储热罐内的热分层：趋势、应用及强化技术

《Journal of Energy Storage》：Thermal stratification within thermal storage tanks: Trends, applications, and enhancement techniques

　　

摘要
热分层是影响基于液体的蓄热罐性能的关键因素，因为它直接影响能量效率、?保留和系统可控性。保持稳定的分层温度剖面允许提取高质量的热能，同时最大限度地减少混合和热损失。近几十年来，对蓄热罐中的热分层进行了广泛的研究，涵盖了在各种应用中的实验研究、数值模拟和分析建模。然而，该领域快速发展和多学科的性质使得清晰地确定主要研究主题、方法论趋势和关键工程挑战变得越来越困难。本文提出了关于蓄热罐中热分层的综合文献计量分析和最新进展。使用 VOSviewer 对 Scopus 数据库收录的出版物进行了系统分析，以映射该领域的演变，识别有影响力的期刊、作者和国家，并揭示文献潜在的潜在主题结构。除了文献计量评估外，还进行了详细的技术分析，以检查分层基础、应用领域和性能指标。根据物理机制，包括流控制策略、内部装置、罐体几何优化和热绝缘措施，对增强和保持分层的技术进行了分类。此外，对实验和数值研究进行了比较分析，以强调方法论的优势、局限性和验证实践。结果提供了当前研究领域的结构化概述，并揭示了关键的研究空白，包括缺乏标准化的分层指标、长期实验数据有限以及流控制和热设计策略集成不足。通过结合定量文献计量映射和定性工程见解，本研究为理解蓄热罐中的热分层提供了一个统一的框架，并为未来的研究和系统设计提供了指导。

引言
在可再生能源整合、区域供热网络和工业余热回收的背景下，蓄热（TES）是提高现代能源系统效率、灵活性和可靠性的关键技术 [1] [2]。在各种 TES 技术中，使用基于液体的储罐的显热储存仍然是最广泛采用的解决方案，因为其技术成熟度高、设计简单且成本效益高。在这些系统中，储罐的热性能在决定整个能源系统的总效率方面起着决定性作用 [3] [4]。支配液体热储存罐性能的基本现象是热分层，它源于储存介质中依赖于温度的密度变化。当分层被保持时，储罐自然分离成温度层，通常特征为上方热区域和下方冷区域，中间由相对较薄的温跃层分隔。这种层状结构允许在放电期间高效提取高温能量，提高?利用率，并减少辅助能源输入的需求。相反，不希望出现的混合和热扩散会导致分层破坏，这会降低储存有效性并损害系统性能 [5] [6]。

储罐中的热分层受浮力驱动流、热扩散和入口动量引起的混合之间的相互作用支配。浮力由于密度差异促进垂直温度分离，导致在热层和冷层之间形成温跃层。相反，湍流和高入口动量倾向于通过引起混合来破坏这种结构，而热扩散随着时间的推移逐渐平滑温度梯度。这些竞争机制之间的平衡决定了不同操作条件下分层的稳定性和持久性。因此，研究工作集中在了解操作参数、入口配置和储罐设计如何影响这些物理过程及其对分层质量的影响 [1] [2] [5] [6] [7]。之前的研究通过实验、数值和分析方法广泛调查了储罐中的热分层，特别强调理解其对热性能和系统效率的影响。综述研究检查了储存材料、操作条件和储罐配置的作用，突出了质量流量、入口温度和流体性质等参数对能量和?效率的影响 [4] [8] [9] [10]。

此外，开发了一系列建模方法来表示温度分布和分层行为，包括多节点和活塞流模型，以及在待机和非动态操作条件下温跃层演变的瞬态分析 [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]。这些研究进一步确定了影响分层稳定性的关键参数，包括入口设计、储罐纵横比和热边界条件，同时也强调了最小化入口引起的混合以保持温度分层的重要性 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25]。

与此同时，人们越来越关注热储存在更广泛能源系统中的整合，包括太阳能热应用和冷却技术，其中分层在管理能源供需不匹配和提高整体系统性能方面起着关键作用 [9] [26]。实验和数值研究表明，保持稳定的分层可以提高系统响应性、能量效率和各种应用中的温度可用性。除了实验研究外，计算流体动力学（CFD）已成为分析分层行为的广泛采用工具，能够详细检查各种设计和操作条件下的浮力驱动流、温跃层演变和混合现象 [1] [27] [28] [29]。这些数值方法为温度分布、传热机制以及几何和操作参数对分层稳定性的影响提供了宝贵的见解。

最近，包含相变材料（PCMs）的混合储存概念已被探索，以增强热储存密度同时稳定储罐内的温度梯度 [30]。此类系统结合了显热和潜热储存机制，在充电和放电条件下均表现出改进的分层性能和能量效率。提出了广泛的技术来增强储罐中的热分层，这些技术可以根据其潜在的物理机制和设计方法进行大致分类。其中，流控制策略代表了一种最广泛研究和有效的方法。不当的入口条件通常产生高速度射流，穿透现有的热层，导致混合和温跃层退化 [22] [27] [31] [32]。为了减轻这些影响，开发了各种入口设计，如扩散器和穿孔管，以减少入口动量并促进温和的逐层充电和放电 [1] [7]。实验和数值研究表明，优化的入口配置通过最小化湍流和保持密度梯度显著提高了分层稳定性 [31]。

另一方面，内部分层装置被广泛用于物理控制流分布并限制罐内的垂直混合。这些包括分层器 [33] [34]、挡板 [35] 和分离器 [36] [37]，其作用是稳定浮力驱动的分层并限制对流运动 [38]。此类装置在操作条件多变的情况下特别有效，此时流扰动更加明显。然而，它们的实施可能会引入额外的压力损失并增加系统复杂性，需要在液压性能和分层增强之间进行仔细的设计权衡 [39] [40]。

另一个重要类别涉及储罐的几何和结构优化。诸如高径比 [19] [23] [27]、储罐形状 [41] [42] 和绝缘配置 [24] 等参数显著影响浮力驱动流模式和温跃层稳定性。高而细的储罐通常通过增强垂直温度梯度和减少横向混合来促进更强的分层 [1] [42]。先进的几何形状，包括非圆柱形状和非均匀绝缘轮廓，也已显示出通过控制热损失和修改流行为来改进分层性能 [24] [41] [42]。尽管它们的设计原理不同，所有这些技术最终都旨在控制支配分层的根本物理机制，即浮力、入口引起的混合和热扩散。流控制策略主要减少湍流和入口动量，内部装置限制对流混合，几何优化增强浮力驱动分离。然而，它们的有效性强烈依赖于操作条件，如流量和温差，没有单一的方法是普遍最优的。这突显了集成设计策略的需求，该策略同时考虑液压、热和几何因素，以在实际应用中实现稳健和稳定的分层。

尽管有关于热分层的大量研究以及提出的广泛增强技术，仍然存在一些重要的挑战。一个关键问题在于缺乏评估分层性能的标准化框架，因为现有研究依赖于多样化的基于温度、基于混合以及基于能量或?的指标，这可能会使不同技术和系统配置之间的直接比较变得复杂。此外，许多研究集中在孤立的或操作参数上，而同时考虑流控制、储罐几何和热边界条件的集成方法仍然相对有限。虽然数值模拟，特别是 CFD，为分层行为提供了详细的见解，但在现实和非动态操作条件下的进一步长期实验验证将加强这些发现的可靠性。瞬态机制的作用，包括同时充电和放电以及可变流条件，由于其实际应用的重要性，也值得更系统的调查。此外，如熵产等热力学指标提供了对不可逆性的更全面度量，但尚未一致地纳入分层评估中。新兴方法，包括 PCMs 的整合和替代工作流体，显示出增强分层和储存密度的潜力，尽管它们对系统级性能的联合影响需要进一步探索。

解决这些挑战需要一种更集成的视角，将研究趋势的定量映射与技术发展的批判性综合相结合。热分层研究快速发展和多学科的性质使得清晰地确定主导主题、方法论趋势和关键工程挑战变得困难。虽然传统的综述提供了有价值的技术见解，但它们往往缺乏对整个领域发展的系统视角。文献计量分析通过映射科学产出、识别有影响力的贡献和揭示新兴研究方向提供了一种互补的方法。在这种情况下，本研究提供了蓄热罐中热分层的结合文献计量和最新进展综述。基于 Scopus 数据库的数据并使用 VOSviewer 分析，该研究检查了研究趋势和主题结构，同时提供了分层机制、应用领域、增强技术和性能评估指标的结构化综合。

章节片段
文献计量分析方法
文献计量分析为评估科学文献提供了系统和定量的框架，能够识别特定研究领域内的研究趋势、有影响力的出版物、主要贡献者和主题关系 [43]。在本研究中，采用文献计量分析来探索蓄热罐中热分层的科学景观，特别强调分层机制、应用领域和文献计量分析与结果
本节展示了为检查热储存罐中热分层的科学景观而进行的文献计量分析结果。基于从 Scopus 数据库提取并使用 VOSviewer 处理的数据集，分析提供了该领域内出版物特征、研究演变和知识结构的定量概述。关键文献计量指标，包括文献类型、时间出版趋势、地理分布
热分层的性能评估指标
虽然提出了广泛的修改设计和操作策略来增强储罐中的热分层，但评估它们的有效性需要稳健和一致的标准 [25]。文献显示了用于量化分层质量 [52]、热效率 [73] 和能量利用 [20] 的性能指标多样性，通常根据应用、实验设置或数值方法而变化 [1] [63]。因此，

结论
本文提出了关于蓄热罐中热分层的综合文献计量分析和最新进展，旨在映射该领域的演变，识别主导研究主题，并批判性地分析与分层热储存系统相关的机制、应用、增强技术和性能评估方法。
文献计量分析显示，过去二十年来出版物数量稳步显著增长，

CRediT 作者贡献声明
M. Reda Haddouche：写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。

未来工作
通过整合分散的知识并突出未解决的挑战，本文建立了关于分层热储能的研究人员的连贯参考框架。未来的研究应集中在集成评估方法、增强技术的比较基准测试、长期系统级性能评估以及自适应分层控制策略的开发，以支持下一代能源系统。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

M. Reda Haddouche
罗维拉 - 维尔吉利大学，机械工程系，西班牙塔拉戈纳