Корпус и труба
Было проведено большое количество исследований с целью определения оптимальной геометрии теплообменника для резервуара для хранения тепла с ПЦМ.
Аль-Абиди и др. изучили 5 геометрий теплообменников и предложили в качестве наиболее перспективной технологии КТУ.
PCMs были применены как в оболочке, так и внутри трубок. Другими современными геометриями являются спиральные катушки, змеевики, двойные трубы, ребристые трубы и плоские теплообменники.
Компания Trp провела детальный анализ системы аккумулирования тепла с помощью кожуха и труб.
Разработана математическая модель моделирования процесса термического заряда и разряда системы хранения с парафином Rubitherm RT 30 на стороне корпуса и водой, протекающей по трубам. Модель была подтверждена экспериментальными данными.
В работе Трип и др. была использована разработанная математическая модель для оценки влияния условий теплообмена и геометрии накопительной системы.
Они пришли к выводу, что выбор условий эксплуатации и геометрических параметров зависит от требуемой скорости теплообмена и времени, в течение которого энергия должна быть сохранена или доставлена.
Тэй и др. предложили резервуар-хранилище с вертикальными трубками. Раствор включает в себя циркуляцию уже расплавленного PCM (гидратированной соли с температурой фазового перехода -11 ºC) с целью улучшения процесса фазового перехода.
Когда появляется жидкая фаза, уже расплавленная соль циркулирует, чтобы ускорить оставшуюся часть процесса плавления. Это сокращает время, необходимое для процесса плавления. Кроме того, средняя эффективность увеличилась от 33 до 89% для высокотемпературных градиентов, которые были получены для тех испытаний, при которых теплоноситель циркулировал через блок теплообменника.
Эффективность увеличилась от 58 до 82% для малых градиентов, при испытаниях которых водонагреватель использовался для нагрева теплоносителя и расплавления PCM. Это увеличение эквивалентно увеличению, которое достигается с помощью ребристых рубок.
Рельефные трубы
Как уже отмечалось, использование ребристых трубок для увеличения площади теплообмена является возможным решением проблемы низкой теплопроводности ПМП.
В работе Тэй и др. проанализированы характеристики теплообменника двух типов ребер, кольцевых и "позвоночника", и сравнены результаты с характеристиками простой трубы.
Наибольшая скорость теплообмена была получена при кольцевой конфигурации, благодаря самой высокой поверхности теплообменника. По сравнению с обычной трубой, при кольцевой конфигурации ребер было достигнуто увеличение скорости теплопередачи от 20 до 40% и сокращение времени фазового перехода на 25%.
Эффект добавления плавников был также исследован Гилем и др, который изучил два почти идентичных резервуара для хранения тепловой энергии при высоких температурах (солнечные батареи).
Спиральный вертикальный теплообменник
Банашек и др.проанализировали аккумулятор с спиральным вертикальным теплообменником. Эти виды теплообменников широко используются в химической и пищевой промышленности.
Теплообменники очень компактны и просты в герметизации, имеют большую поверхность теплообмена с минимальной длиной обмена тепла, где жидкость не подвержена механическим повреждениям.
Кроме того, они, как правило, имеют высокие коэффициенты теплопередачи из-за воздействия центрифуг на жидкость и большой поверхности теплопередачи и легко управляются с потоком жидкости. Его использование с ПКМ требует только замены одной из жидкостей на ПКМ.
В качестве ПЦМ использовался парафиновый воск PPW20. Температура фазового сдвига этого материала не является постоянной при повышении температуры от 45ºC до 60ºC, и требуется увеличение энтальпии на 173 ± 5 кДж/кг.
В данном исследовании был проведен анализ теплообмена между этим PCM и воздухом, но необходимы дальнейшие исследования по выбору наиболее оптимального PCM и наиболее оптимальной геометрии периметральных воздушных каналов.
Спиральная катушка Торрегроза
Джейме и др. изучили хранение охлаждения в резервуаре со спиральным змеевиком и парафином RT 8 фирмы Rubitherm (температура фазового перехода от 4 до 8 ºC).
Теплообменник был изготовлен из полиэтиленовой трубы (без ребер) наружным диаметром 1,8 см и шагом 2,3 см .Парафин был выбран в качестве PCM из-за его высокой стабильности со временем. В процессе накопления вокруг спиральной теплообменной стенки образовался сплошной слой RT8, и было замечено, что этот слой ухудшает теплопередачу. В связи с этим и низкой теплопроводностью парафина авторы отметили, что до 31% резервуара осталось неизменным.
Параллельные пластины
Другая компактная система аккумулирования тепловой энергии, состоящая из параллельных пластин ПЦМ, разделенных прямоугольным каналом, была представлена и проанализирована в работах.
В обеих работах использовалась одна и та же вычислительная модель для получения эмпирических корреляций, оптимизирующих единицу хранения энергии. Целью данного хранилища является снижение внутреннего потребления электроэнергии в периоды пиковых нагрузок.
С помощью параметрического анализа было изучено влияние нескольких расчетных и эксплуатационных условий на тепловые характеристики установки. Было отмечено, что средняя тепловая нагрузка на выходе в период рекуперации сильно зависит от минимальной рабочей температуры, теплопроводности жидкой фазы, толщины слоя PCM и скорости потока и температуры на входе теплоносителя.