中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：熱能儲(chǔ)存技術(shù)對解決由可再生能源的瞬時(shí)性及不穩(wěn)定性帶來的問題具有重要意義。相變材料（PCM）作為一種常用的熱能儲(chǔ)存材料，可以在近乎恒定的溫度條件下吸收或釋放大量相變潛熱，具有儲(chǔ)熱密度大等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是多數(shù)PCM的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，影響其儲(chǔ)/釋熱速率和效率，通常需要采用其他方式來強(qiáng)化換熱。其中，將多級具有不同熔點(diǎn)的PCM串聯(lián)并按熔點(diǎn)高低合理布置，是一種有效的強(qiáng)化換熱方式（如圖1所示）。相比單一熔點(diǎn)的相變儲(chǔ)熱單元，多級相變儲(chǔ)熱技術(shù)儲(chǔ)/釋熱速率和效率明顯提高，傳熱及熱力學(xué)性能更加優(yōu)越。
近日，中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心研究人員進(jìn)行了PCM儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬工作。通過測量PCM內(nèi)部溫度，研究了套管式換熱器結(jié)構(gòu)形式的相變換熱器儲(chǔ)熱/釋熱過程，分析得到了換熱器中PCM相變過程中的導(dǎo)熱與自然對流相耦合的傳熱機(jī)制，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，PCM內(nèi)部溫度測點(diǎn)布置如圖3所示。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，研究人員建立了相變模擬方法等效導(dǎo)熱系數(shù)法的新模型，提高了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。研究人員采用新模型對3級串聯(lián)的PCM單元儲(chǔ)熱與單PCM儲(chǔ)熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究，深入分析了各儲(chǔ)熱單元內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)傳熱特性，同時(shí)討論了各工況參數(shù)對PCM單元儲(chǔ)熱的影響作用。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果如圖4所示。
研究結(jié)果表明：（1）PCM的熔化和凝固由導(dǎo)熱和自然對流綜合作用形成，其中熔化過程中導(dǎo)熱開始主導(dǎo)，隨后隨著液態(tài)PCM從上而下的增多，自然對流逐步占據(jù)主導(dǎo)作用；PCM的凝固從底部開始，只在起始非常小段時(shí)間內(nèi)由自然對流主導(dǎo)，隨后由導(dǎo)熱主導(dǎo)；（2）相比單一PCM儲(chǔ)熱單元，3級串聯(lián)的相變儲(chǔ)熱單元明顯提高了儲(chǔ)熱速率，縮短了儲(chǔ)熱時(shí)間；（3）多級串聯(lián)的相變儲(chǔ)熱單元的優(yōu)勢隨著傳熱流體進(jìn)口溫度的升高和流量的增大而減弱。
上述工作得到國家自然科學(xué)基金、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）的支持。研究成果已在Institution of Mechanical Engineers Part A-Journal of Power and Energy上發(fā)表。
圖1 單PCM和3PCMs儲(chǔ)熱單元
圖2 相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖
圖3 相變儲(chǔ)熱單元測控及實(shí)物圖
圖4 數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果
