相变储能强化传热技术的研究进展

金 光，肖安汝，刘梦云

（内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010）

热能储存是有效利用可再生能源的必然选择，在太阳能热利用、余热回收等领域有广泛的研究与应用前景，但因为其不稳定性，储热系统应运而生。储热[1-3]是解决能源供应时间与空间矛盾的有效手段，这反过来又提高了能源系统的性能和可靠性。热能储存分为显热储热[4-5](SHS)、相变储热[6-8](又称潜热储热LHTES)和化学储热[9-10]。显热储热是在不发生相变的条件下，通过储热材料温度的升高来实现储热，因此所储存的能量是材料比热容、温度变化和材料量的函数。显热储热是目前市场应用最多的储热技术，但是它存在储热密度小、储热设备[11]体积大等问题。化学储热虽然具有较高蓄热密度，但是储热过程时常伴随化学反应，其蓄热过程不可控且不安全，导致目前推广受阻[12]。对比显热和化学储热，相变储热有较为恒定的温度和较高的储热密度，相变储热比显热储热的储热密度高出至少5 倍[13-14]。相变蓄热的诸多优点使它到广泛的实际应用[15-16]，尤其是适用于热量供给不连续或供需不平衡工况下。

最早进行相变材料（PCM） 研究的是TELKES20 世纪40 年代中期开始利用PCM 进行太阳能储存并对室内供暖研究，但未受到人们重视。20 世纪60 年代NASA 将PCM 利用到航天航空领域，而国内是由徐祖耀院士最先开始进行相变材料的研究。20 世纪末相变蓄热与太阳能的耦合才得到很多研究人员的重视，在空调、电子、农业等领域逐步兴起。但是相变材料有其应用弱点，相变材料的热导率都偏低[17-20]，因此如何提高相变材料的熔化/凝固速率（即相变材料的强化传热）的研究刻不容缓。

大量的研究人员对相变储能的强化传热技术进行了大量的理论和实验研究，主要研究内容集中在三部分：提高相变材料热导率、优化蓄热设备结构和联合强化传热技术。本文综述了相变蓄热系统中各种强化传热技术的最新进展，为今后相变蓄热强化传热技术的发展提供参考。

1 通过提高相变材料导热率强化传热

提高相变材料的导热率是提高相变蓄热系统整体热性能的一个重要途径[21-24]。通常以相变材料为基础，浸渍高导热率的多孔材料，纳米颗粒的分散来提高相变材料的导热率，从而提高蓄热系统的性能。纳米粒子封装相变材料强化换热是目前最先进的方法，但是本文未对纳米粒子封装相变材料强化换热进行综述，因为该技术的制作成本很高，推广性很低，热稳定性较差而且技术难度非常大，目前该技术大多仅供科学实验研究。

1.1 利用多孔材料强化传热

多孔材料浸渍技术是提高相变蓄热系统中常规PCM 导热性能最快的方法。热量在相变材料与多孔材料之间相互传递，多孔材料的导热系数比PCM 大，使得整体的导热性能提高。膨胀石墨（EG）为碳基多孔材料不仅热导率高，同时成本低廉并且抗腐蚀能力强。ZHONG 等[25]用石蜡和石墨形成复合PCM，对其结构、蓄热量、热扩散系数进行研究。实验结果显示，复合PCM 的热扩散系数比纯石蜡高出190 倍；复合PCM 的潜热值随石蜡质量比的增加而增加，并得出复合材料的孔径尺寸和石墨韧带是提高复合PCM 热扩散率和储热能力的关键。小孔径(较少石蜡填充)和较厚的韧带导致较高的热扩散率；大孔径(较少石蜡填充)和较薄的韧带导致较大的潜热。ZHONG 等[26]利用Ginzburg-Landau 理论对多孔材料耦合相变材料的固液相变进行数值模拟研究，研究结果表明，多孔材料韧带结构的热传导在固液相变中起主导作用。

ZHONG 等[27]采用溶液浸渍法研究了膨胀石墨(EG)与三种不同二元共晶熔盐（LiNO3-KCl、LiNO3-NaNO3和LiNO3-NaCl）耦合的复合相变材料的热特性。结果表明，与其他压缩或渗透法制备的盐/EG 复合材料进行比较，浸渍EG 后，熔盐混合物的热导率提高了4.9 ～6.9 倍，复合材料呈现出更均匀的状态，既提高了蓄热系统的稳定性又提高了蓄热器的效率。陈素清等[28]以溴化氨（CTAB）为改性剂，与氧化石墨烯（GO）还原反应制得功能化石墨烯（CTAB-RGO），与十二醇（CA-LA）作为相变材料混合进行导热增强改性。对新型石墨烯导热增强相变储能材料进行蓄热研究，实验结果显示，CTAB-RGO 的加入提高了CA-LA 相变复合材料的相变潜热、热导率、热稳定性能等。添加1%CTAB-RGO 复合材料的相变潜热相对CA-LA 混合物提高了22%，导热增强率为184%。

综上所述，在相变材料中加入高导热性多孔材料可以显著改善相变过程（熔化/凝固）。大多数研究仅考虑了相变材料的熔化。在今后的研究中，应更多关注相变材料的凝固方面。该技术中的一个重要考虑因素是多孔介质的质量/体积分数，这可能会降低相变蓄热系统的存储容量，确定它们的最佳配比可提高系统综合性能。

1.2 利用多孔材料强化传热

目前，利用高导电纳米材料与PCM 耦合来提高相变材料的热导率的研究得到显著的进展。如使用纳米粒子（如Al、CuO、Cu、SiC）、纳米线（NW）、碳纳米管（CNT）、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等嵌入到常规PCM 中，大大超过了纯相变材料的导热量，因为纳米粒子具有更好的导热性能[23,29-30]。

与金属纳米材料相比，碳纳米材料有较高的热导率。SHAIKH 等[31]研究了碳纳米粒子分散到PCM 对LHTES 系统热性能的影响，考虑三种类型的纳米颗粒样品：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管（MWCNT）和碳纳米纤维。实验结果表明，所有样品的潜热值都比纯蜡要高，蜡/碳纳米管复合材料的潜热值最大增量约为13%。MOTAHAR 等[32]对正十八烷/TiO2纳米粒子的热导率和黏度进行实验研究。无论在固相还是液相中，热导率都是非单调的。在固相中，纳米粒子的质量分数为3%时，热导率提升最大；在液相中，纳米粒子的质量分数为4%时，热导率提升最大；此外，两个阶段的热导率最大平均增强了约5%。WANG 等[33]制备并研究了由石蜡和多壁碳纳米管组成的储热纳米复合材料单元的热性能。实验表明，在固体和液体状态下，热导率分别提高了35.0%和40.0%。DSILVA 等[34]对比了TiO2、CuO、氧化石墨烯（GO）对石蜡的导热性能的影响，与纯石蜡相比，质量分数0.3%的填料分别将PCM 热导率提高了25%、28%、101%。

POHEKAR 等[35]研究具有高热导率铜粒子的管壳式储能单元的热特性。结果表明，加入体积分数为0.1 的铜粒子，相变材料凝固时间缩短了约28%，加入体积分数为0.6 的铜粒子时，凝固时间缩短约85%。同时，分别在铜粒子体积分数为0.1和体积分数0.4，该储能单元的㶲效率提高了12%和40%。KUMARESAN 等[36]研究了分散在液体石蜡中的多壁碳纳米管对传热的影响。研究表明，碳纳米管体积分数的增加会增加复合材料的热导率，而与温度几乎没有关系。SCIACOVELLI 等[37]研究了单个立式管壳式潜热热能储存装置熔化过程，利用计算流体动力学模型，通过焓法研究相变现象。结果表明，相变材料内部的自然对流和HTF 入口温度显著影响相变过程；当添加4%的纳米颗粒添加剂，相变材料熔化时间缩短了15%。LI 等[38]研究不同体积分数的多壁碳纳米管对硬脂酸的熔化/凝固的热性能影响。实验结果显示，多壁碳纳米管有效提高了相变材料的导热性，但是削减了硬脂酸在液态下的自然对流，只有当添加剂的体积分数低于5%时，储能系统的凝固速率才会提高，而且与纯硬脂酸比较，硬脂酸/5%多壁碳纳米管复合相变材料的熔化时间可缩短50%，然而凝固时间提升了91%。

从上述可知，大部分的研究都是实验性的。分散纳米颗粒强化传热这种技术在提高LHTES 系统的热性能方面有很大的潜力，对优化相变蓄热系统的热导率和潜热值有指导性的意义，但是，由于材料物性的原因，不同添加剂与不同相变材料基底的耦合还需要进一步研究，尤其是对添加剂的配比与复合相变材料熔融和凝固速率的此消彼长的研究，相变材料对金属蓄热器的腐蚀等问题是制约相变材料在工业领域应用的瓶颈之一。

2 优化储能设备结构

优化储能设备结构主要是通过延展相变材料传热表面积来提高储能效率。在储能系统中加入翅片来提高PCM 导热性能，是一种较为常见的方法，翅片为蓄热系统增加了额外的传热面积；热管作为一种新型高效的传热设备，也受到各领域的重视，尤其是在热能领域中已得到广泛应用。

2.1 利用翅片强化传热

翅片通常是用于增加PCM 与导热流体（HTF）之间的换热面积，从而提高相变蓄热系统的性能。许多研究者研究在相变蓄热系统中用各种几何结构和不同布置类型的翅片来强化PCM 与传热流体之间的换热，翅片类型如矩形翅片、环形翅片和V 形翅片[39]等。LOHRASBI 等[40]提出一种雪花晶体结构的纵向翅片，模拟研究LHTESS 热特性。结果表明，加入雪花状翅片和普通纵向翅片的LHTESS 凝固速率较光管LHTESS 分别提高了780%和 450%。YUAN 等[41]基于焓-多孔介质建立数学模型，模拟研究不同安装角度的纵向翅片对PCM 熔化特性的影响，结果表明，翅片与竖直方向夹角为0°时，PCM 的熔化时间最短，当夹角大于45°后，增大夹角对PCM 的熔化速率影响不明显。

翅片数量、高度、厚度等对系统性能影响很大，优化这些参数，以最大限度强化传热。STRITIH等[42]用石蜡作为PCM，在凝固和熔融过程中比较了有和无翅片表面的相变蓄热单元的传热特性。实验表明，自然对流是熔化过程中的主要传热方式，翅片的存在对熔化速率的影响不明显，而导热是凝固过程的主要传热方式。在凝固过程中的传热实验结果还表明，由于翅片的存在，凝固时间缩短了40%左右。MAT 等[43]研究了RT82 在三重管换热器（TTHX）系统中的熔化过程，包括内管加热、外管加热和两侧加热的方式。考虑了四种配置，如图1 所示，即无翅片（a）、有内翅片（b）、有外翅片（c）及有内-外翅片（d）。实验结果明，（b、c、d）三种结构在PCM熔化速率上没有显著性差异。但与无翅片（a）相比，有内-外翅片（d）的使用使PCM 的完全熔化时间减少了43.3%。

AGYENIM 等[44]考虑三种水平同心圆管存储单元设备，如图2 所示。一个无翅片(控制PCM单元)（a），一种带有圆形翅片单元（b）和一种带有纵向翅片单元（c）。实验表明，带纵向翅片单元（c）的PCM 可以完全熔化，而且与无翅片同心管（a）相比，总的蓄热多达34.5%。带纵向翅片单元（c）的温度分布比（a）、（c）更均匀，缓解了熔化/凝固“死角”等问题。

RATHOD 等[45]用纵向翅片对壳管式相变蓄热系统的熔化/凝固强化换热进行了实验研究。实验结果表明，传热流体进口温度为80 ℃/85 ℃时，熔化时间分别减少12.5%和24.52%。李南烁等[46]研制了一种翅片盘管式相变储热器，以石蜡R54为相变材料，在3 组不同流量工况下，分别对3 种不同翅片间距的储热器进行了实验研究，分析其不同工况下的温度分布和传热系数情况，得出了该类型相变储热器的储热效率及传热系数与流量成正比、与翅片间距成反比的结论。

由前述可知，翅片的应用可以加速相变材料熔化时间或减少相变材料的凝固时间，从而提高系统的性能。有翅片比无翅片系统的熔化/凝固时间缩短了20%～44%，但是由于翅片结构的原因，会出现熔化/凝固“死角”问题，而且翅片本身占蓄热器容积一定内部空间，翅片越多，蓄热器被占空间越大，蓄热量将会减少，研究者对翅片体积或数量应占蓄热器多大空间关注度比较少，而这一问题却很突出。通过PCM 耦合金属颗粒可以缓解相变“死角”问题，根据用户需求，优先考虑储能设备的蓄热量或蓄放热速率。

图1 四种蓄热装置结构Fig.1 Structure of four heat storage devices

图2 三种设备示意图Fig.2 Schematic diagram of three kinds of equipment

2.2 运用热管强化传热

热管（HP）通过蒸发器和冷凝器中工质的蒸发和冷凝过程来充当HTF 和PCM 之间的热载体，如图3 所示。HP 在相变蓄热系统中的应用是加速PCM 融化/凝固过程的一项重要技术，特别是在制冷和供热、能量回收和散热方面。热管主要有两大类型：一类是有管芯重力热管，另一种是无管芯筛网热管。它们都适用于各种工作流体[47-48]。HP及HTF的选择取决于储能系统工作温度范围[49-50]、尺寸和几何结构。目前最常用的一种热管是管壳式热管。

SHABGARD 等[51]利用二维数值模型研究了HP 耦合相变蓄热单元系统的瞬态特性，同时考虑了HP 间的影响，通过运行三种实验模式（仅有熔化、熔化和凝固、仅有凝固）来验证热管间距是影响系统瞬时特性的关键因素。实验表明，HP 间距最小时，储能单元效率最高大于97%。DIGANT等[52]对管壳式潜热系统装置的垂直和水平方向进行了热性能对比评估。结果表明，与垂直方向相比，水平装置上部相变材料先达到相变点。

图3 热管工作原理Fig.3 Working principle of heat pipe

由于电子科技的高速发展，微热管广泛应用于电子冷却领域。ZHAO 等[53]提出并研究一种耦合振荡热管和PCM 的方法，利用闭环路HP 测试相变材料的凝固/熔化速率。结果显示，随热功率的增加，热阻受安装角度的影响变小。罗孝学等[54]设计并搭建了脉动热管相变蓄热装置并对其优化，对比常规热管进行蓄放热试验,验证在蓄热过程中脉动热管节省了蓄热时间，优化了传热均匀性,但在放热过程中没有优势。NITHYANANDAM 等[55]在PCM 中嵌入热管来降低潜热蓄能系统热阻，增加从HTF 到PCM 的能量传递，使用热阻网格模型确定THES 的设计和操作参数，可最大化地提高能量传输率和有效性。

大量研究者已经得出结论，热管耦合相变材料蓄热效果比翅片、非翅片结构好2 ～3 倍，但目前热管中工作流体的泄漏问题仍是目前的研究难点，微热管技术因电子技术的发展成为当前的研究热点，但研究中对热管耦合相变材料时的机理有所欠缺，相关系统研究有待完善，这些对系统优化至关重要。

3 联合强化传热技术

将两种或两种以上的强化传热技术结合起来，以进一步改善LHTES 系统的整体热性能，是目前较为新颖的方法。管壳式换热器的PCM 储存在壳中，在凝固阶段，已固化的PCM 会增大管与液体PCM 之间的热阻，如果将翅片耦合到管上，液体PCM 可以与传热面积有更好的热接触。对此科学研究者开展了对热管耦合不同形状翅片结构的蓄热特性研究[56-57]。

北京工业大学李凤飞等[58]设计一套平板(翅片）微热管式相变储热换热器实验装置，装置结构如图4 所示。上下风道作为加热段和放热段，风从风道流过与平板微热管换热，以月桂酸作为相变材料，对蓄、放热特性进行实验研究。实验结果表明：该装置的平均蓄放热功率可达418 W 和353 W，总效率可达0.89，该装置可以稳定且高效地储存和释放热量；提高相变材料与换热介质的温差及换热介质流量可显著缩短蓄放热时间。该大学叶三宝等[59]提出将平板热管作为换热元件以强化换热，以石蜡为相变材料，在平板热管两侧添加纵向翅片的新型平板热管式相变蓄热换热器。在不同空气流量和进口温度工况下进行蓄放热分析。实验结果表明，在蓄热过程中，传热流体温度越高，相变材料的熔化速率也越大；在放热过程中，相同的流体温度下，随着流体流速的增大，蓄热器的放热速率逐渐增加。

翅片耦合热管是联合强化换热技术中较为成熟的技术。JUNG 等[60]开发了一个分析模型，用于预测在热管上连接圆形翅片的LHTES 系统的瞬态传热特性。假设熔化/凝固为纯导热，以硝酸钾为相变材料，研究换热器中相变材料的传热速率和温度变化规律。实验表明，将翅片间距从4 mm 增加到16 mm，传热率增加47%。此外，随着间距从16 mm 增加到30 mm，传热率只增加了12%。传热增长率随间距的增大而减小，可能是因为间距的增加伴随着传热面积的减小，从而导致排放传热速率的降低。KHALIFA 等[61]研究了裸热管与具有耦合翅片的同质热管的LHTES 系统的热性能。结果表明，含四块翅片的热管与裸热管相比，整体效率提高24%，但储热能力下降0.89%；含5 块翅片的热管与裸热管相比，整体效率提高34%，但储热能力下降1.07%。TIARI 等[62]对翅片耦合热管的LHTES 系统的热特性进行数值研究，原理如图5 所示。相变材料中嵌入一根或多根热管，热管冷凝部分安装不同长度翅片。实验结果表明，增加翅片长度会使容器内PCM 内温差减小，因此，相变材料中的温度分布更加均匀；自然对流对熔化过程的影响相当大，增加热管数量（减小热管间距）会导致熔化速度增加和底壁温度降低。

图4 平板微热管阵列相变蓄热装置单元Fig.4 Flat micro heat pipe array phase change heat storage device unit

QIU 等[63]利用三维数值模拟研究了翅片耦合热管在高温条件下，潜热储能系统的热特性。模拟结果显示，增加热管的数量会降低系统内的热阻，从而加快融化过程；熔化过程中的自然对流显著提高了熔化速率（近30%），降低了容器底壁温度。KHALIFA 等[64]研究了在凝固过程中翅片耦合HP 组成的LHTES 单元的热性能。研究表明，与纯热管结构相比，12-HP 结构的储存能量提高了140%。SEENIRAJ 等[65]对在熔化模式下，具有翅片和多重PCMs 的太阳能LHTES 系统热性能进行数值模拟研究。实验表明，该结构很好地提高了多重PCM 的熔化速率，HTF 的出口温度趋于稳定。SHARIFI 等[66]采用热管并在相变材料镶嵌金属箔（约1%）的方法，对LHTES 系统中PCM 的熔化和凝固过程进行了数值和实验研究。结果显示，相对于无箔棒的配置，熔化/凝固速率分别增加了约300% 、900%。相对于无箔热管的配置，熔化和凝固速率增加了大约200%和600%。

图5 装置原理Fig.5 Schematic diagram of device

随着制造业的发展，翅片或热管与泡沫金属、纳米复合相变材料耦合等强化传热技术也得到很多研究者的关注。REN等[67]采用数值模拟研究纳米颗粒-金属泡沫复合强化热管辅助LHTES单元的相变材料熔化性能。研究表明，LHTES装置在最佳的金属泡沫孔隙率和热管半径条件下可提高储能效率。此外，发现使用金属泡沫比添加纳米颗粒更有效地提高了相变材料的传热能力。XIE等[68]研究一种嵌在石蜡中的翅片铜泡沫LHTES单元。实验表明，1.0 mm翅片铜泡沫/石蜡复合材料的有效导热率为11.4W∙m-1∙K-1，是无翅片铜泡沫/石蜡复合材料的3.7倍，是纯石蜡材料的42.2倍。ALLEN等[69]研究了LHTES系统倾角的影响，并考虑了6种强化传热方式：HP-箔-PCM，HP-泡沫-PCM，HP-PCM，棒-PCM，泡沫-PCM和非强化PCM。研究表明，具有箔或泡沫的热管的组合相对于非强化系统，熔化和凝固速率分别提高11%和3%。PITCHUMANI等[70]研究了嵌入热管的金属泡沫LHTES单元系统的热特性瞬态计算分析。他们发现其导热率比单一相变材料高出1～2倍；在熔化过程中，传热速率会随金属泡沫孔密度的增加而逐渐减小。

从上述可知，大多数研究采用翅片耦合热管方法来增强传热，值得一提的是，使用其他方法，如金属形式热管、金属泡沫翅片或翅片-多相变材料配置是相当欠缺且新颖的，因此可能是未来研究的潜在领域。

4 结 语

相变材料的低热导率限制了它在相变蓄热领域的发展。相变蓄热在工业余热回收、建筑节能、食品加工等领域得到了广泛的应用。本文综述了相变蓄热系统中各种强化传热技术的最新进展，为今后相变蓄热强化传热的发展提供参考。为了进一步拓宽相变材料的使用领域，本文对未来强化传热方向做出以下几点预测。

（1）优化储能结构是非常成熟的强化传热技术。热管式效果好，热损失少；翅片式结构简单，价格便宜，但是对热管耦合相变材料时的热质传输机理研究有所欠缺，相关数学模型有待建立，相关系统研究也有待完善。

（2）多孔金属作为强化传热添加剂效果最佳，添加多孔金属作为导热添加剂的导热效果比纳米粒子和碳材料好，同时所占的体积比例也大，需要具体分析，而且材料易得且便宜，但是在相变过程中会出现添加剂脱附现象。因此，寻找解决强化传热添加剂与相变材料脱附的方法至关重要，并且要探索添加剂与相变材料的最佳配比，使蓄热系统的整体经济性最佳。

（3）传统翅片可以提高相变速率，但会减少部分蓄热量，寻找高热导率、小密度的新型翅片材料代替传统翅片来提高相变材料熔化/凝固速率，如金属泡沫铝材料并完善相关的实验研究。

联合强化传热技术比本文所提另两种技术效果更好，联合强化传热技术既提高了相变材料热导率又增加了相变材料的传热面积，但还需完善翅片耦合热管技术的数学模型。目前联合传热技术只是初步研究，还需完善联合强化传热技术的相关作用机理，拓展该技术在蓄热领域的研究。