关于壳管式太阳能潜热储能装置中不同体积比复合鳍片的实验与数值研究

《Energy》：Experimental and numerical investigation on composite fins with different volumetric ratios in a shell-and-tube solar latent heat thermal energy storage device

本研究针对壳管式太阳能潜热热能存储（LHTES）设备，通过实验与数值模拟分析复合翅片（环形与纵向翅片组合）对热性能的影响。结果表明，复合翅片在相同体积下能更均匀分布轴向温度、加速PCM熔化并提升热存储率与响应率。其中，尺寸变化策略下环形翅片体积占比37.5%时综合性能最优，熔化时间缩短6.75%，热存储率与响应率分别提升7.60%和7.14%。

　　

韩志敏|丁世龙|魏云宇|任胜伟

中国吉林省吉林市东北电力大学能源与动力工程学院

摘要：

提高壳管式太阳能潜热储能（LHTES）装置的热存储性能对于实现太阳能加热系统中热能的高效利用至关重要。然而，其性能受到相变材料（PCM）固有低导热性的限制。为了解决这一问题，本研究重点关注集成到壳管式LHTES装置中的复合散热片。通过结合实验和数值方法，首先对相同散热片体积的环形散热片、纵向散热片和复合散热片进行了比较研究。随后，采用了两种方法（称为数量变化和尺寸变化）来系统地探讨复合配置中环形散热片和纵向散热片的不同体积比如何影响装置的熔化性能。结果表明，与仅使用环形散热片或纵向散热片的配置相比，复合散热片提供了更均匀的轴向温度分布，加速了PCM的熔化过程，并提高了热存储率和热响应率。对于复合散热片的数量变化，当环形散热片和纵向散热片的体积比均为50%时，LHTES装置的性能更佳。对于尺寸变化，当体积比为37.5%和62.5%时，性能表现较好。此外，两种方法的比较显示，当环形散热片的体积比低于50%时，尺寸变化的效果更好；而当体积比超过50%时，数量变化更有优势。在本研究考虑的条件下，当环形散热片的体积比为37.5%时，LHTES装置达到了最佳性能。与数量变化得到的最佳体积比相比，完全熔化时间缩短了6.75%，而热存储率和热响应率分别提高了7.60%和7.14%。

引言

近年来，随着工业化和城市化的加速发展，全球能源需求急剧增加。传统化石燃料的过度开采不仅加剧了资源枯竭，还引发了一系列环境问题，如温室效应和酸雨[1]、[2]。为应对能源危机和环境污染的双重挑战，开发高效清洁的可再生能源已成为能源领域的主要方向[3]。在各种替代能源中，太阳能因其环保性、广泛的可用性和几乎可以忽略的获取成本而被认为是最有前景的选择之一[4]、[5]。然而，其利用受到昼夜交替和气候变化的强烈制约，导致固有的间歇性和波动，阻碍了稳定和连续的能源供应[6]、[7]。为了提高太阳能的利用效率，热能存储（TES）已被广泛研究，并被认为是一种有效的方法来缓解这些不稳定性[8]、[9]。TES主要包括显热存储、潜热热能存储（LHTES）和热化学热存储。其中，LHTES由于其高能量密度、大存储容量以及在相变过程中的近似恒定温度而受到工业应用的广泛关注[10]、[11]、[12]。作为典型的LHTES配置，壳管式潜热热能存储装置使得流经管内的传热流体（HTF）与填充在壳侧的相变材料（PCM）之间进行热交换，从而实现热存储和释放。由于其稳定的热传递和灵活的布置，这种配置在太阳能加热系统（如太阳能热水加热和空间加热[13]、[14]）以及太阳能食品干燥[15]、[16]中具有广泛的可行性和应用潜力。

然而，大多数PCM的固有低导热性导致熔化速率缓慢，这反过来限制了LHTES装置的热存储性能。这一问题已成为太阳能加热系统LHTES设计中的主要瓶颈[17]。为了提高LHTES的热传递性能，提出了各种策略，如加入纳米颗粒[18]、[19]、金属泡沫[20]、[21]和金属散热片[22]。其中，金属散热片由于其强大的热传递能力、低制造成本和适合大规模生产而成为最广泛采用的技术之一[23]。根据其结构配置，常用的散热片包括环形散热片、纵向散热片、拓扑优化散热片和各种仿生散热片。Yang等人[24]、[25]研究了壳管式LHTES装置中环形散热片的几何参数和布置，证明适当设计的散热片数量、尺寸和间距可以显著缩短PCM的熔化时间并提高熔化均匀性。Rathod等人[26]报告称，在铜管外表面附加三个纵向散热片可将PCM的熔化时间减少24.52%。Yagci等人[27]研究了纵向散热片上下边缘长度比的影响，发现当该比值为零时熔化速率最大。Tian等人[28]应用拓扑优化算法，发现在考虑自然对流的情况下，以最小化容量损失为目标设计的散热片表现出更好的协同性能，熔化时间比没有散热片的情况减少了93%。Zhang等人[29]通过实验比较了雪花形散热片和纵向散热片，发现熔化过程中的平均热响应率提高了130.62%，而熔化时间减少了35%。Yu等人[30]证明，受秋葵启发的仿生散热片与传统直形散热片相比，分别提高了熔化率和热存储率58.46%和131.35%。

尽管上述散热片在提高潜热热能存储性能方面取得了积极成果，但从更广泛的工程适用性和进一步性能突破的角度来看，单一散热片结构的增强效果逐渐接近瓶颈。为了解决这一限制，研究人员开始结合不同类型的散热片以实现结构协同和互补的热传递路径，从而更有效地提高LHTES装置的整体热传递能力。Masoumpour等人[31]提出了三角形和矩形散热片的组合，并通过优化其结构参数，最终将LHTES装置的熔化速率提高了57.56%。Fahad等人[32]引入了由矩形散热片和分支散热片组成的复合散热片，并优化了矩形散热片的数量和分支散热片的形状。结果表明，最佳配置将熔化时间减少了84.6%，同时实现了更高的能量存储率。Liu等人[33]通过数值模拟证明，结合环形散热片和纵向散热片的复合散热片结合了两种类型的优点，与相同散热片体积的环形散热片和纵向散热片相比，分别节省了9.5%和21.6%的熔化时间。Cui等人[34]将桶形散热片与纵向散热片结合，发现在不同总散热片体积下，同时增加桶直径和纵向散热片的数量可以使平均热吸收率提高106.7%。Liu等人[35]还研究了由环形散热片和纵向散热片组成的复合散热片，发现它们比单独使用环形或纵向散热片更有效地增强了PCM的热传导和自然对流，且这种优势随着总散热片体积的增加而更加明显。Nie等人[36]研究了由环形散热片和纵向散热片组成的舵形复合散热片，发现增加厚度比和降低高度比可以加速PCM的固化速率。在最佳结构参数下，固化时间比使用环形散热片减少了54.5%。

总之，复合散热片通过整合不同类型散热片的优点，在提高LHTES装置的热传递性能方面表现出显著优于单一散热片的效果。然而，关于复合散热片的现有研究仍处于初步阶段。在复合散热片总体积固定的情况下，不同体积比的环形散热片和纵向散热片对LHTES装置熔化过程的影响尚不清楚，这些体积比的形成机制也尚未充分讨论。此外，两种散热片类型在熔化过程中的最佳体积比也尚未明确确定。此外，大多数关于复合散热片的研究基于数值模拟，实验研究有限。为了解决这些不足，本研究重点关注太阳能加热系统中壳管式LHTES装置内的复合散热片。采用结合实验和数值的方法系统地探讨了不同体积比的环形散热片和纵向散热片对LHTES装置熔化性能的影响。首先，对环形散热片、纵向散热片和复合散热片进行了实验和数值比较，以揭示它们在熔化过程中的性能差异。其次，基于数值模拟，从数量变化和尺寸变化两个角度探讨了不同体积比的环形散热片和纵向散热片的影响，以确定最佳体积比。目的是为壳管式太阳能LHTES装置的工程设计和性能评估提供指导。

实验系统

为了研究装有复合散热片的垂直壳管式LHTES装置中PCM的热性能，设计了如图1所示的实验装置。该装置主要由三部分组成：HTF循环部分、LHTES装置和数据采集系统。对于HTF循环，选择水作为工作流体，并使用硅胶软管作为流动通道。HTF的温度由恒温热水箱维持在278-373 K。

物理模型

在数值模拟中，LHTES装置及其热物理性质与实验结果保持一致。考虑到工程设计中通常通过改变散热片数量和几何尺寸来提高散热片的结构性能，本研究基于这两种变化策略对不同体积比的复合散热片进行了系统设计。详细的设计参数列在表3中。案例a对应于数量变化

三种类型散热片的比较

在本研究中，通过实验和模拟相结合的方法，研究了三种不同类型散热片（即环形散热片、纵向散热片和复合散热片）的热存储性能。图5展示了三种散热片配置在熔化实验过程中的轴向和径向温度变化。如图5(a)所示，在第一阶段的温度范围内，三种散热片的轴向温度迅速升高。这是因为在初始

结论

为了提高应用于太阳能加热系统的壳管式LHTES装置的热性能，本研究重点关注LHTES装置内的复合散热片。在特定操作条件下，采用结合实验和数值的方法比较了三种散热片配置（即环形散热片、纵向散热片和复合散热片）的热存储性能。此外，采用了两种变化策略（数量变化和尺寸变化）

作者贡献声明

魏云宇：方法论、正式分析、数据整理。丁世龙：撰写——初稿、验证、软件、方法论。韩志敏：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、方法论、资金筹集、概念化。任胜伟：研究、正式分析

利益冲突声明

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致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（授权号：52206079）和吉林市科学技术发展计划项目（编号：20240103041）的财政支持。