基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展_戴宇成.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展戴宇成1，王增鹏2，刘凯豹1，赵佳腾1，刘昌会1（1中国矿业大学低碳能源与动力工程学院，江苏 徐州 221116；2西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049）摘要：相变储热是具有广阔应用前景的储能技术之一，具有储热密度大、相变温度稳定等优点，但相变材料的热导率低制约了相变储热技术的发展。提升相变材料的热导率和储热器件的传热速率是有效的解决途径。针对相变材料热导率强化研究进展有大量综述，而对于储热器件层面的传热强化的总结较少，本文回顾了近10年国内外在储热器及其传热强化研究方面的进展。为适应不同应用需求，不同类型的相变储热器应运而生，根据储热器的工作模式和结构可以分为管壳式、填充床式、板式、热管式4类，本文系统地介绍了4类储热器的工作原理、优缺点以及强化传热研究，主要比较了结构优化后的储热器与传统储热器的传热速率和储/放热性能，结果指出对储热器的内部结构进行改进及拓展外部结构等方法能有效增加储热容量和储/放热速率，对于提高系统相变储热能力具有积极作用，分析表明后续的研究应该明晰储热器内部多相耦合传热机制，增强储热器对动态工况适应能力，拓宽应用范围。关键词：相变储热；储热器件；结构优化；传热强化doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0605 中图分类号：TK 172 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-431-28Research progress of heat storage and heat transfer enhancement based on phase change materialsDAI Yucheng1,WANG Zengpeng2,LIU Kaibao1,ZHAO Jiateng1,LIU Changhui1(1School of Low Carbon Energy and Power Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu,China;2School of Energy and Environmental Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,Shaanxi,China)Abstract:Phase change thermal energy storage is one of the energy storage technologies with a wide range of applications due to its advantages of high heat storage density and stable phase transition temperature,but the low coefficient of thermal conductivity of phase change materials(PCM)has hampered the further development of this technology.It is an efficient method of increasing the thermal conductivity of PCM as well as the heat transfer rate of the thermal storage device.There have been a large number of review articles published on the research progress of thermal conductivity enhancement of PCM,but there have been fewer summaries for heat transfer enhancement of the heat storage device.This paper reviews the research progress of heat storage devices and their heat transfer enhancement over the last decade.To meet various application needs,different types of phase change heat 储能材料与器件收稿日期：2022-10-19；修改稿日期：2022-11-26。基金项目：国家自然科学基金项目（51906252），江苏省自然科学基金项目（BK20190628），中央高校基本科研业务费专项资金（2021QN1065）。第一作者：戴宇成（1998），男，硕士研究生，研究方向为热管和相变储热，E-mail：TS21130008A；通讯作者：赵佳腾，博士，讲师，研究方向为相变储热强化和新型热管技术，E-mail：；刘昌会，博士，副教授，研究方向为相变储能及储热强化等，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术storage devices emerges.Based on its working mode and structure,it is classified into four types:shell and tube type,filled bed type,plate type,and heat pipe type.The working principle,advantages and disadvantages of the four types of heat storage devices,and the progress of heat transfer enhancement research are systematically summarized,majorly comparing the heat transfer rate and charge/discharge performance of conventional heat storage devices and those after structural optimization.The results show that improving the internal structure of the heat storage and expanding the external structure can effectively increase the heat storage capacity and charge/discharge rate,which improves system capacity.The finding demonstrate that future research should focus on clarifying the multi-phase coupling heat transfer mechanism inside the heat storage device,improving the heat storage devices adaptability to dynamic working conditions,and broadening the application range.Keywords:phase change thermal energy storage;thermal energy storage device;structure optimization;heat transfer enhancement储能技术是解决能源供需不匹配、优化能源结构的有效方法。在众多储能技术中，储热是具有广阔前景的规模化储能技术之一。目前已有的储热方式主要分为3种：显热储热(sensitive heat storage，SHS)、潜热储热(latent heat storage，LHS)和热化学储热(thermochemical heat storage，TCHS)。潜热储热系统(latent heat storage system，LHSS)使用相变材料(PCM)作为热能储存介质，在PCM相变过程中储存或回收热能。与显热储热系统相比，LHSS 具有更大的储能密度和更小的温度变化。与热化学储热系统相比，LHSS具有良好的重复性和可控性，LHS被认为是现阶段最有前途的储热技术1。目前来说，基于LHS的研究主要分为3个方面2：一是使用高导热添加剂和多孔介质来增强PCM的导热性；二是改善传热流体(heat transfer fluid，HTF)和PCM之间传热均匀性；三是储热器件层面的传热强化。增强PCM的导热性主要是通过复合不同种类的PCM，提升复合材料的导热性能，拓宽 PCM 使用范围3-4。Zayed 等5总结了LHSS中PCM强化技术的最近进展，目前国内外主要研究将高导电材料/颗粒用于PCM中，进而增加PCM的导热性，除此以外，级联布置PCM和复合多种PCM也是强化技术的热门研究方向。姜竹等6对PCM的制备和强化性能的方法进行了综述，总结发现复合PCM能够有效改善单一PCM的稳定性及过冷度，可通过物理共混法、多孔吸附法和微囊封装技术等方法制备。改善传热的均匀性主要从两个方面入手：一是基于边界层强化换热理论对流体通道进行修饰，减小流动阻力；二是在HTF中掺入纳米流体，提高混合后流体的比热容。储热器件层面的传热强化集中在设计新型结构的高效储热器，对管壳式储热器(STHS)、填充床式储热器(PBHS)、板 式 储 热 器(PHS)、热 管 式 储 热 器(HPHS)等多种类型的储热器进行结构优化与新型设计，强化储/放热速率，并从实验研究和数值模拟两方面研究强化传热机制，提高储热效率7。本文对现有研究中涉及储热器结构改进的方法进行提炼，得到如图1所示的发展脉络。图中圆的大小代表研究方法的权重，两个圆之间的距离及线宽表示研究方法之间的亲缘性，颜色代表研究方法所处年份的平均。从图中可以看出，前期的研究按时间发展分别为STHS、PBHS和PHS，主要以内部结构改进为主，并且技术较为成熟；近年的研究趋向于 HPHS，开始面向多种工况的高效储热需求，设计方法多样化的同时带动了热管技术的快速进步，是储热器进一步的发展趋势。1 相变储热器件结构分类及工作原理按照储热方式，可以将储热器分成3类：直接接触式储热器、蓄热式储热器、间壁式储热器，其中蓄热式储热器具有安全性可靠、使用寿命长和热效率高等优点，是LHS领域广泛应用的一类储热器。本文研究的 4 类储热器都是蓄热式储热器。表1是根据4类储热器的特点进行总结归类。图2对应4类储热器的工作模式图。432第 2 期戴宇成等：基于相变材料的储热器及其传热强化研究进展图1储热器发展脉络Fig.1Development context of heat storage device表1不同类型的储热器对比Table 1Comparison of different types of heat storage项目优势劣势核心部件应用储热规模STHS强度高，稳定性强，结构简单占地面积大，连接处易泄漏挡板高温大中型PBHS与加热源直接接触，减少热损失复杂的扰流和相变过程储热罐中高温大型PHS传热系数高，板片形式多样化对传热介质要求高，容易发生堵塞传热板片中低温大型HPHS良好的导热性和均温性抗氧化，耐高温性能较差热管中低温中小型图2不同类型储热器8-11Fig.2Schematic diagram of different types of he