摘要

相變材料(PCM)通過在相變過程中吸熱或放熱實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)與釋放。相變材料在熱能存儲(chǔ)和熱管理領(lǐng)域憑借其相變區(qū)間溫度穩(wěn)定、儲(chǔ)能密度大受到了廣泛認(rèn)可。然而，相變材料普遍存在熱導(dǎo)率低的問題，需要結(jié)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行改善。在采用某一種強(qiáng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，兩種或多種傳熱強(qiáng)化技術(shù)相組合的“復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)”成為目前傳熱強(qiáng)化與相變蓄熱性能改善的研究熱點(diǎn)。本文通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的分析，綜述了目前復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展，包括以翅片為基礎(chǔ)，分別結(jié)合熱管、納米顆粒、多孔材料和梯級(jí)蓄熱，以及多孔材料結(jié)合熱管、納米材料和梯級(jí)蓄熱等多種復(fù)合方式。分析表明：通過將熱管與翅片或多孔材料混合使用，可以達(dá)到傳熱強(qiáng)化最佳效果；納米顆粒與翅片或多孔材料的混合使用比同等條件下單獨(dú)使用納米顆粒更有效；采用梯級(jí)蓄熱與翅片或多孔材料相結(jié)合相較于單獨(dú)采用梯級(jí)蓄熱具有更快的蓄/放熱速率和更加均勻的換熱流體出口溫度。建議對(duì)其他可能的復(fù)合傳熱增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化蓄熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和具體參數(shù)探討對(duì)蓄熱性能的影響。關(guān)鍵詞

相變蓄熱；復(fù)合傳熱強(qiáng)化；翅片；納米材料；熱管；多孔材料隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)社會(huì)總能耗逐年上升。煤炭、石油等化石燃料的大規(guī)模開發(fā)利用導(dǎo)致的能源緊缺，能源利用率低以及能源過度消耗引發(fā)的環(huán)境問題，成為全社會(huì)面臨的亟需解決的能源困境。我國(guó)CO2的排放目標(biāo)將在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。為解決上述能源問題，開發(fā)利用清潔可再生資源面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，可再生能源的開發(fā)中，太陽(yáng)能和工業(yè)余熱回收增速較快，兩者都需要解決熱利用過程中熱能分散、能源連續(xù)性和穩(wěn)定性差的問題。熱能存儲(chǔ)技術(shù)可以將間斷的、不連貫的熱能轉(zhuǎn)變成為持續(xù)輸出的穩(wěn)定能源，可以提升能源的回收利用效率，利用工業(yè)余熱和太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源，解決建筑節(jié)能、電子設(shè)備散熱、農(nóng)業(yè)谷物干燥等問題。以相變材料(PCM)為蓄能材料的高效蓄熱系統(tǒng)在熱能存儲(chǔ)方面具有巨大潛力，部分PCM蓄熱裝置已投入大規(guī)模工業(yè)使用。繼續(xù)深化研究，提高相變蓄熱裝置的傳熱、蓄熱性能具有重要意義。1相變蓄熱系統(tǒng)性能增強(qiáng)方式任意傳熱過程的基本傳熱方程可表示為Q=KF?t，其中Q為蓄熱/放熱功率，W；K為冷熱介質(zhì)之間的熱導(dǎo)率，W/(m2·K)；F為傳熱面積，m2；?t為換熱溫差，℃。根據(jù)基本傳熱方程可知，與傳熱率正相關(guān)的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為K、F和?t。當(dāng)前大部分PCM熱導(dǎo)率較低，如石蠟、酸或醇類的熱導(dǎo)率約為0.3W/(m2·K)，無(wú)機(jī)鹽類熱導(dǎo)率約為0.5W/(m2·K)，極大限制了相變蓄熱裝置的性能。相變傳熱強(qiáng)化技術(shù)研究的主要任務(wù)是通過提高上述3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相變材料與換熱流體(HTF)之間的傳熱強(qiáng)化，改善蓄熱裝置的蓄/放熱功率。PCM蓄熱系統(tǒng)有3種主要的傳熱增強(qiáng)方法(圖1)：①增強(qiáng)PCM和HTF之間的換熱面積，通常是在PCM和HTF之間添加翅片或熱管；②提高PCM的熱導(dǎo)率，目前研究較多的是在PCM中添加高熱導(dǎo)率的多孔載體材料和納米粒子；③增大換熱溫差，常用的是采用多個(gè)不同相變溫度的PCM實(shí)現(xiàn)梯級(jí)蓄熱，可以保持流體流動(dòng)方向上PCMs和HTF之間相對(duì)較大的換熱溫差，從而提高裝置的蓄/放熱效率和?效率。圖1

相變蓄熱強(qiáng)化技術(shù)英國(guó)伯明翰大學(xué)從中高溫(200～1000℃)熔融鹽類PCM的蓄能機(jī)理、熱物性參數(shù)入手，介紹了近期廣泛研究的熔融鹽類PCM的種類，并綜述了殼管式蓄能裝置HTF側(cè)和PCM側(cè)的傳熱強(qiáng)化方法。簡(jiǎn)述了PCM蓄熱性能的各種增強(qiáng)方法，如改善熱交換表面，將PCM封裝，添加高熱導(dǎo)率的粒子，制作石墨粉末或膨脹天然石墨(ENG)與PCM的復(fù)合材料等，并采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)5種管式換熱器增強(qiáng)方法進(jìn)行了總傳熱系數(shù)的對(duì)比研究。結(jié)果表明，在考慮PCM與換熱界面壓力和熱阻影響的前提下，嵌入到ENG矩陣的PCM復(fù)合材料與銅管換熱達(dá)到了最高的總傳熱系數(shù)[3000W/(m2·K)]。兩位學(xué)者綜述了近年來潛熱儲(chǔ)存(LHE)中PCM和傳熱性能強(qiáng)化方法，主要包括以下幾方面強(qiáng)化傳熱技術(shù)：多孔材料/納米復(fù)合PCM、翅片管、封裝PCM和級(jí)聯(lián)式LES，并對(duì)未來相關(guān)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究提出了一些建議。金光等綜述了從多孔材料強(qiáng)化傳熱、利用翅片和熱管優(yōu)化儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)構(gòu)、翅片耦合熱管為主的聯(lián)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)3個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外近年來的研究成果。綜述對(duì)比了分別添加膨脹石墨、納米材料、泡沫金屬等復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，同時(shí)介紹了功能熱流體傳熱強(qiáng)化以及不同類型儲(chǔ)熱器的傳熱強(qiáng)化方式。當(dāng)前相變蓄熱強(qiáng)化換熱的綜述文獻(xiàn)中，主要針對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)中的一種，即專注于提高換熱面積、PCM熱導(dǎo)率或保持換熱溫差中的某一方面，相變蓄熱裝置傳熱性能提升能力有限。復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)就是將兩種或兩種以上的強(qiáng)化傳熱技術(shù)相結(jié)合，多維度改善相變蓄熱系統(tǒng)的整體傳熱性能，也是目前許多研究者嘗試的另一種新型有效的方法。復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)能夠發(fā)揮各種傳熱強(qiáng)化技術(shù)的特長(zhǎng)，與單一的強(qiáng)化方式相比，在提高熱導(dǎo)率和蓄/放熱速率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文在研究分析相關(guān)文獻(xiàn)后，將復(fù)合傳熱增強(qiáng)技術(shù)按照以翅片為基礎(chǔ)和以多孔材料為基礎(chǔ)進(jìn)行了分類，全面介紹了復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展和顯著成果，并針對(duì)部分復(fù)合技術(shù)提出了研究方向的建議。2翅片式相變蓄熱復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)通過添加不同類型的翅片改善相變蓄熱系統(tǒng)性能的研究可以追溯到幾十年前。目前已研發(fā)成功的翅片形式多種多樣，有徑向翅片、縱向翅片、螺旋翅片、雪花形、矩形翅片、網(wǎng)狀翅片等。與其他強(qiáng)化方法相比，翅片可以增加蓄熱器的換熱面積，并且加工制造容易，成本低、壽命長(zhǎng)。不同的翅片結(jié)構(gòu)(翅片的形狀)，同一翅片不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片分支長(zhǎng)度、厚度、高度以及分支夾角)等因素都會(huì)對(duì)相變材料的相變過程產(chǎn)生影響。在翅片強(qiáng)化傳熱的基礎(chǔ)上，可以聯(lián)合熱管、納米粒子、多孔材料、梯級(jí)蓄熱等強(qiáng)化方式，增大換熱面積的同時(shí)，提高PCM和HTF之間的傳熱系數(shù)，增強(qiáng)PCM內(nèi)部的傳熱均勻性。2.1翅片和熱管熱管通過蒸發(fā)器和冷凝器中工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程來充當(dāng)PCM和HTF的熱載體。在制冷和供熱、能量回收和散熱方面，熱管的應(yīng)用可提高PCM熔化或凝固過程的速度。通過將翅片和熱管相結(jié)合作為PCM和HTF之間的“熱橋”是目前廣泛應(yīng)用的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)之一。葉三寶等以58℃石蠟作為PCM設(shè)計(jì)了一套平板熱管兩側(cè)添加縱向翅片(體積比17%)的新型相變蓄熱器。新型平板熱管體積小，熱運(yùn)輸能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的圓形熱管，平板熱管的傳熱面與翅片的基面緊密貼合，傳熱面積較大，傳熱效率更高，在蓄/放熱過程中很好地發(fā)揮了強(qiáng)化傳熱元件的作用。蓄熱過程中，傳熱流體溫度越高，PCM的熔化速率也越大；放熱過程中，相同的流體溫度下，隨著流體流速的增大，蓄熱器的放熱速率逐漸增加。以石蠟為PCM，對(duì)帶螺旋翅片的熱管型太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究(圖2)，對(duì)比了不帶螺旋的常規(guī)翅片和螺旋翅片兩種集熱器在不同水流量下的集熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋翅片集熱器與常規(guī)翅片集熱器相比具有更好的溫度均勻性。在相同流量下，螺旋翅片熱管和常規(guī)翅片熱管的最大溫差分別為4℃和12.25℃。當(dāng)流量為0.5L/min和0.665L/min時(shí)，螺旋翅片的蓄熱效率分別比常規(guī)翅片提高15%和13.6%。此外，螺旋翅片系統(tǒng)比常規(guī)翅片系統(tǒng)的液相轉(zhuǎn)變延遲30～60min。圖2

螺旋翅片+熱管通過數(shù)值模擬探究了不同熱管間距、翅片長(zhǎng)度、翅片數(shù)量以及自然對(duì)流等影響因素對(duì)“翅片+熱管型”相變蓄熱裝置的熱響應(yīng)(圖3)。研究結(jié)果表明，自然對(duì)流對(duì)PCM的熔化過程影響較大，凝固模式下因?yàn)樽匀粚?duì)流被抑制而沒有發(fā)揮顯著作用；增加熱管數(shù)量(減少熱管間距)導(dǎo)致熔化速率和基壁溫度降低。在他們的另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，凝固過程中減小熱管間距會(huì)導(dǎo)致更高的凝固速率和更高的容器底壁溫度；增加翅片長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致PCM內(nèi)的溫差減小，提供更均勻的溫度分布，而翅片的數(shù)量對(duì)裝置蓄熱性能沒有顯著影響。圖3

環(huán)形翅片+圓熱管對(duì)翅片+熱管式PCM潛熱蓄熱系統(tǒng)的放熱過程進(jìn)行了研究。該研究利用響應(yīng)面法對(duì)比了翅片系統(tǒng)在連接到熱管前后幾何參數(shù)的影響(圖4)。結(jié)果表明，V形翅片的幾何參數(shù)(分支的長(zhǎng)度、厚度以及分支夾角等)對(duì)熱管的熱量傳遞有顯著影響。縱向和徑向V形翅片與熱管的復(fù)合結(jié)構(gòu)放熱速率比無(wú)翅片熱管的熱存儲(chǔ)單元(LHTES)分別提高了4.214、3.309和3.582倍，發(fā)現(xiàn)浸入式翅片熱管優(yōu)于其他常規(guī)方法。圖4

V形翅片+圓熱管綜上所述，在熱管與翅片結(jié)合的復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)中，螺旋翅片的傳熱性能優(yōu)于常規(guī)翅片；改變翅片或熱管的幾何尺寸，如增加翅片長(zhǎng)度，設(shè)置V形翅片可有效提高傳熱效果；減少熱管間距會(huì)導(dǎo)致熔化速率和基壁溫度降低，凝固速率和容器底壁溫度增高。通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選擇最優(yōu)化的翅片和熱管的類型、尺寸不僅可以改善傳熱性能，還可以降低裝置的制造成本。2.2翅片和納米粒子在PCM中添加高熱導(dǎo)率的納米粒子也是對(duì)蓄熱材料進(jìn)行傳熱強(qiáng)化的方式之一。常見的納米粒子有石墨烯納米片、碳納米管、金屬納米粒子等，添加納米粒子的復(fù)合PCM熱導(dǎo)率可達(dá)到純PCM的幾倍甚至十幾倍。翅片和納米粒子相結(jié)合的復(fù)合傳熱強(qiáng)化可使翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和納米粒子的材料優(yōu)勢(shì)得到更好發(fā)揮。肖玉麒等以熔點(diǎn)接近50℃的十六醇為PCM，選用外徑8～15nm，長(zhǎng)度0.5～2.0μm的多壁碳納米管為填料，研究了帶有熱沉翅片式納米復(fù)合PCM的電子熱管理系統(tǒng)(圖5)。測(cè)試了填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、1%和3%時(shí)的熱導(dǎo)率。添加量為1%和3%時(shí)，復(fù)合相變材料在固態(tài)和液態(tài)的熱導(dǎo)率均有所提高(最高達(dá)40.6%)。但是添加填料后，PCM的液態(tài)有效黏度的急劇增加極大削弱了熔化過程中的自然對(duì)流效應(yīng)，甚至抵消了熱導(dǎo)率提升所帶來的強(qiáng)化效果，熱沉性能隨著碳納米管的添加量提升而削弱。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自然對(duì)流效應(yīng)和熱沉對(duì)于傳熱強(qiáng)化的重要性。圖5

相變儲(chǔ)能式熱沉實(shí)驗(yàn)裝置UL通過數(shù)值模擬和對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，采用樹枝狀翅片和納米粒子提高相變熱能存儲(chǔ)(LHTES)單元中PCM的熔化速率(圖6)。結(jié)果表明：在純PCM情況下，全直、單分支和雙分支翅片設(shè)計(jì)通過有效的熱傳遞增強(qiáng)熔化，與Y向三翅片基本情況相比，分別節(jié)省22.9%、35.4%和45.9%的時(shí)間，且三者的儲(chǔ)能容量以相同的順序增加。以最優(yōu)化的雙分支翅片設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，有效融合了Al2O3納米粒子對(duì)熔化性能的影響。與純PCM相比，在PCM中添加1%、5%和10%體積的納米顆粒分別節(jié)省11.5%、19.2%和26.8%的時(shí)間。但由于納米粒子體積占比增加，熱能存儲(chǔ)能力隨之降低。圖6

樹形翅片+Al2O3粒子研究了在翅片和納米粒子的三聯(lián)管式換熱器中，等溫時(shí)用HTF在363K、368K和373K的溫度下在三重管內(nèi)的兩個(gè)壁上加熱，翅片尺寸和納米粒子體積分?jǐn)?shù)對(duì)固-液界面演變、等溫線分布和熔化過程中液體分?jǐn)?shù)的時(shí)間分布的影響(圖7)。文中提出，使用翅片和納米粒子的復(fù)合強(qiáng)化比單獨(dú)使用納米粒子更有效。此外，HTF溫度的升高有助于PCM熔化時(shí)間的減少，增強(qiáng)了納米粒子-翅片組合的潛力。圖7

翅片-納米粒子三聯(lián)管提出并研究了一種帶有翅片的Nano-PCM(納米-PCM)新型真空管太陽(yáng)能集熱器(ETSC)(圖8)。通過數(shù)值模擬的方法研究了在石蠟基PCM翅片集熱器中添加銅(Cu)納米粒子對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并且分析了裝置內(nèi)石蠟的固液相變特性，對(duì)翅片參數(shù)(即翅片厚度和翅片間距)進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明，添加翅片對(duì)ETSC中石蠟的相變傳熱有很大的影響，且隨著翅片的厚度變薄，PCM熔化得更快。發(fā)現(xiàn)向PCM中添加1%的Cu是HTF出口溫度增加2K時(shí)的最佳質(zhì)量濃度。圖8

納米-翅片式太陽(yáng)能蓄熱器綜上所述，采用翅片與銅、Al2O3等納米粒子的復(fù)合強(qiáng)化傳熱方式比單獨(dú)在PCM中添加納米粒子表現(xiàn)出更好的傳熱特性。采用不同類型的翅片結(jié)構(gòu)或者不同厚度的翅片，蓄熱速率可得到不同程度提高，最高可提高40%以上(如雙分支翅片設(shè)計(jì))。由于材料的物理特性不同，還需對(duì)納米粒子的選擇、翅片的結(jié)構(gòu)形式與PCM的耦合進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.3翅片和梯級(jí)蓄熱蓄熱系統(tǒng)使用多個(gè)PCM的目的是在蓄/放熱循環(huán)期間保持HTF和每種PCM之間幾乎恒定的溫差，從而提高PCMs和HTF之間的傳熱性能；將翅片和梯級(jí)蓄熱相結(jié)合在擴(kuò)大換熱面積的同時(shí)也能保持較大的換熱溫差，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。王晨羽采用數(shù)值模擬的方法將環(huán)形翅片和三級(jí)相變材料相結(jié)合進(jìn)行裝置的蓄/放熱性能探究，研究了三級(jí)蓄熱裝置中PCM不同的組分比和不同的翅片參數(shù)(長(zhǎng)度、高度和厚度)對(duì)梯級(jí)PCM蓄/放熱過程的影響。結(jié)果表明：增大翅片高度和厚度，縮小翅片間距是減少換熱器蓄熱時(shí)間的有效途徑，其中翅片高度和間距對(duì)裝置傳熱效率的影響是主要影響因素。PCM組分比為3∶2∶1時(shí)梯級(jí)相變儲(chǔ)能換熱裝置在蓄熱時(shí)所需的時(shí)間最短。建立了一個(gè)垂直管殼式潛熱蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值模型(圖9)。開發(fā)的模型由3塊PCM組成，熔點(diǎn)溫度(Tm)分別為360℃、335.8℃和305.4℃。最初采用3個(gè)PCM塊中翅片的非均勻分布來研究單個(gè)PCM系統(tǒng)(Tm=335.8℃)的性能。通過改變基于單PCM系統(tǒng)計(jì)算的Stefan數(shù)(Steref值)，分析了入口傳熱流體溫度對(duì)單PCM和多PCM(m-PCM)系統(tǒng)的充放熱性能的影響。在Steref值為0.5、1、1.5和2時(shí)，m-PCM系統(tǒng)的蓄/放熱時(shí)間與Steref1的單個(gè)PCM系統(tǒng)相似或更少，但是m-PCM系統(tǒng)對(duì)所有單塊的蓄/放熱比功率提高了21%～25%。通過采用非均勻翅分布和長(zhǎng)度比優(yōu)化的m-PCM相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)，該系統(tǒng)蓄/放熱時(shí)間分別比單個(gè)PCM系統(tǒng)減少30%和9%。圖9

環(huán)形翅片+梯級(jí)蓄熱選擇石蠟(RT42、RT50和RT60)作為PCMs，對(duì)水平管殼式相變儲(chǔ)能裝置中3層PCM的熔化性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究(圖10)。為了加速傳熱，裝置內(nèi)加設(shè)金屬翅片，并且創(chuàng)新性地提出了一種綜合儲(chǔ)能密度評(píng)價(jià)(CSDE)準(zhǔn)則來評(píng)價(jià)LTES單元的熔化性能。與無(wú)翅片(Model1)相比，3層PCMs中逐漸添加翅片可縮短55.3%熔化時(shí)間。圖10

翅片三連管式梯級(jí)蓄熱通過數(shù)值研究評(píng)估了翅片三聯(lián)管中雙層PCM的傳熱和凝固特性、相變周期和溫度分布(圖11)。討論了兩種不同PCM的可能排列以及PCM厚度、翅片尺寸和傳熱流體溫度對(duì)換熱效果的影響。顯示結(jié)果為溫度、液體分?jǐn)?shù)、流函數(shù)和速度大小等值線的形式以及它們?cè)诶鋬鰰r(shí)間內(nèi)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，較大的H增強(qiáng)了翅片對(duì)B部分散熱的影響，而對(duì)A部分產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于較低的H，A部分的平均溫度逐漸降低，反之較高的H導(dǎo)致B段的平均溫度降低。圖11

翅片三聯(lián)管+2層梯級(jí)蓄熱通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了兩種相變蓄熱裝置的性能研究。在浸沒式翅片管換熱器設(shè)計(jì)中，將單級(jí)PCM的蓄/放熱速率與多級(jí)PCM進(jìn)行比較(圖12)。結(jié)果表明：在全蓄/放熱模式下，多級(jí)PCM的熱性能與均質(zhì)單級(jí)PCM存儲(chǔ)單元相比，LHTES在蓄/放熱速率方面可提高10%～40%。這是由于多級(jí)LHTES能夠在蓄/放熱過程中為傳熱過程保持較高的驅(qū)動(dòng)溫差。然而，在半蓄/放熱循環(huán)模式下，多級(jí)相變存儲(chǔ)器的額定熱功率性能在熔化過程中向單級(jí)相變存儲(chǔ)器的熱功率性能收斂，從而降低了多級(jí)相變存儲(chǔ)器的增強(qiáng)效果。圖12

浸沒式翅片管+梯級(jí)蓄熱綜上所述，目前對(duì)于翅片和梯級(jí)蓄熱的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)多采用數(shù)值模擬的研究方法。與無(wú)翅片相比，帶有翅片的梯級(jí)蓄熱系統(tǒng)具有更好的傳熱效果，系統(tǒng)蓄/放熱時(shí)間明顯縮短。在浸沒式翅片管換熱器中，多級(jí)蓄熱材料在全蓄/放熱模式下比單級(jí)蓄熱材料更具優(yōu)勢(shì)。2.4翅片和多孔材料隨著近年來制造技術(shù)的發(fā)展，多孔材料憑借其相互連接的結(jié)構(gòu)、高滲透性和高內(nèi)表面積的優(yōu)點(diǎn)在強(qiáng)化傳熱方面展現(xiàn)了巨大潛力。目前常用的多孔材料有泡沫銅、泡沫鋁和新型的多孔陶瓷等。多孔材料的熱導(dǎo)率比PCM大得多，可以通過嵌入的方式大大提高PCM的熱導(dǎo)率。翅片和多孔材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以在增大換熱面積的同時(shí)強(qiáng)化PCM的傳熱效果。遲蓬濤等為了滿足一些航空大功率元件的散熱要求，提出采用翅片-泡沫銅復(fù)合結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)熱增強(qiáng)介質(zhì)的概念。通過瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)方法對(duì)翅片厚度分別為0.5mm、0.8mm和1mm的翅片-泡沫銅/石蠟實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行了熱特性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明翅片能顯著提高泡沫銅/石蠟的等效熱導(dǎo)率和熱響應(yīng)速度。開發(fā)了一種LHTES裝置，在石蠟(99%的純二十烷)中嵌入了孔隙率為97.19%的泡沫銅(圖13)。對(duì)銅翅片厚度分別為0.5mm、0.8mm和1.0mm的樣品進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試樣品在不同熱通量下的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，使用翅片后樣品內(nèi)部最大溫差峰值降低了73.2%～90.3%。在相同翅片間距的情況下，最大溫差隨著熱通量的增加和翅片厚度的減小而增大。帶1.0mm翅片的泡沫銅/石蠟復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率為11.4W/(m2·K)，是無(wú)翅片-泡沫銅/石蠟復(fù)合材料的3.7倍和純石蠟的42.2倍。圖13

翅片+矩形泡沫銅提出并應(yīng)用了基于熱管熱交換器的翅片和泡沫銅的組合(圖14)，對(duì)液體分?jǐn)?shù)、?傳遞率、固液界面的演變和溫度等熱性能進(jìn)行探究。結(jié)果表明，與單獨(dú)使用泡沫銅或單獨(dú)使用翅片相比，該組合顯示出更大的增強(qiáng)性能，并且當(dāng)總體積分?jǐn)?shù)固定時(shí)，使用特定的翅片體積比(γfin=0.5)可以獲得最佳增強(qiáng)效果。此外，進(jìn)一步分析表明，增加總體積分?jǐn)?shù)通過提高有效熱導(dǎo)率來加速相變速率，但同時(shí)自然對(duì)流的影響逐漸減小。圖14

直翅+泡沫金屬提出了管殼式蓄能裝置翅片間隙內(nèi)插入多孔金屬泡沫強(qiáng)化傳熱的新技術(shù)(圖15)，以完全蓄/放熱完成時(shí)間、傳熱系數(shù)、溫度響應(yīng)和儲(chǔ)能密度等為指標(biāo)對(duì)裝置的蓄/放熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析。為了探究翅片和金屬泡沫對(duì)改善相變的貢獻(xiàn)，還對(duì)光滑管、翅片管和金屬泡沫管進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：與光滑管相比，新型的基于金屬泡沫翅片管結(jié)構(gòu)，完全熔化/凝固時(shí)間降低85.83%和95.83%，平均熱通量增加655.09%和1834.61%，平均努塞爾數(shù)大幅增加795.93%和4731.99%，傳熱流體入口速度為0.15m/s。此外，4種裝置的蓄/放熱容量通過增加流量可以顯著增強(qiáng)存儲(chǔ)單元的蓄/放熱性能。圖15

環(huán)形翅片+泡沫金屬對(duì)純石蠟、添加金屬泡沫及添加翅片-金屬泡沫3種PCM系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究(圖16)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在70℃的熱源溫度下，金屬泡沫的加入對(duì)完全熔化時(shí)間起重要的作用，添加銅泡沫工況下完全熔化時(shí)間縮短為純石蠟工況下的56.53%；添加翅片對(duì)完全熔化時(shí)間影響較小，主要影響蓄熱裝置內(nèi)部的溫度均勻性。翅片-銅泡沫組的相界面以翅片為中心移動(dòng)，且整個(gè)蓄熱裝置內(nèi)部受翅片影響，在固相升溫階段和相變階段結(jié)束初期溫度升高速率均會(huì)有較明顯的升高。圖16

矩形翅片+泡沫銅綜上所述，與單獨(dú)使用翅片或者單獨(dú)使用多孔金屬的強(qiáng)化傳熱相比，翅片與多孔金屬的復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)對(duì)提高熱導(dǎo)率、縮短熔化時(shí)間的改善作用更明顯。通過合理的蓄熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并采用蓄熱能力良好的PCM，蓄熱系統(tǒng)的相變性能會(huì)有質(zhì)的飛躍，為相變蓄熱材料的應(yīng)用提供了持續(xù)優(yōu)化的途徑。但上述研究多針對(duì)材料的熔化過程，對(duì)凝固過程的研究較少。另外，多孔材料體積分?jǐn)?shù)增加對(duì)熱儲(chǔ)存容量的影響也是需要考慮的問題，如何確定最佳配比，提高系統(tǒng)綜合性能是未來重要的研究方向。3多孔材料式相變蓄熱復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)利用多孔材料改善PCM相變換熱性能是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的一種方法。多孔材料浸漬技術(shù)是提高傳統(tǒng)PCMs在LHTES系統(tǒng)中熱導(dǎo)率發(fā)展最快的方法。除了前文提及的多孔金屬與翅片結(jié)合的復(fù)合傳熱強(qiáng)化技術(shù)外，多孔材料還可以與其他傳熱強(qiáng)化方式結(jié)合。3.1多孔材料和熱管近年來，將多孔材料和熱管相結(jié)合用于強(qiáng)化相變蓄熱的研究顯著增多，這是因?yàn)闊峁茏鳛楹诵膫鳠嵩哂懈邿嵬亢途鶞匦缘膬?yōu)點(diǎn)，并且將多孔材料浸漬在PCM中可以在顯著提升換熱面積的同時(shí)提升熱導(dǎo)率。梁林等研究了平板微熱管和泡沫銅相結(jié)合的蓄熱裝置的蓄/放熱性能(圖17)，探究不同HTF溫度、體積流量、初始PCM狀態(tài)和金屬泡沫對(duì)蓄/放熱功率和熱效率的影響。結(jié)果表明，增加HTF和PCM的溫差以及增大流量都可以提高蓄/放熱功率。實(shí)驗(yàn)條件下，該裝置的最大蓄/放熱功率分別為1.24kW和1.43kW。裝置蓄/放熱效率為92%和94%，總效率為87.4%。PCM初始狀態(tài)和金屬泡沫孔隙率不影響穩(wěn)態(tài)功率和最終PCM溫度。但是，它們會(huì)影響達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。金屬泡沫的孔密度對(duì)同時(shí)蓄/放熱過程無(wú)顯著影響。圖17

平板微熱管+泡沫銅對(duì)具有嵌入式熱管的多孔金屬增強(qiáng)型LTES系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算分析，以研究在蓄/放熱過程中不同熱管布置和多孔金屬設(shè)計(jì)參數(shù)的系統(tǒng)熱性能增強(qiáng)(圖18)。研究發(fā)現(xiàn)，由于浮力誘導(dǎo)對(duì)流的形成受到限制，蓄熱過程中的傳熱強(qiáng)化隨著多孔金屬孔密度的增加而降低。在放熱過程中，由于PCM和多孔金屬泡沫之間的熱交換作用有效表面積較大，對(duì)于具有高孔密度的多孔金屬的LTES可以增強(qiáng)裝置的傳熱速率。HTF入口速度的增加會(huì)造成表面對(duì)流傳熱系數(shù)的增加，因此傳熱量也隨之增加。然而，觀察到蓄/放熱效率隨著HTF速度的增加而降低。圖18

嵌入式熱管+多孔金屬探究了熱管半徑、多孔金屬的孔隙率和孔徑、納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)PCM存儲(chǔ)單元熔化性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率，存在一個(gè)最佳的多孔金屬孔隙率和熱管半徑，多孔金屬比納米顆粒分散體更能夠有效提高PCM傳熱能力，熱管直徑對(duì)熔化速率有重要影響。多孔材料與熱管的結(jié)合應(yīng)用于相變蓄熱是一種很有前途的傳熱方式。相對(duì)于蓄熱過程，多孔材料對(duì)PCM放熱的影響更顯著。熱管半徑的增加會(huì)導(dǎo)致傳熱面積的增加，從而導(dǎo)致熔化加速，但過高的熱管半徑會(huì)限制熱存儲(chǔ)容量，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮熱管半徑的最佳值。如何確定最佳孔隙率和最優(yōu)熱管半徑，需要大量實(shí)驗(yàn)研究去證實(shí)。3.2多孔材料和高熱導(dǎo)率材料納米增強(qiáng)劑具有高導(dǎo)熱、高頻布朗運(yùn)動(dòng)、強(qiáng)吸附和團(tuán)聚力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此通常被用來提升相變材料的導(dǎo)熱性能。常用的納米材料有石墨烯納米片、碳納米纖維、碳納米管、納米二氧化鈦、銅、鋁納米顆粒等。分散納米材料傳熱強(qiáng)化在提高相變蓄熱系統(tǒng)熱性能方面具有指導(dǎo)意義。部分學(xué)者對(duì)納米材料與多孔材料進(jìn)行了復(fù)合強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究，以期得到突破性的強(qiáng)化效果。HashemZadeh等研究了以癸酸為PCM，以部分泡沫銅與Cu/Go納米添加劑為增強(qiáng)劑，對(duì)相變蓄熱的混合傳熱增強(qiáng)能力進(jìn)行數(shù)值評(píng)估(圖19)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，部分泡沫銅與Cu/Go納米添加劑的組合相變蓄熱裝置的蓄熱功率可以提高到純PCM蓄熱功率的4倍。圖19

泡沫銅+納米Cu/Go研究了采用氧化鋁納米顆粒和泡沫銅復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)的三管相變儲(chǔ)能系統(tǒng)(圖20)。重點(diǎn)試驗(yàn)了納米粒子濃度和泡沫孔隙率對(duì)相變前沿、溫度分布和液體分?jǐn)?shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在潛熱儲(chǔ)存系統(tǒng)中使用泡沫銅和納米顆粒的分散，可以獲得顯著加速效果。隨著多孔金屬孔隙率的增加，由于泡沫韌帶產(chǎn)生的高流動(dòng)阻力，納米粒子提高PCM相變率的潛力降低。此外，在多孔納米增強(qiáng)PCM中，凝固速率高于單獨(dú)的納米增強(qiáng)PCM或單獨(dú)的多孔PCM。圖20

泡沫銅+納米鋁粒子以RT44HC為PCM，實(shí)驗(yàn)對(duì)比了純PCM、PCM-納米顆粒、PCM-多孔金屬和PCM-納米顆粒-多孔金屬4種材料的熔化和凝固特性(圖21)。熔化實(shí)驗(yàn)在恒溫和恒定熱通量熱源兩種情況下進(jìn)行，凝固實(shí)驗(yàn)在恒溫散熱器下進(jìn)行。結(jié)果表明：與純PCM相比，PCM-納米顆粒、PCM-多孔金屬和PCM-納米顆粒-多孔金屬?gòu)?fù)合材料在恒溫?zé)嵩慈刍瘯r(shí)傳熱速率分別提高了約13%、17%和24%，恒溫?zé)嵩茨虝r(shí)節(jié)約時(shí)間約24%、26%和65%。圖21

泡沫銅+CuO納米顆粒通過數(shù)值模擬的方法研究了金屬泡沫和納米添加劑兩種增強(qiáng)傳熱方法在殼管熱交換器中的潛力(圖22)。具體分析了流體工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，包括入口溫度、金屬泡沫材料、泡沫孔隙率(0.95和0.98)、孔密度(10、40和70PPI)和納米顆粒體積分?jǐn)?shù)(0、1%和3%)。結(jié)果表明，金屬泡沫材料和納米粒子濃度對(duì)相變材料的熱性能有顯著影響。金屬泡沫和石墨烯納米片分別將蓄熱和放熱時(shí)間減少了96.11%和96.23%。此外，較低孔隙率的泡沫加快了蓄/放熱過程，而孔密度沒有明顯影響。圖22

金屬泡沫+納米材料部分文獻(xiàn)提及，PCM中添加納米粒子會(huì)帶來相變焓損失的現(xiàn)象，或存在納米粒子團(tuán)聚導(dǎo)致有效納米粒子含量降低。納米粒子的獲取或納米微膠囊的制備成本比較高。如何找到有效的價(jià)格較低的納米材料，如何與多孔材料達(dá)到優(yōu)化的耦合配比，將復(fù)合材料量化生產(chǎn)投入到生活和工業(yè)應(yīng)用，是未來需要繼續(xù)深入研究的課題。3.3多孔材料和梯級(jí)蓄熱將多孔材料浸漬在PCM中既可以提升PCM的熱導(dǎo)率又可以增加換熱面積。使用多個(gè)PCM形成級(jí)聯(lián)或多級(jí)相變蓄熱系統(tǒng)是保持傳熱過程均勻性和換熱溫差的有效方法，將這兩種傳熱強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合既可以提升換熱面積又可以保持換熱均勻性。郭紹振等提出了在PCM中填充金屬泡沫和兩級(jí)串聯(lián)式梯級(jí)蓄熱相結(jié)合的蓄熱裝置。通過改變串聯(lián)PCM的熱物性參數(shù)，探究裝置在不同工況下的蓄熱特性。研究結(jié)果表明，增大PCM的熱擴(kuò)散系數(shù)可以有效提升蓄熱速率，降低加熱面溫度，但