新型锥形螺旋壳管相变储热系统结构优化与性能提升研究

针对相变材料(PCM)导热系数低及"熔化死区"问题，研究人员通过数值模拟(enthalpy-porosity法)优化锥形螺旋管结构参数(管径/螺距/锥度)，发现最优管径使熔化时间缩短18.9%，新型螺旋管平均储热效率提升36.4%(相比传统圆柱螺旋管)，系统?效率提高6.4%，为可再生能源高效存储提供新思路。

　　

在全球能源结构加速向脱碳转型的背景下，如何高效存储波动性强的可再生能源成为实现碳中和目标的关键挑战。太阳能等清洁能源虽取之不尽，却受昼夜更替和季节变化制约，存在"看天吃饭"的窘境。相变储热技术(LHTES)凭借相变材料(PCM)的高能量密度和近乎恒温的储放热特性，被视为破解这一难题的"金钥匙"。然而现实总是骨感的——石蜡等常用PCM导热系数堪比"龟速"，热量传递慢如蜗牛；更棘手的是，传统螺旋管储热系统中心区域常出现热量无法抵达的"熔化死区"，就像冬天被窝里永远暖不热的脚丫，严重制约系统效率。

针对这些痛点，中国研究人员在《Journal of Energy Storage》发表创新研究，提出一种革命性的锥形螺旋壳管结构。该团队采用enthalpy-porosity(焓-孔隙率)数值模拟方法，系统分析了管径、螺距和锥度三大几何参数对储热性能的影响规律。通过建立12个温度监测点追踪体系，结合固液界面演变可视化分析，揭示了结构优化与热性能提升的内在关联。

物理模型
研究以铜质锥形螺旋管为热交换单元，选用石蜡作PCM，其优势在于高相变潜热、适中的相变温度区间以及与铜管良好的兼容性。通过特殊设计的锥形结构，有效缩小底部螺旋半径，使管壁与系统中轴线的距离始终保持在热扩散有效范围内，从根本上规避"熔化死区"形成。

储热性能
管径参数存在最优阈值：当管径为12mm时，系统熔化时间最短，较基准案例缩短18.9%。螺距减小能增强自然对流，但过小会限制熔融PCM流动；锥度优化则通过改变热流密度分布，使底部储热速率提升27.3%。与传统圆柱螺旋管相比，新型结构的温度场分布更均匀，热分层现象显著改善。

结论
这项研究实现了三大突破：(1)首次量化锥形螺旋管几何参数与储热性能的映射关系，建立"结构-性能"协同优化理论；(2)创新设计的非等径锥形结构将PCM熔化时间缩短34.0%(从4191s降至2765s)；(3)系统平均储热效率提升36.4%，?效率提高6.4%。这些发现为太阳能等间歇性能源的稳定供应提供了关键技术支撑，推动储热系统设计从"经验试错"迈向"精准调控"。

研究团队特别指出，锥形结构产生的二次流效应是性能提升的关键——就像龙卷风的螺旋上升气流，这种流体运动模式显著强化了PCM内部的热量传递。未来若将此项技术与纳米增强型PCM结合，有望进一步突破储热系统的性能极限。该成果已获国家自然科学基金(52376072)支持，为全球能源转型贡献了中国智慧。