热储存罐系统的性能提升：受金桶仙人掌结构启发的创新设计

《Energy》：Performance improvement of heat storage tank systems: Capsule innovations inspired by golden barrel cactus structure

　　

Karem Elsayed Elfeky|Abubakar Gambo Mohammed|Walid Gaber Alshaer|Jiaqi Wang|Kun Ge

哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

在填充床式热能储存系统中，有限的热传递速率限制了充放电效率，尤其是对于平滑相变材料（PCM）胶囊而言。这一限制对整体热性能产生了不利影响，并在实际的大规模应用中带来了挑战，特别是在保持无方向性和易于聚集方面。受仙人掌结构的启发，本研究提出了一种带肋的仙人掌PCM胶囊作为新型设计，以改善PCM胶囊的热性能。首先量化了平滑和带肋仙人掌PCM胶囊在受限通道中的流动和热传递情况，以评估肋状几何结构对热性能的影响。对肋数、深度和宽度的系统分析表明，肋状设计显著增强了热传递效果。结果表明，新型带肋仙人掌PCM胶囊通过增加表面积和延缓流动分离，显著提高了PCM的熔化和热传递效率。表面肋状结构将平滑胶囊的分离角度从97.8°–91.8°提高到了120.5°–105.9°，从而改善了对流性能和尾流稳定性。创新的带肋仙人掌PCM胶囊设计使热传递效率提高了320 K，用时仅为1254秒——比平滑胶囊快约32.8%。总热传递量从18.9 W增加到40.8 W，提高了约116%，而充放电时间则减少了约33%。

引言

随着化石燃料的逐渐枯竭，环境问题在社会中受到了越来越多的关注[1]。因此，太阳能已成为满足未来能源需求最重要的可持续替代方案之一[2]。在全球对清洁能源需求不断增长的推动下，太阳能现已被广泛应用于许多领域[3]。在这种背景下，储能技术作为一种有前景的解决方案应运而生，它能够实现长期和高密度的能量储存[4]。光伏发电和太阳能热利用是太阳能的主要应用方式[5]。为了缓解太阳能的时空分布不均问题，热储存技术至关重要[6]。这些技术可以分为三类：显热储存、热化学储存和潜热储存[7]。其中，潜热储存因其经济性、可控的规模和光明的前景而脱颖而出[8]。

在填充床系统中使用潜热储存机制引起了广泛关注[9]。这得益于其高热储存密度、低热损失、低成本以及成熟的技术准备[10]。太阳能发电厂、建筑行业、电子行业和冷链运输都广泛采用了填充床系统[11]。这些系统利用相变材料（PCM）的熔化和固化过程来储存能量[12]。一个典型的系统包括储热罐、传热流体（HTF）、PCM和胶囊外壳[13]。胶囊外壳不仅封装了PCM，防止泄漏，还显著影响了系统的整体热传递效率[14]。

众所周知，传统的球形[15]和圆柱形[16]胶囊的整体性能较差。为了克服这些限制，科学家们致力于改进胶囊结构。Kursun等人[17]仅通过数值模型研究了三角形、圆形和方形外壳以及中空PCM与中空管对PCM熔化速率的影响。Tian等人[18]提出了一种受线粒体启发的带肋鳍片的胶囊设计。Yan等人[19]提出了一种适合填充床配置的波浪形胶囊外壳。尽管这种设计在一定程度上阻碍了固化过程，但波浪形壁面的凹陷和凸起阻碍了液态PCM的运动，从而显著提高了接触熔化的平均热传递系数。最近的研究探讨了非球形和表面工程化的胶囊，以解决与光滑球体相关的问题，尽管球形胶囊由于其结构韧性和可预测的堆积行为而仍然最受欢迎[20]。多项研究致力于优化胶囊配置以提高效率[21]。Athawale等人[22]发现，在非结构化填充床中，入口温度和流速的影响不那么明显；然而，胶囊尺寸变得至关重要，减小胶囊尺寸可以显著加快熔化速率。Khobragade等人[23]在研究倾斜角度对PCM熔化的影响时得出结论，水平方向促进了底部自然形成的对流区域，从而提高了熔化速率。这一结论也适用于带有鳍片的储热罐系统。

根据仿生学原理，提高填充床式潜热储存系统的有效性需要创造一个“无方向性且易于堆叠”的相变过程。Wang等人[24]通过用凹凸结构替代鳍片，将净功率输出提高了173.60%，同时将压降降低了20.57%。高尔夫球是一个经典的例子，其球形表面具有凹凸结构，可以减少空气阻力[23]，[25]。实验表明，Aoki等人[26]发现，与光滑球体相比，高尔夫球的流动阻力更小，因为凹凸球体的关键过渡发生在较低的雷诺数下。Dong等人[27]提出了一种仿生椭圆胶囊，并使用实验和数值技术比较了其内部和外部流动及热传递特性。Mohaghigh等人[28]建议使用梨形胶囊结构，其熔化时间比传统圆柱形结构更快。Chen等人[29]研究了光滑和受高尔夫球启发的PCM胶囊的流动、内部相变特性和热传递情况，发现凹凸设计表现更好，实验和数值熔化时间仅相差4.72%。文献综述表明，传统球形PCM胶囊的优化主要集中在通过增加热通量（通常通过胶囊表面的小凹陷实现）来提高熔化速率。然而，这些方法存在固有的缺点，因为深凹陷会干扰流动规律性，增加流动阻力 and 压降，并产生阻碍高效热传递的循环区域。为了克服这些限制，本文提出了一种结合了金桶仙人掌（Golden Barrel Cactus）的肋状结构和传统球形简单性的混合生物启发式胶囊设计。为了改善光滑球形胶囊固有的热传递效率不足的问题，所提出的带肋仙人掌PCM胶囊采用了纵向肋状结构（沿胶囊表面的纵向凸起结构），同时省略了更细小的刺状结构，以降低计算成本和几何复杂性。本研究的主要贡献如下：(1) 通过评估新型带肋仙人掌PCM胶囊的阻力系数（C_d）和努塞尔特数（Nu），并与不同通道与胶囊直径比（W/D）下的光滑球体进行比较，确定了壁效应区域。(2) 使用C_d、湍流强度、动能、Nu、热通量和总热传递量，评估了肋数、深度和宽度对流动和热性能的影响。(3) 通过焓-孔隙率方法比较了光滑和新型带肋仙人掌PCM胶囊的PCM熔化情况。这些结果为设计先进的球形PCM胶囊用于热能储存提供了新的见解。

章节摘录

物理模型的创新方面

如图1所示，我们的发明提出了一种新的混合几何设计，结合了受金桶仙人掌（Echinocactus grusonii）启发的肋状结构和传统球体的简单光滑表面。

这种生物启发式的形状旨在解决光滑球形胶囊在热管理和PCM应用中普遍存在的热传递性能不佳的问题。该设计显著提高了有效

网格独立性验证

网格独立性验证包括两个阶段。首先，通过确定N_R=4的带肋仙人掌PCM胶囊的流动情况来评估网格，使用C_d和Nu作为指标，在Re = 4.5×10⁴的条件下进行评估。其次，以液体分数的时间波动为主要指标，通过分析球形胶囊的PCM熔化过程来评估网格。由于凹凸结构的几何复杂性，所有计算模拟都使用了非结构化网格

结果与讨论

在本研究中，使用流体动力学、热学和湍流指标系统地分析了受限通道中光滑和带肋仙人掌PCM胶囊的流动和热传递特性。速度场和分离角度显示了尾流的产生，而阻力系数用于确定流动阻力。平均努塞尔特数、表面热通量、总热传递率和整体导热性用于评估热传递性能。

结论

本研究提出了一种创新的混合几何设计，结合了受金桶仙人掌（Echinocactus grusonii）启发的肋状结构和传统球体的简单光滑表面。通过数值分析评估了新型带肋仙人掌相变材料胶囊在受限填充床系统中的流动和热性能，显示出比传统光滑相变材料胶囊显著的优势。

CRediT作者贡献声明

Jiaqi Wang：可视化、验证、监督、软件开发、资金获取、正式分析。Kun Ge：可视化、验证、监督、资源管理、调查、数据整理。Abubakar Gambo Mohammed：可视化、验证、资源管理、概念构思。Walid Gaber Alshaer：可视化、软件开发、资源管理、方法论研究、数据整理。Karem Elsayed Elfeky：撰写初稿、监督、软件开发、调查、资金获取、正式分析、数据整理

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：W2533153）、哈尔滨工程大学（项目编号：3072025CFJ0301）、黑龙江省杰出青年自然科学基金（项目编号：YQ2023E029）以及国家自然科学基金（项目编号：52306192）的财政支持。