几何参数和运动干预对隔板式相变热能储存单元熔化性能的影响

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Effects of geometric parameters and kinematic intervention on the melting performance of a separator-plate phase change thermal energy storage unit

　　

•提出了一种新型的隔板式潜热储热单元。
•分别研究了翻转和连续旋转的影响。
•基于内部监测点的瞬态数据分析了传热机制。

引言
在太阳能热利用、工业余热回收、建筑供暖和热管理系统中，热能供应与能量需求之间往往存在显著的时间不匹配 [1], [2]。潜热存储技术利用相变材料（PCMs）以潜热形式储存和释放热能，同时保持温度近似恒定。凭借高储能密度、极小的温度波动和相对紧凑的系统架构，它成为提高可再生能源利用效率和增强热系统运行可靠性的关键策略。与显热存储相比，相变存储可以在较小的温差和较小的材料体积下储存更多的热量。这使其特别适合用于余热回收和间歇性热源输出的平滑化 [3]。然而，如图 1 所示，使用 VOSviewer 对 2020 年以来发表的 5000 篇关于提高潜热储热系统热性能的研究论文进行了关键词共现分析（仅包含频率≥80 的关键词）。结果表明，“导热性”出现频率最高，并与“潜热存储”等主题形成强烈的共现联系，表明导热性增强代表了当前潜热存储性能优化领域中最核心的研究方向。这归因于 PCM 固有的低热导率，它减慢了充放电过程中相变界面的推进。因此，大量研究工作致力于提高导热性的方法，这与关键词共现分析的发现一致 [4], [5], [6], [7]。值得注意的是，在熔化阶段，虽然重力作用下液态 PCM 引起的自然对流在一定程度上增强了传热，但它也会导致显著的热分层。高温液态 PCM 倾向于积聚在储热单元的上部，导致该处过早完全熔化。相反，下部在整个过程中保留一个未熔化的固体核心。这种现象不仅削弱了有效储能容量，还严重损害了温度均匀性和热响应速率 [8]。因此，如何通过合理的干预重构储热器的内部速度场和温度场，打破熔化死角，加速相变过程，已成为学术界和工程界共同关注的核心科学问题。

文献中探讨了各种被动和主动技术来增强壳管式相变储热系统中的传热 [9], [10]。被动强化措施侧重于增加传热表面积、制造高导热路径和优化几何布局以提高热均匀性。这些方法包括添加翅片、掺入金属泡沫或多孔介质、嵌入热管、分散高导热纳米粒子以及使用梯变相变材料 [11], [12], [13]。在这些技术中，翅片因其制造简单、成本低和可靠性高而一直是更具吸引力的强化方法。许多研究表明，各种翅片配置，包括传统直翅片 [14], [15]、环形翅片 [16], [17]、螺旋翅片 [18], [19] 和仿生翅片 [20], [21], [22]，显著增强了潜热存储系统中的传热。然而，虽然翅片增强了热传导，但它们不可避免地分割了液体区域并限制了自然对流的发展。Ao 等人 [23] 发现，64 个翅片给出了最高的熔化率，但降低了储能容量和自然对流，而 20 个翅片产生了最佳的整体性能，最大时间差为 473 秒。Yang 等人 [24] 表明，改变直翅片的数量使完全熔化时间变化高达 72.85%，并且随着翅片数量的增加，局部自然对流减弱。然而，这些研究几乎都假设同心几何结构，忽略了偏心排列可能提供的非对称对流增强。

内管偏心度改变了环形空间的局部厚度，并使热源更接近传热困难区域，从而增强传热。为了解决熔化和凝固过程中不同自然对流条件导致的传热薄弱区域，Modi 等人 [25] 和 Soltani 等人 [26] 都提出在熔化期间安排向下偏心以增强对流并加速相变，然后在凝固期间将储热单元翻转为向上偏心以改善凝固传热。ELSihy 等人 [27] 通过评估偏心度和方向各自如何影响性能，扩展了这项工作。他们发现，将偏心度设为 0.6 使熔化时间缩短了 35.8%，而向上偏心由于压缩了上部自然对流区域，使熔化时间延长了 27.8%。Benyahia 等人 [28] 发现，三角形翅片管系统中的底部偏心使熔化时间缩短了 58%，这种增强远超纳米粒子添加和倾角调整的效果。然而，偏心的益处并非单调增加。Chen 等人 [29] 在一个小型壳管单元中发现，熔化率起初随偏心度上升，随后下降。进一步将偏心度增加到 15 毫米降低了整体熔化率，因为必须减少翅片数量，这限制了初始传导主导阶段的传热面积。这表明偏心度设计必须与其他几何参数一起优化以最大化性能。

PCM 熔化过程表现出明显的动态特征，而传统静态强化结构在整个循环中通常保持不变，使得它们难以同时适应热传导主导阶段、对流增强阶段和残余固体相消除阶段。近年来，主动强化策略引起了广泛关注；它们的共同方法是通过改变重力方向、液相流型和外部干扰条件来重组自然对流和相变界面的分布。与静态几何增强不同，旋转策略赋予系统连续的整体运动，始终使液相处于非稳态力场中，有效削弱底部流动死区，并加速残余固体相溶解。它特别适合解决熔化后期对流衰减阶段的传热恶化问题 [30]。在旋转速度参数的研究中，Lu 等人 [31] 构建了一个可旋转的环形板换热器储热装置。他们的测量证实，30 转/分（rpm）使完全熔化时间减少约 75%，但进一步增加旋转速度对熔化率的收益递减。他们推荐 30 rpm 作为最佳操作速度。Soltani 等人 [32] 的数值工作表明，以 1 rpm 旋转使翅片壳管单元的完全熔化时间缩短了 73.13%，并且这种增强效应随着旋转速度的增加而变强。Huang 等人 [33], [34] 发现，仅仅 0.1 rpm 的旋转就使熔化时间减少了 46.98%，然而一旦转速从 0.5 提高到 1 rpm，收益就大幅缩减，且整体储能容量略有下降。此外，他们将旋转速度与翅片布局耦合优化，发现交替内翅片和外翅片结合 0.5 rpm 旋转相比单一翅片布局减少了 52.64% 的熔化时间。Zhen 等人 [35] 发现，0.1 rpm 和 0.3 rpm 下的完全熔化时间比静态条件下分别短 51.76% 和 73.94%，储能率分别增加了 104.11% 和 263.09%。他们确认了低速旋转提供显著增强效应而高速时收益递减的模式。近年来，少数研究试图将被动策略与旋转机制结合，以探索动静复合增强的可行性 [36], [37], [38], [39], [40], [41]。

与连续旋转形成鲜明对比的是，翻转作为一种间歇性运动干预，涉及在储热过程中的特定时刻将设备旋转 180°，从而瞬间交换高低温区域。与旋转相比，翻转不仅执行器更简单，而且不需要连续操作。然而，迄今为止，关于 PCM 储热翻转干预的研究很少，仍处于概念探索的初级阶段。在有限的现有文献中，Dai 等人 [42] 研究了周期性倒置下的垂直管壳式潜热储热装置。他们报告说，熔化持续时间可缩短多达 33.44%，尽管倒置时刻至关重要。Li 等人 [43] 在方形腔体 LHTES 单元中证实了这一趋势。使用响应面法，他们确定了触发倒置的最佳液相分数为 51.65%，这使得熔化所需时间减少了 25.71%。Huang 等人 [44] 将翻转策略与被动几何优化相结合。使用通过田口法和响应面分析确定的最佳偏心翅片设计，他们应用了单次倒置。这进一步将熔化持续时间缩短了 10.57%，并将平均储能率提高了 6.30%，突显了动静增强组合的潜力。

基于以上分析，尽管主动增强策略在提高潜热存储性能方面显示出巨大潜力，且基于旋转的增强已被广泛研究，但现有工作仍有以下局限性。首先，大多数现有研究将环形空间中的 PCM 视为单一连通区域，很少使用纵向翅片将其划分为独立模块。隔板数量的变化不仅改变了传热面积，还改变了自然对流的分布；然而，这种几何因素影响熔化过程的机制仍不清楚。其次，与旋转增强相比，翻转——一种结构更简单的间歇性主动策略——的研究仍处于早期阶段。大多数现有工作侧重于熔化时间的宏观减少，缺乏对翻转引起的固液相重新分布和流场重构的深入机制解释。第三，当前的性能评估仍主要依赖于液相分数、温度分布和储能容量等宏观指标。关于熔化过程中局部流速和温度动态响应的讨论仍然不足，使得难以提供充足的机制支持来优化主动增强策略。

针对前述讨论的问题，本研究提出了一种基于隔板的壳管式潜热储热单元，其中使用多个纵向翅片将环形空间内的 PCM 划分为几个独立模块。本文首先研究了静态条件下隔板数量和内管偏心度参数对熔化过程的影响机制。在此基础上，引入两种主动增强策略，即翻转和连续旋转，以检验在特定临界液相分数下单次翻转的干预效果，以及连续旋转下旋转速度与隔板结构之间的协同效应。同时，通过部署内部监测点来跟踪熔化过程中局部速度和温度的瞬态变化，构建了一个涵盖多个瞬时变化率的综合评估系统，旨在为这些主动增强策略的机制解释和参数优化提供更充分的依据。

章节片段
物理模型
图 2 展示了带隔板的储热单元的基本配置。该单元采用同心三管设计，总长度为 1 米。图 2(b) 描绘了该单元的二维截面图。所有管的壁厚均为 1 毫米，从最内层到最外层，其半径分别为 10 毫米、35 毫米和 55 毫米。与传统的直翅片不同，本研究使用的翅片实际上是均匀分布的铜隔板

求解器设置和离散化方案
瞬态数值计算采用商业 CFD 软件 ANSYS Fluent 18.0 进行。控制方程采用有限体积法离散。SIMPLE 算法处理压力 - 速度耦合，并采用 PRESTO! 方案进行压力插值，以更好地处理与本研究中自然对流和旋转效应相关的强浮力驱动流，其中可能出现陡峭的压力梯度。

采用二阶迎风格式。隔板数量。本节中，首先在静态条件下分析了隔板数量的影响，然后选择具有 8 块隔板的配置来研究内管偏心度。如图 6 所示，较多的隔板数量导致同一时刻液相分数和平均温度增长更快。将数量从 4 增加到 6 使完全熔化时间缩短了 21.3%，液相分数存在显著差异。结论。基于一种新型隔板式潜热储能单元，本文系统研究了几何参数（隔板数量、内管偏心度）和运动干预（单次翻转、连续旋转）对熔化性能的影响规律，并通过局部温度和速度监测揭示了内在的传热强化机制。主要结论如下：(1) 储能单元的熔化速率随数量增加而增加。CRediT 作者贡献声明 Maosong Zhen：写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念化。Xiao Zhang：可视化，监督，项目管理，概念化。Jiao Wang：监督，项目管理，方法论，概念化。Shouguang Yao：写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，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。Maosong Zhen|Xiao Zhang|Jiao Wang|Shouguang Yao