模型假设：忽略自然对流、辐射散热及PCM体积变化，假设材料热物性在相变过程中恒定。
- 控制方程：基于能量守恒、动量守恒和连续性方程，利用ANSYS Fluent软件求解瞬态耦合传热问题，采用Solidification/Melting模型模拟相变过程。
- 网格独立性验证：通过比较不同网格数量（2.18×10⁶至3.64×10⁶）下的出口水温偏差（<0.5%），确定最优网格划分方案。
3. 实验验证
- 实验装置：搭建包含恒温水槽、数据采集仪（Agilent 34970A）和涡轮流量计的测试系统，监测换热器进出口水温及CPCM表面温度。
- 工况设置：充热过程（初始温度25°C，入口水温70°C）；放热过程（初始温度70°C，入口水温25°C），流量范围100–500 L/h。
4. 参数优化分析
- CPCM厚度影响：固定总储热体积，对比厚度10–50 mm对放热功率、效率及能量密度的影响。
- SAT质量分数影响：分析75–85 wt% SAT对热导率与相变焓的竞争关系。
- 流量影响：探究不同流量下充放热速率与等效热水产量的变化规律。
主要结果
- CPCM厚度优化：厚度20 mm时性能最佳，放热效率达82.73%，等效热水产量197.86 kg（流量300 L/h时），体积储能密度与质量功率密度达到平衡。
- SAT质量分数优化：80 wt% SAT的CPCM综合性能最优，热导率4 W/(m·K)，相变焓218 J/g，较85 wt% SAT的样品放热效率提高2.8%。
- 流量影响：流量从100 L/h增至500 L/h时，放热时间缩短56%，但等效热水质量从215 kg降至181 kg，因热交换时间不足导致效率下降。
- 与蛇形管换热器对比：在相同对数平均温差下，微通道板换热器的单位温差功率密度更高（369 W/K vs. 328 W/K），适用于低温差场景。
结论与价值
- 科学价值：揭示了CPCM热导率与相变焓的竞争机制，提出了微通道板结构与SAT/EG材料的协同优化策略。
- 应用价值：所设计换热器在20 mm CPCM厚度和80 wt% SAT配比下，可快速制备197.86 kg热水（1365 s），占地面积较传统水箱减少74%，适用于太阳能热水系统的紧凑化储能。
- 创新性：首次将微通道板与形状稳定CPCM结合，通过数值模拟与实验验证了其高效性，为间歇性能源存储提供了新思路。
研究亮点
- 材料与结构创新：采用SAT/EG复合PCM解决泄漏问题，微通道设计提升传热效率。
- 多参数优化：系统分析了厚度、组分、流量对性能的影响，提出量化优化指标。
- 工程适用性：实验验证了换热器在真实工况下的稳定性，为工业化应用奠定基础。
其他有价值内容
- 数据可重复性：作者声明数据可应请求提供，增强了研究透明度。
- 合作模式：高校与企业联合研发（华南理工大学与美的集团），体现产学研结合优势。