关于高温固体储热装置传热结构优化研究

《Journal of Energy Storage》：Research on the optimization of heat transfer structure of high temperature solid heat storage device

提高高温固体热存储设备性能的参数优化研究，采用Box-Behnken设计、CFD模拟和响应面法分析孔隙率、通道尺寸、铝板配比等结构参数对热释放效率和整体能源效率的影响，实验验证显示优化后设备热释放效率提升7.7%，整体能源效率提高6.6%。

　　

陆世磊|王宇涵|林全毅|郑杰浩|李博阳|王然

天津大学环境科学与工程学院，中国天津，300354

摘要

固体热能存储（TES）通过在非高峰时段储存热量并在高峰时段释放热量，可以有效平滑电力负荷曲线并提高电网稳定性。然而，现有的固体热能存储装置仍存在热释放效率低和热释放成本高的问题，这限制了其实际应用效果。本研究旨在提高热能存储装置的热性能。采用Box-Behnken设计（BBD）、计算流体动力学（CFD）仿真和响应面方法（RSM）来分析热传递结构参数对装置热存储和释放性能的协同影响机制，并确定最佳的结构参数组合。仿真结果表明，随着热存储单元孔隙率的提高，热释放效率显著提升，但空气通道厚度的增加则会降低热释放效率。此外，在热存储单元中加入铝板可以有效提高热导率。实验验证表明，优化后的装置 primary 热释放效率提高了7.7%，整体能源效率提高了6.6%，显示出显著的性能提升。本研究采用多因素协同优化方法，为高温固体热能存储装置的优化设计和工程应用提供了指导。

缩写说明

缩写

BBD	Box-Behnken 设计
CFD	计算流体动力学
RSM	响应面方法
TES	热能存储

符号说明

B热存储单元宽度b空气通道宽度C成本H热存储单元厚度h空气通道厚度L热存储单元长度t时间周期

a	铝板添加比例

希腊字母符号

热存储单元孔隙率η效率

ε

研究方法

本研究旨在提高高温固体热能存储装置的热存储和释放性能。通过仿真与实验验证相结合的方法，对热传递结构进行了优化研究。首先建立了一个实验测试系统，以评估预优化的高温固体热能存储装置的性能，从而获得基准性能指标，用于验证后续的数值模型。

铝板对热存储单元热释放性能的影响

热释放过程中的热传递包括两个部分：空气与热存储单元在热交换通道表面之间的对流热交换，以及热量从热存储单元外部向内部的传导。图3.1和图3.2从曲线和云图的角度比较了铝板添加比例 $a$ 对热存储单元的温度分布和热释放特性的影响。

研究局限性与未来工作

本研究系统地对热存储单元的内部结构进行了参数分析和优化，取得了显著成果。然而，该模型仍有改进空间。首先，CFD模型中采用的对称性和绝热边界条件简化了实际运行条件，未考虑热存储单元阵列之间的横向热传递或向周围环境的散热损失。

结论

本研究旨在提高高温固体热能存储装置的热存储和释放性能。通过结合数值分析和实验方法，系统研究了热传递结构参数对装置热性能的影响。通过优化热存储单元的尺寸并引入热传递增强结构，显著提升了装置的实际性能。

CRediT 作者贡献声明

陆世磊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，资源协调，项目管理，方法论制定，资金筹集，概念构思。 王宇涵：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化处理，形式分析。 林全毅：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。 郑杰浩：数据收集与整理。 李博阳：可视化处理，形式分析。 王然：监督，项目管理。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了 国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3807100）、国家自然科学基金（项目编号：52408124）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M762362）以及 天津市自然科学基金（项目编号：24JCQNJC01840）的支持。