中试规模硝酸盐翅片管潜热热能存储系统中流动方向相关的凝固与热阻演变

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Flow-direction-dependent solidification and thermal resistance evolution in a pilot-scale nitrate-salt finned-tube latent heat thermal energy storage system

　　•中试规模LHTES系统用于研究翅片几何形状与放热流动方向的耦合效应。
•螺旋翅片增强局部熔化，而H形翅片改善长程热渗透。
•反向放热通过改变液态PCM的再分布来改变凝固路径。
•自下而上放热维持较低的PCM侧热阻和优越的放热性能。
•流动方向与翅片几何形状共同决定凝固过程中的热阻演变。

引言

潜热热能存储（LHTES）被认为是提高可再生能源利用灵活性[1]、工业余热回收[2]以及高温热系统[3]的有效技术。与显热存储相比，LHTES在相变过程中能够提供更高的能量密度和相对稳定的运行温度，因此对中高温应用特别具有吸引力[4]，[5]。然而在实际系统中，LHTES单元的热性能不仅取决于相变材料（PCM）的热物理性质，还取决于传热流体（HTF）流动布置[6]、相变演变[7]以及内部传热结构[8]之间的耦合。这一问题对于大型多管存储模块尤为重要，因为空间温度分布、液相自然对流和凝固路径会强烈影响储/放热速率和运行稳定性。

已有大量研究致力于改善壳管式LHTES系统的传热性能。现有研究主要集中在传热强化结构上。这些研究表明，翅片几何形状通过改变热传导路径、自然对流强度和相界面传播，能够显著影响PCM的熔化和凝固行为。Hassan等人[9]实验研究了无翅片、纵向翅片和环形翅片的垂直壳管式LHTES系统的充热行为。与无翅片构型相比，纵向翅片和环形翅片构型的充热时间分别减少了约70%和50%，表明翅片结构在PCM熔化过程中对强化传热具有重要作用。Yang等人[10]数值研究了翅片数量、翅片高度和翅片厚度对配有环形翅片的垂直壳管式LHTES系统相变行为的影响。结果表明，引入环形翅片可将熔化时间减少约65%。在后续研究中，Yang等人[11]进一步优化了环形翅片的间距和布置，以减少熔化过程中的热不均匀性，并通过实验观测与数值模拟相结合，定量分析了液相分数和温度演变。他们还提出将金属泡沫集成到环形翅片LHTES系统中，以进一步改善充/放热性能[12]。

此外，Tiari等人[13]提出了直径可变但总体积相同的环形翅片。与无翅片构型相比，等径翅片、渐扩翅片和渐缩翅片的充热时间分别减少了84.1%、85.77%和58.5%，相应的放热时间分别缩短了68.21%、65.34%和44.0%。除了传统翅片构型外，还提出了各种仿生和先进翅片结构，以进一步优化LHTES系统的充/放热性能，包括Y形翅片[14]、拓扑优化翅片[15]、树形翅片[16]、蛛网管翅片[17]、三管翅片[18]、纵向三角形翅片[19]以及其他创新传热强化结构。一般来说，熔化过程在液态PCM形成后受浮力驱动的自然对流强烈影响，而凝固过程则更依赖于通过不断增长的固体层的导热传热。因此，充热期间的最佳翅片结构在放热期间不一定仍然最佳，尤其是当主导传热机制从对流增强熔化转变为阻力控制凝固时。

除了结构优化外，运行条件和流动布置在决定LHTES系统动态行为方面也起着重要作用。以往研究调查了HTF入口温度、流量、充/放热策略以及边界条件对热性能的影响。已有研究还表明，壳管式LHTES单元的几何布置对PCM熔化和凝固行为有强烈影响。已有研究比较了水平和垂直壳管构型在相变演变和储热性能方面的差异[20]，[21]。Panisilvam等人[22]通过实验进一步比较了垂直和水平构型，并报告水平布置促进更快的PCM熔化，这主要是由于自然对流发展的差异。此外，还考察了存储单元的倾斜角度，发现较大的倾斜角度在浮力驱动对流作用下加速上部PCM区域的熔化，并缩短总体熔化时间[23]。这些研究表明，换热器的空间布置能够显著改变自然对流和相界面传播。

多管和三管构型已被广泛用于强化LHTES系统的传热。Joybari等人[24]和Shen等人[25]也优化了多管LHTES系统的传热性能。此外，Al-Abidi等人[26]实验研究了带内部和外部翅片的三管换热器用于PCM凝固，而Abdulateef等人[27]通过实验和数值方法比较了三管构型中的纵向翅片和三角形翅片。结果表明，与纵向翅片相比，三角形翅片将PCM熔化速率提高了11%–15%。Mahdi等人[28]，[29]进一步分析了翅片布置和纳米颗粒强化对三管换热器中PCM熔化的影响。

运行参数（如HTF流量和入口温度）的影响也已得到广泛研究，尽管这些研究主要集中于常规边界条件。Murray和Groulx[30]使用水作为HTF研究了月桂酸的连续充热和放热，发现增加HTF速度会缩短熔化时间，但其对凝固的影响有限。他们随后的工作[31]进一步表明，液态PCM中的自然对流增强传热，而固态PCM的低热导率限制凝固过程中的传热。Zhang等人[32]报告说，HTF质量流量和PCM热导率都显著影响放热时间；对于纯熔盐，将HTF质量流量从0.0725 kg/s增加到0.1387 kg/s，放热时间从9940 s减少到5390 s，而镍泡沫/熔盐复合PCM与纯熔盐相比，放热时间缩短了约23.3%。

然而，以往大多数研究都是在常规HTF流动布置下进行的，流动方向对凝固过程的影响受到的关注较少。在大型LHTES系统中，改变放热流动方向可以改变HTF冷却、浮力驱动的PCM再分布和凝固前沿传播之间的耦合，从而影响PCM侧热阻和整体放热性能。

这一问题对基于硝酸盐的中温LHTES系统尤为重要。由于固态和液态PCM之间的密度差异，充热通常采用自上而下的HTF流动方向。在放热过程中，常规的自下而上流动通常被认为是有利的，因为随着凝固的进行，液态PCM可以保持与传热表面的连续热接触。相反，反向自上而下放热可能导致上部PCM首先凝固，而剩余的液态PCM可能倾向于向下再分布，从而可能降低上部传热表面的有效参与度。然而，在这种反向放热模式下的热响应、放热特性和阻力演变仍然知之甚少。此外，不同翅片几何形状如何响应于改变的凝固路径尚不清楚。

为了解决这些问题，实验和数值研究了配备螺旋翅片管（SFT）和H形翅片管（HFT）的中试规模圆柱形LHTES模块。比较了常规自下而上和反向自上而下放热模式，以揭示流动方向对热响应、凝固行为、放热性能和热阻演变的影响。进一步采用数值模拟分析液相分数演变、速度场和温度分布，为实验观测提供物理解释。结果为放热流动方向和翅片几何形状对大型LHTES系统放热行为的联合效应提供了新见解。本中试规模LHTES系统旨在用于中高温热能存储应用，如工业余热回收以及火电厂和其他高温能源系统的灵活热能管理。

章节片段

实验装置配置

热能存储（TES）系统由四个相互关联的部分组成，如图1所示。在充热过程中，由电加热器加热的HTF流入圆柱形TES模块，并将能量传递给PCM。在放热阶段，离开TES单元的HTF通过水冷换热器，在重新进入加热器之前释放储存的能量。主要组件的主要特性总结于表1。

(1) 圆柱形TES

充热热响应和数值分析

图5(a)显示了充热过程中SFT和HFT支路的HTF流量。两个支路在整个实验过程中表现出几乎相同的流量变化，平均流量分别为14.14 L/min和14.11 L/min。因此，两个翅片管区域之间的热响应差异并非由流量不平衡引起，而主要与翅片结构的传热特性及其与周围PCM的相互作用有关。

结论

本研究实验和数值研究了翅片结构和放热流动方向对中试规模圆柱形LHTES模块热行为的影响。主要结论如下：

(1) 在充热过程中，SFT表现出比HFT更强的整体热吸收。SFT和HFT的平均充热传热系数分别为117.00 W/(m2·K)和101.22 W/(m2·K)。这一优势主要归因于SFT较大的传热面积，

CRediT作者贡献声明

吕来泉：写作——初稿，验证，调查，数据管理。周浩：项目管理，方法学，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM303）的支持。

吕来泉|周浩