摘要：相變蓄熱具有蓄熱密度高、蓄放熱過(guò)程溫度穩(wěn)定和蓄熱裝置體積小等特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用前景，但由于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，嚴(yán)重影響了蓄熱裝置的蓄放熱速率。因此，為提高蓄熱裝置的蓄放熱性能，研究人員對(duì)此做了大量研究。該文對(duì)目前主要的蓄熱方式和相變材料的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)相變蓄熱強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究進(jìn)行了深入的總結(jié)與分析，提出了目前相變蓄熱裝置存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)研究方向提出建議。

關(guān)鍵詞：相變蓄熱材料"相變蓄熱裝置"強(qiáng)化換熱技術(shù)"可再生能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TK172""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research"Progress"of"Heat"Transfer"Enhancement"Technology"of"Phase-Change"Heat"Storage"Devices

QIN"Qian

（China"Urban"Construction"Design"amp;"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Beijing，"100032"China）

Abstract："Phase-change"heat"storage"has"the"characteristics"of"high"heat"storage"density，"stable"temperature"during"the"heat"storage"and"release"process，"and"small"size"of"the"heat"storage"device，"which"has"a"great"application"prospect."However，"due"to"the"small"thermal"conductivity"of"phase-change"materials，"the"heat"storage"and"release"rate"of"the"heat"storage"device"is"seriously"affected."Therefore，"in"order"to"improve"the"heat"storage"and"release"performance"of"the"heat"storage"device，"researchers"have"done"anbsp;lot"of"research"on"it."This"paper"introduces"the"characteristics"of"the"current"main"heat"storage"methods"and"phase-change"materials，"""summarizes"and"analyzes"the"research"on"the"heat"transfer"enhancement"technology"of"phase-change"heat"storage"in"depth，"puts"forward"the"current"existing"problems"of"the"phase-change"heat"storage"device，"and"proposes"suggestions"for"future"research"directions.

Key"Words："Phase-change"heat"storage"material;"Phase-change"heat"storage"device;"Heat"transfer"enhancement"technology;"Renewable"energy

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)能源消耗量快速上升，再加上我國(guó)能源人均儲(chǔ)量較低，能源短缺問(wèn)題將日益嚴(yán)重。同時(shí)，化石能源燃燒產(chǎn)生的二氧化碳、氮氧化物、硫化物及PM2.5等物質(zhì)對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重。為應(yīng)對(duì)能源短缺及氣候問(wèn)題，發(fā)展可再生能源已成為我國(guó)能源發(fā)展的趨勢(shì)[1-2]，其中太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富、分布廣、清潔且易獲取，已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，此外我國(guó)的余熱資源中可被回收利用的約有60%，但目前的回收率僅為34.9%，因此，重視對(duì)余熱資源的回收是提高能源利用率的重要途徑[3]。

太陽(yáng)能和余熱回收具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但同時(shí)又具有不穩(wěn)定性及間歇性的特點(diǎn)，極大地影響了這類(lèi)能源的推廣和使用。蓄熱技術(shù)是解決這一問(wèn)題的重要途徑，可以在一定程度上解決能源的供給與需求不匹配的問(wèn)題，因此對(duì)蓄熱技術(shù)的研究十分重要。

1""蓄熱技術(shù)的分類(lèi)

目前主要的蓄熱方式有三種：顯熱蓄熱、化學(xué)反應(yīng)蓄熱和相變蓄熱[4-5]。其中，顯熱蓄熱主要是通過(guò)蓄熱材料溫度的升高或者降低來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存和釋放。常見(jiàn)的顯熱蓄熱材料有水和鵝卵石等，由于材料價(jià)格及其物性的優(yōu)勢(shì)，使得其在低溫顯熱蓄熱領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是顯熱蓄熱存在蓄熱密度小，蓄熱裝置體積龐大，蓄熱效率低等問(wèn)題?；瘜W(xué)反應(yīng)蓄熱利用可逆反應(yīng)來(lái)完成熱量的蓄放，與其他兩種蓄熱方式相比具有蓄能密度高、裝置體積小的優(yōu)勢(shì)。但其蓄放熱過(guò)程涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)蓄熱裝置有極高的要求，也存在安全系數(shù)低的問(wèn)題[6]。相變蓄熱是利用相變材料相變時(shí)吸收或放出大量熱量而蓄放熱，一般指固液相變，其具有蓄熱密度高、蓄放熱過(guò)程溫度穩(wěn)定和蓄熱裝置體積小等特點(diǎn)。因此，相變蓄熱在國(guó)際上受到極大關(guān)注并逐漸成為研究熱點(diǎn)，其作為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的手段，研究范圍已遍及太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存、工業(yè)余熱儲(chǔ)存、移峰填谷及電余熱的儲(chǔ)存等方面[7]。但是，由于相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，使得蓄熱裝置的性能受到影響，所以目前對(duì)高性能相變蓄熱裝置的研發(fā)是科研人員的主要工作。

2""相變材料的分類(lèi)

根據(jù)相變材料的成分，可將其分為三類(lèi)：有機(jī)相變材料、無(wú)機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。

有機(jī)類(lèi)相變材料可分為石蠟和非石蠟類(lèi)。石蠟是烷類(lèi)混合物，無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象、無(wú)腐蝕性、自成核，無(wú)相分離以及成本低[8-9]，但是石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)較低，一般不超過(guò)0.2""W/（m·K），這使得當(dāng)以石蠟為相變材料時(shí)需采取措施以強(qiáng)化換熱。同時(shí)純石蠟價(jià)格昂貴，用于相變研究的一般是工業(yè)石蠟。非石蠟類(lèi)主要有脂肪酸類(lèi)、多元醇類(lèi)，這類(lèi)相變材料有和石蠟相同的特點(diǎn)，但價(jià)格一般是工業(yè)石蠟的2～3倍[10]"。

無(wú)機(jī)相變材料中最常見(jiàn)的是結(jié)晶水和鹽，常見(jiàn)的主要有堿及堿土金屬的鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽，磷酸鹽、碳酸鹽及醋酸鹽等，其相變溫度在0"℃～150"℃之間。蓄熱原理是：外界溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，水和鹽將吸熱脫去攜帶的水分子，外界溫度低于凝固點(diǎn)時(shí)，水和鹽將重新結(jié)合水分子，并將潛熱釋放出來(lái)[11]。無(wú)機(jī)相變材料具有相變潛熱高、導(dǎo)熱系數(shù)大、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但存在嚴(yán)重的過(guò)冷及相分離現(xiàn)象，需要添加劑來(lái)克服這種缺點(diǎn)[12]。

復(fù)合類(lèi)相變材料是由多種性能優(yōu)良的單一相變材料組成，以補(bǔ)足單一相變材料的缺點(diǎn)，該材料具備了有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變的優(yōu)點(diǎn)，但也存在長(zhǎng)期運(yùn)行下穩(wěn)定性差、相變潛熱小和使用不安全等缺點(diǎn)[13]。

總而言之，由于復(fù)合類(lèi)相變材料的蓄熱密度低并且制作過(guò)程較為復(fù)雜，使得其目前應(yīng)用范圍受到限制。無(wú)機(jī)相變材料的蓄熱密度較高、導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，但其相分離現(xiàn)象和過(guò)冷現(xiàn)象嚴(yán)重。有機(jī)相變材料是日常生產(chǎn)生活中常見(jiàn)的選擇，它相變潛熱高、無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象且成本低廉，主要的不足點(diǎn)在于導(dǎo)熱系數(shù)低，這造成了相變蓄熱裝置的蓄放熱速率較低，但理想的蓄熱裝置要求可在較小的蓄放熱溫差下實(shí)現(xiàn)較高的蓄放熱速率，因此提高有機(jī)相變材料導(dǎo)熱性能及強(qiáng)化蓄熱器的傳熱性能十分重要。

3""相變材料性能強(qiáng)化

相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低是影響蓄熱裝置性能的主要因素。因此，人們就如何提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)做了大量的工作。向相變材料中添加高導(dǎo)熱性物質(zhì)是提高相變材料導(dǎo)熱性能的主要方法，如金屬顆粒物、納米粒子和膨脹石墨等。

METTAWEE"E"B"S等人[14]研究了鋁粉對(duì)石蠟導(dǎo)熱性增強(qiáng)的影響。發(fā)現(xiàn)通過(guò)在蠟中添加鋁粉，相變蓄熱裝置的蓄熱時(shí)間減少了約60%。在蓄熱過(guò)程中，復(fù)合材料的平均傳熱系數(shù)比純石蠟的平均傳熱系數(shù)更大。

SARANPRABHU""M"K等人[15]將MgO納米顆粒添加到太陽(yáng)鹽中，發(fā)現(xiàn)MgO-太陽(yáng)鹽（40%硝酸鉀，60%硝酸鈉）復(fù)合物比純太陽(yáng)鹽具有更高的顯熱和導(dǎo)熱系數(shù)。

Haillot和Py"等人[16]將膨脹石墨與多種相變材料復(fù)合，結(jié)果表明，膨脹石墨可將熱導(dǎo)系數(shù)提髙到5"～50"W/（m·K），且導(dǎo)熱系數(shù)的提高效果與膨脹石墨的含量密切相關(guān)。

ZENG"J"L等人[17]研究了具有超高長(zhǎng)寬比和海綿結(jié)構(gòu)的銅納米線對(duì)十四烷醇性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)納米線的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.9%時(shí)，相變材料的潛熱值為86.95"J/g，導(dǎo)熱系數(shù)為2.86"W/（m·K），是十四烷醇的近9倍。

4""相變蓄熱器強(qiáng)化換熱措施

目前，提高相變蓄熱器換熱性能的主要措施包括添加翅片、使用泡沫金屬、使用熱管和使用多種相變材料進(jìn)行梯級(jí)蓄熱。

4.1""添加翅片強(qiáng)化換熱

增加換熱面積是應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)化換熱手段。其中，最常用的方式就是添加翅片，這方面的研究主要集中在翅片形狀、位置、長(zhǎng)度、厚度及高度等因素對(duì)相變傳熱及相變材料熔化速率的影響。

YANG"X等人[18]對(duì)使用環(huán)形翅片的管殼式蓄熱器熱進(jìn)行了數(shù)值研究，蓄熱器如圖1所示。結(jié)果表明，將環(huán)形翅片插入相變材料，其熔化時(shí)間最多可減少65%。

OGOH"W等人[19]研究了不同換熱流體流量下環(huán)形翅的片數(shù)量和分布對(duì)管殼式潛熱蓄熱性能的影響。結(jié)果表明，不管換熱流體的速度如何變化，總傳熱速率隨翅片數(shù)的增加而增加。

RATHOD"M"K等人[20]實(shí)驗(yàn)研究了縱向翅片對(duì)管殼式相變蓄熱器熔化和凝固時(shí)間的影響，蓄熱器如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于翅片的加入，進(jìn)口溫度為80"℃和85"℃時(shí)，熔化時(shí)間分別縮短了12.5%和24.52%。

MAT"S等人[21]發(fā)現(xiàn)，與無(wú)翅片的相變蓄熱系統(tǒng)相比，內(nèi)外加翅片的三管制相變蓄熱系統(tǒng)相變材料熔化時(shí)間減少了43.3%。

LIU"S等人[22]提出了一種新型縱向三角形翅片的相變蓄熱器，并對(duì)其凝固特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，新型的縱向三角形翅片可以顯著提高相變材料的放熱性能。

4.2""熱管強(qiáng)化換熱

熱管是導(dǎo)熱性能極強(qiáng)的新型熱傳導(dǎo)元件，它的熱量傳遞是通過(guò)封閉腔體內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)或冷凝這一相變過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此其具有導(dǎo)熱系數(shù)高、均溫性好、蒸發(fā)段冷凝段比例靈活和溫度可控等優(yōu)點(diǎn)。因此將熱管應(yīng)用到相變蓄熱中可以使得相變材料的溫度更為均勻，從而提高相變蓄熱裝置的整體性能。

LIU"Z等人[23]利用熱管作為傳熱元件，設(shè)計(jì)了一種新型相變蓄熱裝置，并測(cè)試了該裝置在僅蓄熱和放熱模式下的性能，研究發(fā)現(xiàn)該裝置可以很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，可有效的儲(chǔ)存和釋放熱量。

NITHYANANDAN"K等人[24]數(shù)值研究了集成熱管的數(shù)量以及系統(tǒng)的運(yùn)行模式對(duì)集中式太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，在蓄放熱過(guò)程中4組熱管模塊的裝置效率較高。

雖然熱管的加入可以有效地提高裝置的蓄放熱性能，但目前運(yùn)用在蓄熱器中熱管的大多是圓形熱管，圓形熱管具有比表面積小、不易于翅片結(jié)合的特點(diǎn)，而平板型熱管可以避免這一問(wèn)題。趙耀華等[25]研制了一種結(jié)構(gòu)緊湊的帶有微結(jié)構(gòu)的平板型熱管，相比于傳統(tǒng)圓形熱管，該熱管具有比表面積大、質(zhì)量輕和傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。該熱管已在太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域、余熱回收領(lǐng)域及電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域表現(xiàn)突出。

康亞盟等[26]將平板微熱管陣列作為核心傳熱元件，選擇熔點(diǎn)為43"℃的月桂酸作為實(shí)驗(yàn)的相變材料，并以水為換熱流體設(shè)計(jì)并制造了平板微熱管陣列式相變蓄熱器，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該裝置可在小溫差（熱交換流體進(jìn)口溫度和相變溫度之差）下高效工作。

4.3""泡沫金屬?gòu)?qiáng)化換熱

泡沫金屬的高導(dǎo)熱性和大比表面積可以使蓄熱器內(nèi)相變材料溫度更加均勻，有助于提高相變蓄熱裝置的整體性能。目前對(duì)泡沫金屬的研究主要包括：孔密度及孔隙率的影響、導(dǎo)熱和自然對(duì)流的作用機(jī)理以及翅片和泡沫金屬的相結(jié)合等。

ZHAO"C"Y等人[27]實(shí)驗(yàn)研究了金屬泡沫對(duì)于石蠟（RT58）換熱狀況的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬泡沫對(duì)固液兩相傳熱的影響是非常顯著的。

JIN"L"Q等人[28]研究了石蠟的融化傳熱受泡沫銅孔隙大小的影響。研究結(jié)果顯示，使用孔徑相對(duì)較小的泡沫銅是較好的選擇，這會(huì)使得石蠟熔化速度加快、融化過(guò)程更加均勻。

ZHANG"C"W等人[29]提出了在基于熱管的相變蓄熱器中使用翅片和泡沫銅的組合。研究發(fā)現(xiàn)，泡沫銅和翅片的聯(lián)合使用比單獨(dú)使用翅片更有效。

以上大多數(shù)研究集中于管殼式、套管式等具有單一相變材料的蓄熱裝置，相變材料一般位于殼側(cè)，管道內(nèi)通過(guò)熱交換流體，如圖3所示。采用單一相變材料蓄熱的部分裝置會(huì)存在流體流動(dòng)方向上相變材料與流體之間換熱溫差逐漸降低的情況，溫差在熱交換流體入口處大而在出口處低會(huì)導(dǎo)致整個(gè)裝置內(nèi)相變材料融化不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致蓄熱時(shí)間變長(zhǎng)。為解決這一問(wèn)題，人們提出了使用不同相變溫度的相變材料串聯(lián)進(jìn)行蓄熱，其換熱溫差如圖4所示。而且從放熱角度看梯級(jí)蓄熱裝置可以提供不同品位的熱量。

4.4""多種相變材料梯級(jí)蓄熱

采用多種相變材組合進(jìn)行梯級(jí)蓄熱可以很大程度上的保持相變材料和熱交換流體之間的換熱溫差不變，進(jìn)而提高傳熱系數(shù)，降低熱交換流體出口溫度，提高蓄熱裝置的性能。

ALDOSS"D"K等人[30]利用數(shù)值模擬的方式比較了單一相變材料蓄熱和多種相變材料蓄熱時(shí)裝置的區(qū)別，研究發(fā)現(xiàn)，隨著相變材料級(jí)數(shù)的增加，蓄熱系統(tǒng)性能增強(qiáng)，當(dāng)蓄熱系統(tǒng)超過(guò)三級(jí)時(shí)，性能增加不明顯。

FANG"M等人[31]利用數(shù)值模擬的方式研究了不同相變材料組合對(duì)相變蓄熱單元的熔化分?jǐn)?shù)、蓄熱量和熱交換流體出口溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)多種相變材料之間存在最佳比例，且相變材料之間溫差對(duì)相變蓄熱器的性能有很大影響。

ZHAO"Y等人[32]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了級(jí)數(shù)、熱交換流體進(jìn)口溫度和流量對(duì)裝置熱工性能的影響。研究表明，梯級(jí)蓄熱與單級(jí)蓄熱相比，可以提高蓄放熱速率和?效率；較高的熱交換流體進(jìn)口溫度和流量可以提高熱量傳遞速率、和?傳遞速率。

宗弘盛等[33]等利用數(shù)值模擬的方式對(duì)比了單級(jí)、梯級(jí)相變蓄熱裝置在相同工況下的蓄熱量、有效能利用率和傳熱熱流密度，結(jié)果表明，與單級(jí)相變蓄熱裝置相比，梯級(jí)相變蓄熱裝置的蓄熱量提高了16.9%，有效能利用率提高了10.1%，蓄熱/放熱平均熱流密度分別提高97.6％和64.9％。

從上述文獻(xiàn)可知，使用多種相變材料組合進(jìn)行梯級(jí)蓄熱，可有效地加快蓄放熱過(guò)程，提高熱傳遞速率，擴(kuò)展熱能的使用范圍。

5""結(jié)語(yǔ)

在雙碳目標(biāo)的推動(dòng)下，相變蓄熱技術(shù)在余熱利用、清潔能源消納、清潔供暖、火電調(diào)峰等方面具有較大的發(fā)展空間和機(jī)遇。因此，該文對(duì)目前主要的蓄熱方式、相變材料種類(lèi)以及提高相變蓄熱裝置性能的方法進(jìn)行了回顧，將有助于研究人員選擇相變材料及強(qiáng)化換熱方式。通過(guò)總結(jié)，該文得出以下結(jié)論：利用翅片強(qiáng)化相變蓄熱裝置性能是較簡(jiǎn)單有效的方式，翅片可根據(jù)需要將其布置在相變材料側(cè)和熱交換流體側(cè)；對(duì)于梯級(jí)相變蓄熱，目前的研究主要靠數(shù)值模擬進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少；目前蓄熱裝置形式大多為管殼式和套管式，熱交換流體通道占據(jù)了裝置的大部分體積，對(duì)具有較大相變材料填充率的蓄熱裝置研究不足。

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