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相變儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)熱密度高、工作溫度穩(wěn)定、大規(guī)?；杀镜偷葍?yōu)勢(shì)，在工業(yè)余熱回收、可再生能源利用和低碳建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化與利用過程的節(jié)能增效，助力“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成具有重要意義。然而，一般相變材料（特別是石蠟等有機(jī)類中低溫相變材料）的低熱導(dǎo)率會(huì)嚴(yán)重影響儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱響應(yīng)速率和功率密度，制約了相變儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

在熔化（充熱）過程中，根據(jù)固體相變材料是否有外力固定可分為約束熔化和非約束熔化兩大類。以典型球形容器內(nèi)的非約束熔化過程為例，在重力作用下未熔化固體相變材料由于密度較大會(huì)持續(xù)下沉，與下半球底部區(qū)域的加熱壁面保持接觸，之間僅由一層熔融的相變材料薄液膜隔開，從而形成所謂的接觸熔化狀態(tài)。在接觸熔化過程中，傳熱由穿過薄液膜的導(dǎo)熱占主導(dǎo)；由于液膜厚度極?。ㄒ话阍谖⒚准?jí)厚度），其整體熱阻很小，故在接觸熔化區(qū)域內(nèi)可以顯著減小傳熱阻力，從而極大提升充熱速率（可縮減時(shí)長(zhǎng)30%-80%）。

因此，在不同的儲(chǔ)熱場(chǎng)景中充分利用接觸熔化機(jī)制是實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)“快充”的一種可行途徑。該方法具有不增加額外能耗且適用于任意構(gòu)型的容器的顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于其在流動(dòng)與傳熱機(jī)理上本質(zhì)的跨尺度復(fù)雜性，目前尚未得到充分的理解和運(yùn)用。有鑒于此，本文系統(tǒng)回顧了接觸熔化相關(guān)的理論、試驗(yàn)和模擬工作，重點(diǎn)介紹了接觸熔化的基本原理、應(yīng)用現(xiàn)狀和強(qiáng)化手段，分析和概述了接觸熔化機(jī)制應(yīng)用于相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，論文最后對(duì)發(fā)展基于接觸熔化機(jī)制實(shí)現(xiàn)熱能“快充”的相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行了展望。

【文章簡(jiǎn)介】

1、兩種接觸熔化模式的簡(jiǎn)要概述

接觸熔化可分為相變材料驅(qū)動(dòng)和熱源驅(qū)動(dòng)兩種模式。如上所述的在儲(chǔ)熱系統(tǒng)加熱容器/換熱器中發(fā)生的接觸熔化過程就是典型的相變材料驅(qū)動(dòng)模式，其主要發(fā)生場(chǎng)景還有食品加工和電子器件熱管理等。在這一模式中，由于剩余固體的重量不斷減少，使得微液膜的厚度會(huì)持續(xù)變化，因此導(dǎo)致接觸熔化區(qū)域內(nèi)的傳熱速率也隨之動(dòng)態(tài)改變。

熱源驅(qū)動(dòng)模式則通常出現(xiàn)于核反應(yīng)堆堆芯熔融、冰層鉆探和減材制造等場(chǎng)景，過熱壁面持續(xù)熔化固體，并在外加推進(jìn)力的驅(qū)動(dòng)下保持移動(dòng)，以形成特定路徑的通道。由于這一模式中驅(qū)動(dòng)力通常保持恒定，接觸熔化區(qū)域內(nèi)的微液膜厚度也基本保持不變，因而具有穩(wěn)定的傳熱速率。

2、接觸熔化現(xiàn)象的機(jī)理研究

為了避免容器內(nèi)非接觸熔化區(qū)域自然對(duì)流的干擾，研究者們通常采用在平面上進(jìn)行加熱試驗(yàn)，以探究相變材料驅(qū)動(dòng)模式下的接觸熔化過程機(jī)理。利用量綱分析和建立復(fù)雜非線性微分方程組等方法，得到了一系列在不同參數(shù)條件和模型假設(shè)下的理論解析結(jié)果。大量模型預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果證明，在斯蒂芬數(shù)小于0.1的條件下，接觸熔化區(qū)域液膜內(nèi)的對(duì)流效應(yīng)可以被忽略，傳熱形式為微液膜內(nèi)的導(dǎo)熱過程。過往研究對(duì)加熱壁面與微液膜間的傳熱、剩余固體相變材料與微液膜間的傳熱、相變材料的物性變化以及離心力和電磁力強(qiáng)化作用等影響因素進(jìn)行了研究。然而，現(xiàn)有的理論研究尚未對(duì)模型假設(shè)的合理性達(dá)成一致，也缺乏對(duì)加熱表面形貌結(jié)構(gòu)、相變材料復(fù)雜流變特性和高過熱度條件（斯蒂芬數(shù)小于0.1不再成立）等影響規(guī)律的系統(tǒng)研究。

3、儲(chǔ)熱單元中接觸熔化的試驗(yàn)和理論研究

相變儲(chǔ)熱單元的經(jīng)典構(gòu)型可主要分為圓柱形（或橢圓形）、球形或矩形。在非約束熔化發(fā)生過程中，可將容器內(nèi)的熔融液體分為接觸熔化區(qū)域和非接觸熔化區(qū)域。接觸熔化區(qū)域內(nèi)主要通過導(dǎo)熱形式進(jìn)行熱量輸運(yùn)；而非接觸熔化區(qū)的體積會(huì)隨著熔化進(jìn)行顯著增大，因此傳熱形式會(huì)從導(dǎo)熱輸運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀粚?duì)流輸運(yùn)。不同容器構(gòu)型內(nèi)的接觸熔化試驗(yàn)和理論研究均已證明，接觸熔化區(qū)域的傳熱速率相比于非接觸熔化區(qū)域高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在容器內(nèi)充分利用接觸熔化現(xiàn)象可以極大增強(qiáng)傳熱速率，減少熔化（充熱）時(shí)間。

4、基于接觸熔化機(jī)制設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱單元的數(shù)值方法

通過數(shù)值模擬方法再現(xiàn)容器內(nèi)的接觸熔化過程，對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于接觸熔化機(jī)制的相變儲(chǔ)熱裝置具有重要意義。由于接觸熔化區(qū)域的特征尺寸和容器尺寸相比通常相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，具有本征的跨尺度特性，因此上世紀(jì)80年代的早期相關(guān)研究中為了充分利用有限的計(jì)算能力，建立了半解析半模擬的計(jì)算方法。隨著無網(wǎng)格追蹤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項(xiàng)的方法，以實(shí)現(xiàn)模擬固液相變過程中剩余固體重力沉降過程。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，特別是以ANSYS Fluent為代表的商業(yè)軟件的廣泛使用，大量研究者使用基于焓-孔隙率模型的內(nèi)置模塊以模擬固液相變過程，通過設(shè)置固液相密度差的方式來實(shí)現(xiàn)接觸熔化過程。然而由于焓-孔隙率模型具有較多的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以及相變材料固液相密度的溫度依賴性，并不能準(zhǔn)確捕捉接觸熔化相界面。近年來為了提高準(zhǔn)確性和收斂性，出現(xiàn)了一些基于改進(jìn)焓法的接觸熔化模擬框架構(gòu)建工作，以更精確模擬接觸熔化區(qū)域的相界面演化和熔化速率。

5、基于接觸熔化機(jī)制的進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱方法

隨著對(duì)接觸熔化現(xiàn)象的深入了解，充分利用接觸熔化機(jī)制并耦合其他方式強(qiáng)化接觸熔化區(qū)域傳熱可以進(jìn)一步提高相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的充熱速率。此類研究工作可分為兩條路徑，一是通過構(gòu)型設(shè)計(jì)形成更大面積的接觸熔化區(qū)域，二是進(jìn)一步減小接觸熔化區(qū)域的熱阻。針對(duì)前一思路，目前已有工作通過合理布置Y型、螺旋型等不同形狀的翅片，在儲(chǔ)熱單元內(nèi)形成了大面積接觸熔化區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了減少熔化時(shí)間達(dá)到60%-80%的優(yōu)秀效果。針對(duì)第二種思路，目前已有研究工作通過利用振動(dòng)、電磁場(chǎng)、添加納米顆粒和制造功能加熱表面等方式，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步降低接觸熔化區(qū)域等效熱阻的效果。

【總結(jié)與展望】

基于接觸熔化機(jī)制的相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有高充熱速率、適用于任意構(gòu)型容器、可與其他強(qiáng)化傳熱方式耦合以及無額外成本等優(yōu)勢(shì)。通過設(shè)計(jì)功能加熱表面、增加接觸熔化區(qū)域面積、施加額外作用力和改性相變材料等方式可進(jìn)一步增強(qiáng)接觸熔化區(qū)域內(nèi)的傳熱性能。然而，目前還缺乏對(duì)接觸熔化過程在復(fù)雜流變特性、加熱表面形貌結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況等條件下的規(guī)律認(rèn)知，也尚缺乏接觸熔化過程在充/放能循環(huán)過程中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)重復(fù)和可控觸發(fā)的應(yīng)用研究。此外，精確模擬儲(chǔ)熱單元內(nèi)接觸熔化過程的計(jì)算成本仍較高，還需要開發(fā)更高效、經(jīng)濟(jì)和用戶友好型的數(shù)值計(jì)算框架，以輔助設(shè)計(jì)下一代基于接觸熔化機(jī)制的“快充”型相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

【論文全文】

網(wǎng)址（在線發(fā)表，2022年1月10日可前免費(fèi)獲?。?/p>

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

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

【團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介】

第一作者-胡楠

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所2018級(jí)直博生，師從范利武研究員。主要從事相變儲(chǔ)熱與土壤熱修復(fù)過程中的微尺度多相流動(dòng)傳熱特性研究，以第一/共同通訊作者在Renewable and Sustainable Energy Reviews、International Journal of Heat and Mass Transfer、ASME Journal of Heat Transfer和Energy等國(guó)際傳熱與能源領(lǐng)域的權(quán)威期刊上已發(fā)表論文9篇，受邀擔(dān)任多個(gè)高水平國(guó)際期刊和國(guó)際會(huì)議的獨(dú)立審稿人。曾任浙江大學(xué)博士生會(huì)執(zhí)行主席，獲浙江大學(xué)竺可楨獎(jiǎng)學(xué)金、浙江省“十佳大學(xué)生”、浙江大學(xué)“十佳大學(xué)生”等獎(jiǎng)勵(lì)榮譽(yù)。

通訊作者-范利武

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院“百人計(jì)劃”研究員、博士生導(dǎo)師，浙江省杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選浙江省“151人才工程”?，F(xiàn)為能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)（浙江大學(xué)）固定成員，任熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所副所長(zhǎng)。

長(zhǎng)期從事能源轉(zhuǎn)化、利用與存儲(chǔ)過程中的復(fù)雜多尺度相變傳熱傳質(zhì)與流動(dòng)現(xiàn)象研究，重點(diǎn)關(guān)注微納結(jié)構(gòu)材料及界面在宏觀熱質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)化中的應(yīng)用及其微觀機(jī)理，主要涉及固液相變傳熱、沸騰與凝結(jié)傳熱、微納尺度傳熱以及多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)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等高水平國(guó)際期刊上發(fā)表論文115篇，其中國(guó)際傳熱學(xué)領(lǐng)域兩大權(quán)威期刊International Journal of Heat and Mass Transfer和ASME Journal of Heat Transfer共48篇。論文被SCI他引3500余次，4篇入選ESI高被引論文，H-index為31。曾獲第14屆吳仲華優(yōu)秀青年學(xué)者獎(jiǎng)，并入選斯坦福大學(xué)頒布的2021年度全球前Top 2%頂尖科學(xué)家“生涯影響力”和“年度影響力”兩大榜單。