当今世界,能源与环境问题变得日益突出,相变换热技术是缓解能源问题的有效方法之一,它是一种利用物质相变时的潜热吸收和释放能量以减少能量浪费的技术。本文利用数值模拟的方法研究提高复合相变材料(Composite Phase Change Material)的换热效率和相变换热装置的设计优化问题。首先建立管壳式换热单元模型,进行独立性验证,确定合适的网格数和时间步长。以石蜡作为填充材料,以泡沫铝、泡沫镍、泡沫铜三种泡沫金属作为基体,研究三种复合材料的液相率随时间变化情况,结果表明复合相变材料的相变速率明显提高,其中泡沫铜/石蜡复合相变材料完全相变的时间比纯石蜡缩短了68.2%,在三种复合材料中其换热效率最高。综合分析泡沫铜孔隙率、流体的入口流速、入口温度以及换热单元管径对换热过程的影响。孔隙率的增加会增大换热器的蓄热量,增强相变材料的自然对流作用,但是导热系数减小,实际应用中应根据情况综合考虑。流体入口流速对传热效率的影响随流速增大而减弱,流速为20 m/s时的完全相变时间比1m/s时仅缩短7.9%,同时考虑到增大流速会使管道压力变大,选择2 m/s的入口流速较为合适。流体入口温度对传热效率的影响明显,换热温差每增大5 K,其完全融化的时间比上一个梯度温度约减少25%。由于内管管径的增大对传热影响很小,因此管径的选取主要考虑实际流量和管材耗费。引入肋片对换热装置优化,对有无肋片时的换热效果进行对比,探究肋片的各项参数以及肋片形式对复合相变材料换热效率的影响。液相云图显示添加肋片后相变材料液相分布更加均匀,传热效率提升明显;肋片高度与换热效率正相关,肋高16 mm的换热单元完全相变时间约是无肋片换热单元的50%;肋片宽度变小会使相变材料出现明显的波浪形温度分布,但对换热效果影响不显著,当肋片宽度分别取3 mm和9 mm时,后者的完全相变时间比前者减小11.9%;使用T字形、Y字形、十字形几种分支结构的肋片能够减小端部和根部温差,直肋片的蓄热效率提高20.4%,带分支的三种肋片的蓄热效率分别提高27.3%,34.1%和38.9%。综上研究表明,使用泡沫铜/石蜡复合相变材料,改变流体入口温度是提高相变换热效率的有效手段。同时,引入参数和型式优化后的肋片能够明显提升传热效果。