单源熔盐储热系统中环形翅片自然对流强化的三维瞬态流动与传热机制研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Thermo-mechanical behavior of clays: Divergent responses of kaolinite and montmorillonite in temperature-controlled shear tests

本文针对单罐单源熔盐储热系统在加热过程中存在的热分层与局部过热问题，提出一种集成环形翅片的被动流动控制策略。研究人员通过建立三维瞬态CFD数值模型，系统研究了环形翅片径向宽度（hring）和数量（Nring）对熔盐自然对流强度、羽流演化及温度均匀性的影响。研究结果表明，环形翅片可有效破坏热边界层、抑制热羽流快速上升，强化罐底流体混合。优化后的翅片构型（hring=0.055m, Nring=9）可将储热时长延长54.52%，显著改善温度分布的均匀性。该研究为高效、紧凑的单罐熔盐储热系统设计提供了重要理论依据与技术指导。

　　

在全球能源结构加速转型和“双碳”目标持续推进的大背景下，高效、稳定的储能技术已成为实现可再生能源大规模并网、保障电网稳定运行的关键。其中，熔盐储热（TES）系统凭借高能量密度、优良的热稳定性和成本效益，被视为实现深度脱碳的核心技术，在太阳能光热发电、电网调峰、区域供热等领域展现出广阔的应用前景。然而，在结构紧凑、占地面积小的单罐熔盐储热系统中，由于熔盐密度与温度呈反比关系，运行中容易形成显著的热分层现象——即储罐上部形成高温区，底部形成低温区，产生明显的温度梯度。这不仅限制了系统的整体充热速率和储热容量利用率，还会导致局部过热等问题，成为制约此类储热技术效率提升的“拦路虎”。为了攻克这一难题，上海电气集团股份有限公司的研究团队进行了一项创新性研究，其成果发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上。他们独辟蹊径，不再将翅片仅仅视为增加换热面积的“表面积扩展器”，而是将其视为控制流体流动的“阀门”，首次系统地研究了环形翅片在单源熔盐储热系统中的“流动控制”机制。

研究人员为回答环形翅片如何优化单源熔盐储热性能这一问题，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，建立了基于基本守恒定律的瞬态三维计算流体动力学（CFD）模型，并进行了实验验证，以模拟单相瞬态加热过程。其次，构建了详细的物理模型，该模型包含一个内径0.45米、总高0.90米的圆柱形储罐，罐内熔盐填充高度为0.80米，插入一个2 kW的单根电加热棒。在加热棒上集成了由不锈钢制造的环形翅片，并系统性地改变其径向宽度（h_ring，从0.005m到0.12m）和数量（N_ring，从3到13），以研究其参数影响。模型采用了简化的假设，如罐壁绝热、流动为层流等，并应用了对称边界条件以减少计算成本。最后，通过数值求解质量、动量和能量守恒方程，对自然对流、羽流演化和温度分布进行了详细的参数化分析，并计算了表征对流强度的平均瑞利数（Ra_fin）和表征换热效率的平均努塞尔数（Nu_fin）。

研究结果

1. 环形翅片径向宽度的影响

研究人员首先研究了在固定翅片数量（N_ring=3）时，不同径向宽度对储热过程的影响。结果显示，环形翅片的核心作用是“抑制加热棒表面热羽流的快速上升”。翅片作为一个物理屏障，迫使垂直上升的热羽流在遇到翅片时改变流向，产生水平运动并形成局部回流涡。随着翅片径向宽度（h_ring）增加，这种“阻挡效应”显著增强。更宽的翅片能诱发出更大尺度的局部涡流，在翅片上方形成更明显的温度“平台区”，这个平台区就像一个局部的“热蓄水池”，减少了局部温度梯度，削弱了浮升力驱动的流动，从而有效抑制了热量向上部区域的快速输运。因此，增加h_ring可以延缓顶部监测面达到熔盐分解温度的时间，即延长储热时长。然而，这种延长并非通过增强局部换热实现，宽翅片虽然增加了总换热面积，但也降低了局部的瞬时对流强度和换热效率（表现为Ra_fin和Nu_fin随h_ring增加而降低），其本质是通过牺牲局部换热速率，换取整个储罐更均匀、更充分的储热效果。参数分析表明，储热时长的提升率随h_ring增加而增加，但当h_ring超过0.055米后，进一步的提升已十分有限。考虑到材料成本、安装和维护等因素，研究确定h_ring=0.055米为最优径向宽度。

2. 环形翅片数量的影响

在确定了最优径向宽度（h_ring=0.055m）后，研究人员进一步探究了翅片数量（N_ring）的影响。增加翅片数量，本质上是在加热棒上设置了更多、更密集的“流动障碍”。研究结果表明，更多的翅片能更频繁地扰动和偏折上升的热羽流，在罐底区域激发更强烈的自然对流，从而显著加快底部熔盐的温升速度，并抑制热量过早地向罐顶输送。然而，这种正面效应并非无限递增。当翅片数量过多（如N_ring=13）时，过于密集的翅片间距导致在储热中后期，靠近上部翅片的尖端会形成持续的向上羽流，这可能反过来削弱对上部区域自然对流的抑制效果。同时，翅片数量的增加使得熔盐内部形成了更多、更集中的温度“平台”，但单个平台的垂直范围变窄。对比发现，与增加翅片宽度相比，增加翅片数量在延长储热时长方面更为有效。

3. 综合优化与最佳构型

综合以上对径向宽度和数量的参数研究，研究人员找到了延长储热时长和改善温度均匀性的最佳翅片构型：h_ring=0.055米，N_ring=9。与无翅片的单源加热系统相比，该优化构型将储热时长显著延长了54.52%。这主要归功于多个翅片形成的协同“流动控制”机制：它们像一系列精心布置的“湍流发生器”，连续地破坏热边界层，迫使热羽流反复转向，在加热棒周围和罐底区域形成强烈的多级涡旋，极大地增强了流体混合，将热量更有效地“搅拌”并储存在整个储罐体积内，而非仅仅积聚在顶部，从而有效缓解了局部过热，实现了显著更均匀的温度分布。

结论与意义

本研究通过系统的数值模拟，揭示并量化了环形翅片在单源熔盐储热系统中作为一种被动流动控制元件的关键作用。与以往在相变材料（PCM）中主要将翅片用作“导热增强器”的思路不同，本研究首次从“流动控制”的新视角出发，阐明了环形翅片通过破坏热边界层、偏折热羽流和诱导多级涡旋三种耦合机制来抑制热分层的作用原理。研究明确了“增加翅片数量以增强流动扰动频率”比“单纯增加翅片径向宽度以扩大换热面积”更能有效延长储热时长，澄清了两者之间的竞争机制。所获得的最佳翅片构型（h_ring=0.055m, N_ring=9）为单罐熔盐储热系统的工程设计提供了具体、可量化的优化方案。这项工作不仅为解决熔盐储热系统中的热分层和局部过热难题提供了一种高效、低成本且易于实施的被动解决方案，更重要的是，它推动了翅片在熔盐这类以自然对流为主导的高普朗特数流体中的应用范式转变，即从“扩展面积”转向“调控流动”，为未来开发更高效、更紧凑的熔盐储热装置奠定了重要的理论基础，对推动可再生能源的高效利用和储能技术的发展具有重要的理论和工程应用价值。