用于热泵热水器中相变材料换热器的设计方法，以提高热容量

《Journal of Energy Storage》：Design methodology for phase change material heat exchangers in heat pump water heaters to improve thermal capacity

　　

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  用于设计热泵热水器中相变材料（PCM）设备的新系统方法
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  有效设计PCM设备的实际约束条件和性能指标
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  从超过1000种潜在的PCM集成TPMS换热器中筛选出合适的选择
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  PCM换热器可将热水器的首小时加热能力提高47%
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  提高首小时加热能力可减少小空间内热水器的尺寸需求

章节摘录

缩写词与定义

HPWH	热泵热水器
PCM	相变材料
COP	性能系数
FHR	首小时加热能力
TPMS	三周期极小表面结构
HX	换热器
MiPCM-HX	微胶囊化PCM换热器
MaPCM-HX	宏观胶囊化PCM换热器
Tank A	120V热泵热水器，额定容量151升（40加仑），无电阻备用系统，设定温度60°C（140°F）
Tank B	120V热泵热水器，额定容量189升（50加仑），无电阻备用系统，设定温度60°C（140°F）

符号说明

$c$

TPMS晶格孔隙率

本研究描述了一种用于设计高性能PCM换热器的新工作流程，这些换热器应用于热水加热领域。图1显示了该工作流程的两个主要组成部分——组件设计和水箱建模，以及它们相关的任务。流程图还展示了每个任务的重要输出结果，以及这些输出如何影响后续任务。图1所示的工作流程对应于“方法”部分的组织结构。

组件设计包括所有...

以下部分详细介绍了基于制造约束对生成几何形状进行筛选的结果，最终确定了在热力学和传热模型中考虑的几何形状。

为了实现可靠的立体光刻打印，所需的最低壁厚为0.2毫米[79]。根据Blender [80]的结果，Lidinoid和Neovius类型的电池在标称壁厚为1毫米的情况下，实际壁厚可达0.15毫米和0.19毫米...

增大热水器的尺寸会给在空间有限的环境中广泛部署节能家庭用水加热技术带来挑战。相变材料已被证明能有效提高家庭用水加热器的能量存储容量，但现有文献缺乏针对大型系统（如热泵热水器）的PCM设备设计优化案例。本研究为基于TPMS晶格的PCM换热器应用提供了新的研究证据...

Erin L. Blackley：撰写初稿、可视化处理、方法设计、研究开展、资金筹集、数据分析。Daniel Safronov：可视化处理、软件开发、研究开展、数据分析。Thomas B. Freeman：指导监督、概念构思。Kyle E.O. Foster：撰写稿件、审稿编辑、指导监督、概念构思。Adewale Odukomaiya：撰写稿件、审稿编辑、指导监督、概念构思。Paulo Cesar Tabares-Velasco：概念构思、资金筹集、项目协调。

在准备本研究的过程中，作者使用ChatGPT工具进行代码调试。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

作者声明他们没有可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

本研究是在橡树岭科学与教育研究所（ORISE）管理的BUILD-研究生研究奖学金项目下进行的，该项目由橡树岭国家实验室（ORNL）为美国能源部（DOE）执行。ORISE由橡树岭联合大学（ORAU）负责运营，而ORNL则由UT-Battelle LLC管理。本文表达的所有观点仅代表作者个人观点，不一定反映相关机构的官方政策...

Erin L. Blackley|Daniel Safronov|Thomas B. Freeman|Kyle E.O. Foster|Adewale Odukomaiya|Paulo Cesar Tabares-Velasco