《Energy Conversion and Management》：Heat transfer performance and stability of novel gravity heat pipes for distributed thermal energy storage and heating
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两相流热管系统动态性能与结构优化研究，提出热管-PCM-鳍片集成系统，实验分析加热功率、填充比及冷凝器长度对热性能影响，发现15%填充比下热阻最低（0.02℃/W），温度均匀系数0.054，环状流主导两相循环周期2.36秒，揭示冷凝器长度需与填充比匹配的规律。
Jian’an Tian|Kaiheng Chen|Ziqi Cao|Changhui Liu|Jiateng Zhao
中国矿业大学低碳能源与动力工程学院，徐州221116，中国
摘要
在可变工作条件下，热管的热性能和运行稳定性对于基于热管的热能存储系统中充放电循环的动态同步至关重要。面对分散式和清洁供暖的需求，提出了一种新型集成系统，该系统将热管与相变材料和翅片结构相结合。实验研究了这种新型热管的传热性能和内部两相流动演变。随后，探讨了加热功率、填充比（FR）和冷凝器长度对新型热管热性能以及局部沸腾现象的影响。结果表明，填充比对启动性能至关重要，过高的填充比会显著延迟启动过程。最佳传热性能在填充比为15%时实现，此时热阻最小为0.02°C/W，温度均匀性系数为0.054。流动可视化显示，环形流动是主要流动模式，工作流体循环周期为2.36秒。此外，冷凝器长度必须与填充比和加热功率适当匹配。具体来说，长冷凝器与低填充比结合可能导致液体回流不足；而在高填充比和高加热功率下，冷凝器长度的影响减弱，较长的冷凝器表现出更好的热响应。这项研究证实，热管的高效稳定运行需要多个参数的协同优化。
引言
随着能源结构向可再生能源转型，电力系统中的峰谷差异不断扩大，存储和稳定供应间歇性热源（如工业废热和太阳能）已成为关键挑战[1]、[2]、[3]。在各种储能技术中，传统的显热储能往往受到传热性能有限和热响应迟缓的限制[4]、[5]、[6]。相比之下，潜热储能由于相变材料（PCMs）的高能量密度和多源兼容性，在提高储能单元的动态响应方面具有显著优势[7]、[8]、[9]、[10]。然而，PCMs的低固有热导率严重限制了其充放电速率[11]、[12]、[13]。利用热管的优异等效热导率来增强传热的热管辅助潜热储能，为热能存储技术的发展提供了有效途径。
在基于热管的储能系统研究中取得了显著进展，特别是在提高传热效率和运行可靠性方面[14]、[15]、[16]。赵等人[17]开发了一种嵌入式热管储能模块，测试表明在放电过程中最大径向和轴向温差分别低于5°C和12°C，这使得系统能够实时响应负荷变化并快速重新分配热量。张等人[18]提出了一种将潜热储能单元与重力热管（GHP）结合的新方案，数值模拟表明平均热源温度降低了48.4%，有效缓解了热冲击。胡等人[19]构建的重力辅助热管储能单元中，PCM内的最大温度梯度仅为2.2°C。Robak等人[20]通过嵌入GHPs提高了潜热储能系统的储热能力，监测了PCM的熔化和固化速率以及能量存储量，发现加入GHPs后PCM的熔化速率提高了约60%。
作为热能存储系统的核心传热组件，热管依靠工作流体的相变实现高效传热，能够在无需外部动力的情况下通过最小截面传输大量热流[21]、[22]。GHPs结构简单、维护成本低且运行可靠，在工业废热回收[23]、[24]、地热能开发[25]、[26]、[27]和太阳能利用[28]、[29]中展现出广泛的应用潜力。其工作原理要求冷凝器部分位于蒸发器上方；工作流体在蒸发器中吸收热量后蒸发，在压力差作用下上升到冷凝器释放潜热，然后通过重力返回蒸发器，形成连续的相变循环。近期研究集中在通过可视化手段研究内部两相流动机制并优化GHP结构以扩展应用范围。关于流动可视化，Sichamnan等人[30]研究了不同内径耐热玻璃制成的GHPs内的工作流体流动行为，观察到了典型的流动模式（如气泡流、塞流和湍流），这些模式直接影响GHPs的传热速率。Kim等人[31]使用水、丙酮和HFE7100作为工作流体研究了GHPs的传热和流动特性，发现水具有最高的冷凝传热系数（主要通过滴状冷凝）。相比之下，丙酮在较薄的液膜下表现出稳定性能，而HFE7100容易发生液滴夹带。Pabón等人[32]监测了玻璃GHPs间歇沸腾过程中的内部压力变化，提出了一种新的间歇沸腾传热机制。他们重点分析了气泡成核、生长和破裂的过程，发现冷凝回流过程中下降的液体与液池表面相互作用，气泡被液体困住，成为“成核点”。
此外，Hamideh等人[33]研究了一种新型GHP，该GHP具有方形金字塔形蒸发室和双管冷凝器，在90W功率下实现了79.6%的峰值热效率，并扩展了临界功率限制。类似地，Liu等人[34]发现，在封闭的蒸汽腔内使用锥形表面可将传热系数提高1.4倍。Luo等人[35]通过集成多个热管实现了0.0355°C/W的超低热阻和更好的温度均匀性。为了应对复杂运行环境，Yi等人[36]开发了一种弯曲的超薄蒸汽腔，并系统阐述了倾斜和机械振动对其热性能的耦合影响。此外，Hsieh等人[37]研究了一种重力辅助的扁平蒸汽腔，报告其热扩散阻力仅为相同尺寸散热器的15%，且在热流限制为220W/cm2的情况下仍能保持稳定运行。Y. Naresh等人[38]提出了一种内部带翅片的GHP，冷凝器内装有矩形轴向翅片，确定了最佳填充比为50%，翅片的额外冷凝效应提高了传热性能。Priya等人[39]分别在蒸发器出口和冷凝器入口采用了锥形和扩口结构，与传统均匀几何形状相比，这种设计使传热系数提高了85.68%，壁温降低了11.9%。虽然这些研究主要集中在通过表面微修改或使用复杂复合管道扩展散热边界来增强局部沸腾，但在优化宏观腔体几何形状以同时提高蒸发空间利用率和冷凝液回流效率方面仍存在研究空白。
先前的研究表明，热管结构的合理设计对热管辅助热能存储系统的充放电过程动态协同性和运行稳定性具有关键影响。为了满足中国南部没有集中供暖网络或非固定结构（如住宅建筑、边远前哨站和临时医疗庇护所）的清洁高效供暖需求，设计了一种适用于分布式高效热能存储和稳定供暖的新型热管/PCM/翅片耦合系统。相关研究主要集中在GHP上，GHP是系统中的核心传热组件。此外，其蒸发部分采用了方形液体腔结构，提高了设备空间利用率，并允许更大的工作流体容量，防止蒸发器局部干涸。通过建立全面的传热和可视化平台，研究了GHP在各种加热功率和填充比下的启动特性、热性能和运行稳定性。此外，还基于冷凝器长度等参数建立了多维温度响应热图。本研究旨在通过结构优化提高GHP的传热性能，并阐明内部两相流动机制，为未来的研究提供坚实的理论基础和实验依据。
实验装置
设计了一种新型耦合系统，集成了热管、PCM和翅片，以满足热能存储需求并缓解建筑供暖与功率负荷之间的时间不匹配问题。图1(a)和(b)分别展示了实际设备和其示意图。该装置由四个主要部分组成：底部的加热单元、GHPs、PCM和散热模块。每个GHP与散热模块共同构成一个独立的热存储单元。
新型GHP的启动特性
热管的启动是从初始热平衡状态到高效运行的动态转变过程。这一特性直接决定了GHP的响应速度和运行稳定性。优异的启动性能对于提高整个系统的能量效率至关重要，壁温分布是评估运行稳定性的关键指标。图2(a)～(d)展示了在不同加热功率下壁温的变化情况
结论
设计了一种没有传统吸液芯结构的新型GHP，采用方形蒸发室以增加与热源的接触面积，从而提高传热效率。热管由蒸发器和冷凝器部分组成，后者连接到外部空气管道和风扇以实现主动冷却。使用去离子水作为工作流体，并结合可视化技术，系统研究了该GHP的启动特性
CRediT作者贡献声明
Jian’an Tian：撰写——原始稿件、研究、数据整理。Kaiheng Chen：撰写——审稿与编辑、研究。Ziqi Cao：撰写——审稿与编辑、研究。Changhui Liu：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取。Jiateng Zhao：撰写——审稿与编辑、监督、研究、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52506290）和中央高校基本科研业务费（编号：2023ZDPY12）的支持。
