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为解决 PCM 相变速度慢影响冰蓄冷系统性能的问题，伊斯兰阿扎德大学阿亚图拉阿莫利分校等单位的研究人员，开展螺旋纵向翅片对壳盘管冰蓄冷性能影响的研究。结果表明翅片可提升冻结速度等，对优化冰蓄冷系统意义重大，推荐一读！
在全球能源需求不断攀升的当下，能源问题愈发严峻。一方面，人口持续增长，对可靠能源的需求像火箭般飙升；另一方面，可再生能源却像个调皮的孩子，供应不稳定，时而充足时而短缺，让人捉摸不透。与此同时，能源生产和需求之间也存在着严重的不平衡，这一系列问题给能源的稳定供应带来了巨大挑战。在这样的大背景下，提高能源效率成为实现可持续发展的关键，就像给能源发展找到了一把关键钥匙。
而基于相变材料（PCM）的热能存储设备，就像是能源界的 “小能手”，它能把多余的可再生能源储存起来，让能源供应变得更可靠，还能平衡能源的生产和需求。不过，这个 “小能手” 也有自己的烦恼，它的相变速度比较慢，这就像一个跑步有点慢的运动员，影响了整个能源存储系统的性能。于是，科研人员们纷纷行动起来，想办法提高相变速度，让这个 “小能手” 变得更厉害。
为了解决这些问题，来自伊斯兰阿扎德大学阿亚图拉阿莫利分校、马赞达兰大学、舍布鲁克大学等多所高校的研究人员，在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为《Performance enhancement of a shell - and - coil ice storage enclosure for air conditioning using spiral longitudinal fins: A numerical approach》的论文。通过一系列研究，他们得出了不少重要结论，这对提升冰蓄冷系统性能意义重大，就像是为优化能源存储系统找到了新的方向。
研究人员在开展这项研究时，用到了几个主要关键技术方法。他们先建立了复杂的三维（3D）瞬态计算模型，就像是给研究搭建了一个 “虚拟实验室”。在这个模型里，他们定义了与螺旋纵向翅片几何形状相关的多个无量纲参数，比如无量纲翅片长度（Ω）、数量（Ψ）和厚度（Φ）等，用这些参数来精准描述翅片的特征。然后，利用 ANSYS Fluent 2023 R2 软件进行模拟，模拟过程中还考虑了诸多假设条件，并且通过实验验证模型的准确性，确保研究结果的可靠性。
下面来详细看看研究结果：
5.1 无量纲翅片长度（Ω）
研究人员通过研究 Ω 这个无量纲参数，来看看纵向螺旋翅片长度对冻结动力学有啥影响。他们发现，随着 Ω 值从 0 增加到 0.719，冻结时间大幅缩短了 42.29%。打个比方，如果没有翅片时冻结需要 266 分钟，那 Ω 为 0.719 时，只需要 153.5 分钟，这速度提升相当明显。原因就是翅片长度增加，传热表面积变大了，热量能更方便地从存储容器传递到传热流体（HTF）管，就像给热量开了一条快速通道。而且，从温度变化上也能看出，平均温度变化和冻结过程密切相关，没冻结时温度不会低于冰点，冻结一开始，温度就立马下降。从定性角度观察，有翅片和没翅片的冻结过程差别可大了。有翅片时，冻结前沿形状从圆形变成了类似旋转正方形，而且翅片越长，这种变化越明显。不过，当 Ω 超过 0.719 后，再增加翅片长度，对冻结过程的影响就没那么大了，所以把翅片长度控制在合适范围很重要。
5.2 无量纲翅片数量（Ψ）
研究人员又测试了不同的翅片数量（Ψ = 0、2、4 和 6）对冻结动力学的影响。结果显示，和没有翅片相比，有 2、4 和 6 个翅片时，冻结过程分别加快了 23.49%、29.96% 和 50%。这说明在研究的范围内，增加翅片数量能一直提升冻结速度，而且它的影响力比翅片长度（Ω）还稍微大一点。为啥呢？因为更多的高导热翅片能更好地把 HTF 的冷量传递到整个容器，让冻结过程更顺利。从温度变化和液体分数变化的曲线来看，它们的趋势很相似，随着结冰过程进行，温度逐渐下降，当螺旋管中间区域完全冻结时，温度会大幅下降。再看看冻结过程的变化，没翅片时冰是圆形的，有两个翅片时变成垂直椭圆形，四个翅片时是正方形，六个翅片时又接近圆形了。这是因为翅片数量增多，冷量能更均匀地向各个方向传递，就好像给 HTF 管穿上了一件更厚、更均匀的 “冷外套”。
5.3 无量纲翅片厚度（Φ）
为了研究翅片厚度对冻结动力学的影响，研究人员进行了不同无量纲翅片厚度的模拟。结果发现，随着翅片厚度增加，冻结速度确实变快了。比如，和没有翅片相比，翅片厚度为管厚度的 1 倍、2 倍和 3 倍时，冻结过程分别加快了 42.29%、48.23% 和 56.95%。不过有意思的是，在开始的 90 分钟内，不同厚度翅片的结果差别不大。这是因为一开始，不同厚度翅片的冻结前沿很相似，但 90 分钟后，冰把管子和翅片周围都包裹住了，这时候翅片的导热性能就变得更重要了，厚翅片能更有效地传递热量，所以冻结速度更快。这也说明，翅片厚度的影响主要集中在冻结过程的后期。如果存储容器是为外部熔化场景设计的，那不同厚度翅片的效果差不多；但如果是内部熔化场景，厚翅片会更好一些。
5.4 翅片方向
研究人员还考虑到在翅片数量较少（比如 Ψ = 2）的情况下，翅片方向可能会影响冻结动力学，于是就进行了研究。他们对比了水平和垂直方向的螺旋纵向翅片，发现水平方向的翅片比垂直方向的翅片性能要好 3.58%。这可有点奇怪，毕竟它们的传热表面积是一样的。从冻结过程的变化来看，没翅片时冻结是圆形的，垂直翅片是垂直椭圆形冻结前沿，水平翅片是水平椭圆形冻结前沿。这是因为 HTF 管中心线每圈的垂直距离和水平距离不一样，水平方向传递冷量更困难一些，所以水平翅片能更好地帮助冷量传递，让整个容器的冻结时间更短。
5.5 温度均匀性分析
研究人员用温度等高线来分析容器在基础配置和最佳配置下的温度分布。没有翅片的情况相变速度最慢，而 Ω = 0.719、Ψ = 6、Φ = 1 的情况凝固速度最快。在整个过程中，容器的流体区域温度很均匀，一直保持在 273.15K，也就是凝固温度。一开始，流体区域温度会有分布，但很快就变得均匀了。因为研究开始时，容器的初始温度比凝固温度高 0.5K，冷却剂流入后，PCM 温度马上降到凝固温度，这时候潜热阻止温度继续下降，PCM 就保持均匀状态，冰在 HTF 管和翅片上一层一层地形成。对比有翅片和没翅片的情况，明显能看出有翅片能加快结冰，让冷量更容易深入容器内部。
总的来说，这项研究通过 3D 模拟，详细研究了螺旋纵向翅片对 PCM 冻结过程的影响。研究发现，合适的翅片长度、数量、厚度和方向都能显著提升冻结速度，改变冻结前沿的形状，还能提高温度均匀性。这对设计更高效的冰蓄冷系统意义重大，就像为空调系统的冰蓄冷技术升级提供了宝贵的指南。不过研究也有可以继续深入的地方，未来研究人员可以从热力学第二定律的角度，分析系统在充放电阶段的性能，还可以进行循环分析，研究不同创新型翅片的性能，做长期经济分析，看看不同翅片在成本效益方面的表现，说不定能发现更多有趣又实用的成果呢！
