浙江大学范利武团队RSER综述展望文章:相变储热的“快充”途径——接触熔化机制的研究进展与未来展望
发布者:admin | 来源:浙江大学能源工程学院 | 0评论 | 2345查看 | 2021-12-03 19:41:05    

相变储热技术具有储热密度高、工作温度稳定、大规模化成本低等优势,在工业余热回收、可再生能源利用和低碳建筑等领域具有广阔的应用前景,对实现能源转化与利用过程的节能增效,助力“双碳”目标的达成具有重要意义。然而,一般相变材料(特别是石蜡等有机类中低温相变材料)的低热导率会严重影响储热系统的热响应速率和功率密度,制约了相变储热技术的应用与发展。


在熔化(充热)过程中,根据固体相变材料是否有外力固定可分为约束熔化和非约束熔化两大类。以典型球形容器内的非约束熔化过程为例,在重力作用下未熔化固体相变材料由于密度较大会持续下沉,与下半球底部区域的加热壁面保持接触,之间仅由一层熔融的相变材料薄液膜隔开,从而形成所谓的接触熔化状态。在接触熔化过程中,传热由穿过薄液膜的导热占主导;由于液膜厚度极薄(一般在微米级厚度),其整体热阻很小,故在接触熔化区域内可以显著减小传热阻力,从而极大提升充热速率(可缩减时长30%-80%)。


因此,在不同的储热场景中充分利用接触熔化机制是实现相变储热系统“快充”的一种可行途径。该方法具有不增加额外能耗且适用于任意构型的容器的显著优点,但由于其在流动与传热机理上本质的跨尺度复杂性,目前尚未得到充分的理解和运用。有鉴于此,本文系统回顾了接触熔化相关的理论、试验和模拟工作,重点介绍了接触熔化的基本原理、应用现状和强化手段,分析和概述了接触熔化机制应用于相变储热系统的挑战。在此基础上,论文最后对发展基于接触熔化机制实现热能“快充”的相变储热系统进行了展望。


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【文章简介】


1、两种接触熔化模式的简要概述


接触熔化可分为相变材料驱动和热源驱动两种模式。如上所述的在储热系统加热容器/换热器中发生的接触熔化过程就是典型的相变材料驱动模式,其主要发生场景还有食品加工和电子器件热管理等。在这一模式中,由于剩余固体的重量不断减少,使得微液膜的厚度会持续变化,因此导致接触熔化区域内的传热速率也随之动态改变。


热源驱动模式则通常出现于核反应堆堆芯熔融、冰层钻探和减材制造等场景,过热壁面持续熔化固体,并在外加推进力的驱动下保持移动,以形成特定路径的通道。由于这一模式中驱动力通常保持恒定,接触熔化区域内的微液膜厚度也基本保持不变,因而具有稳定的传热速率。


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2、接触熔化现象的机理研究


为了避免容器内非接触熔化区域自然对流的干扰,研究者们通常采用在平面上进行加热试验,以探究相变材料驱动模式下的接触熔化过程机理。利用量纲分析和建立复杂非线性微分方程组等方法,得到了一系列在不同参数条件和模型假设下的理论解析结果。大量模型预测和试验结果证明,在斯蒂芬数小于0.1的条件下,接触熔化区域液膜内的对流效应可以被忽略,传热形式为微液膜内的导热过程。过往研究对加热壁面与微液膜间的传热、剩余固体相变材料与微液膜间的传热、相变材料的物性变化以及离心力和电磁力强化作用等影响因素进行了研究。然而,现有的理论研究尚未对模型假设的合理性达成一致,也缺乏对加热表面形貌结构、相变材料复杂流变特性和高过热度条件(斯蒂芬数小于0.1不再成立)等影响规律的系统研究。


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3、储热单元中接触熔化的试验和理论研究


相变储热单元的经典构型可主要分为圆柱形(或椭圆形)、球形或矩形。在非约束熔化发生过程中,可将容器内的熔融液体分为接触熔化区域和非接触熔化区域。接触熔化区域内主要通过导热形式进行热量输运;而非接触熔化区的体积会随着熔化进行显著增大,因此传热形式会从导热输运转变为自然对流输运。不同容器构型内的接触熔化试验和理论研究均已证明,接触熔化区域的传热速率相比于非接触熔化区域高出至少一个数量级。因此在容器内充分利用接触熔化现象可以极大增强传热速率,减少熔化(充热)时间。


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4、基于接触熔化机制设计储热单元的数值方法


通过数值模拟方法再现容器内的接触熔化过程,对于设计和优化基于接触熔化机制的相变储热装置具有重要意义。由于接触熔化区域的特征尺寸和容器尺寸相比通常相差几个数量级,具有本征的跨尺度特性,因此上世纪80年代的早期相关研究中为了充分利用有限的计算能力,建立了半解析半模拟的计算方法。随着无网格追踪相界面焓法的建立和利用,有研究者提出了在焓法框架中添加力平衡方程或使用浮力项的方法,以实现模拟固液相变过程中剩余固体重力沉降过程。随着计算流体力学的发展,特别是以ANSYS Fluent为代表的商业软件的广泛使用,大量研究者使用基于焓-孔隙率模型的内置模块以模拟固液相变过程,通过设置固液相密度差的方式来实现接触熔化过程。然而由于焓-孔隙率模型具有较多的经验参数以及相变材料固液相密度的温度依赖性,并不能准确捕捉接触熔化相界面。近年来为了提高准确性和收敛性,出现了一些基于改进焓法的接触熔化模拟框架构建工作,以更精确模拟接触熔化区域的相界面演化和熔化速率。


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5、基于接触熔化机制的进一步强化传热方法


随着对接触熔化现象的深入了解,充分利用接触熔化机制并耦合其他方式强化接触熔化区域传热可以进一步提高相变储热系统的充热速率。此类研究工作可分为两条路径,一是通过构型设计形成更大面积的接触熔化区域,二是进一步减小接触熔化区域的热阻。针对前一思路,目前已有工作通过合理布置Y型、螺旋型等不同形状的翅片,在储热单元内形成了大面积接触熔化区域,实现了减少熔化时间达到60%-80%的优秀效果。针对第二种思路,目前已有研究工作通过利用振动、电磁场、添加纳米颗粒和制造功能加热表面等方式,实现了进一步降低接触熔化区域等效热阻的效果。


【总结与展望】


基于接触熔化机制的相变储热系统具有高充热速率、适用于任意构型容器、可与其他强化传热方式耦合以及无额外成本等优势。通过设计功能加热表面、增加接触熔化区域面积、施加额外作用力和改性相变材料等方式可进一步增强接触熔化区域内的传热性能。然而,目前还缺乏对接触熔化过程在复杂流变特性、加热表面形貌结构和运行工况等条件下的规律认知,也尚缺乏接触熔化过程在充/放能循环过程中实现可持续重复和可控触发的应用研究。此外,精确模拟储热单元内接触熔化过程的计算成本仍较高,还需要开发更高效、经济和用户友好型的数值计算框架,以辅助设计下一代基于接触熔化机制的“快充”型相变储热系统。


【论文全文】


网址(在线发表,2022年1月10日可前免费获取):

https://authors.elsevier.com/a/1e77y4s9Hw2Fvz

DOI:https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111918


【团队简介】


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第一作者-胡楠


浙江大学能源工程学院热工与动力系统研究所2018级直博生,师从范利武研究员。主要从事相变储热与土壤热修复过程中的微尺度多相流动传热特性研究,以第一/共同通讯作者在Renewable and Sustainable Energy Reviews、International Journal of Heat and Mass Transfer、ASME Journal of Heat Transfer和Energy等国际传热与能源领域的权威期刊上已发表论文9篇,受邀担任多个高水平国际期刊和国际会议的独立审稿人。曾任浙江大学博士生会执行主席,获浙江大学竺可桢奖学金、浙江省“十佳大学生”、浙江大学“十佳大学生”等奖励荣誉。


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通讯作者-范利武


浙江大学能源工程学院“百人计划”研究员、博士生导师,浙江省杰出青年科学基金获得者,入选浙江省“151人才工程”。现为能源清洁利用国家重点实验(浙江大学)固定成员,任热工与动力系统研究所副所长。


长期从事能源转化、利用与存储过程中的复杂多尺度相变传热传质与流动现象研究,重点关注微纳结构材料及界面在宏观热质输运强化中的应用及其微观机理,主要涉及固液相变传热、沸腾与凝结传热、微纳尺度传热以及多孔介质传热传质等方向。已在Science Advances、ACS Nano、Journal of Materials Chemistry A、Renewable and Sustainable Energy Reviews以及Advances in Colloid and Interface Science等高水平国际期刊上发表论文115篇,其中国际传热学领域两大权威期刊International Journal of Heat and Mass Transfer和ASME Journal of Heat Transfer共48篇。论文被SCI他引3500余次,4篇入选ESI高被引论文,H-index为31。曾获第14届吴仲华优秀青年学者奖,并入选斯坦福大学颁布的2021年度全球前Top 2%顶尖科学家“生涯影响力”和“年度影响力”两大榜单。

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