强制单程太阳能空气干燥机中可回收铝罐相变材料布置的瞬态共轭传热与热力水动评估

《Heat Transfer》：Transient Conjugate Heat Transfer and Thermo-Hydraulic Evaluation of Recyclable Aluminum-Can PCM Placement in a Forced Single-Pass Solar Air Dryer

　　

摘要
相变材料的集成可以延长太阳能空气干燥机的有效运行时间，但其热学和流体力学效应强烈依赖于储存模块相对于吸热器和气流路径的位置。本研究比较了强制单程太阳能空气干燥机的四种构型：C0（无相变材料）、C1（吸热器下方采用可回收铝罐石蜡模块）、C2（模块置于风道内）和C3（吸热器下方和风道内分置）。将一个瞬态三维共轭CFD模型与出风温度、吸热器温度、压降、相变材料核心温度以及差示扫描量热法（DSC）校准的表观液相分数演变测量值进行了评估对比。位置对比采用了2025年4月15日在印度古尔冈记录的共同测量边界条件历史，其中最大辐射强度$I_{max} = 933.2 \, \text{W m}^{-2}$，总辐射量$H_T = 17.27 \, \text{MJ m}^{-2}$。对主要的热学、流体力学和相变材料指标的扩展不确定度界限进行了传播计算。相变材料温度的均方根误差（RMSE）保持在0.79°C至0.98°C之间，而表观液相分数的均方根误差保持在0.0150至0.0220之间。在这些测试条件下，相变材料辅助构型中，C3表现出最强的全天综合平衡性能。它提供了$Q_u = 3.065 \pm 0.15 \, \text{MJ}$的有用热能量，并将加热不足的能量亏缺降低至$1.097 \pm 0.06 \, \text{MJ}$；而C2则产生了最大的平均压降（$11.02 \pm 0.55 \, \text{Pa}$）和风机能耗（$3.201 \pm 0.20 \, \text{Wh}$）。C3储存了最高的相变材料能量（$0.8872 \pm 0.09 \, \text{MJ}$），其中包括0.277 MJ的显热和0.610 MJ的潜热储存。对实验测试的C0和C3案例进行的薄层干燥分析表明，Midilli-Kucuk模型对番茄和青椒的拟合效果最佳。C3将番茄的观测干燥时间从10.0小时缩短至8.5小时，将青椒的观测干燥时间从8.0小时缩短至7.0小时。研究结果指出，在测量的当日和运行条件下，分置方式在受测的相变材料布置方案中实现了最佳平衡。这些结果并不能确立其在季节性、地理性或产品通用性方面的优越性，这需要独立的跨日和多气候验证。

利益冲突
作者声明不存在利益冲突。

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