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基于蜂蜡-热交换器的潜热热能存储系统热性能实验分析

一、作者及发表信息

本研究由Bendida Medjahed（阿尔及利亚阿卜杜勒哈米德·伊本·巴迪斯大学科学与技术学院机械现象数值与实验建模实验室）、Sana Dardouri（突尼斯莫纳斯提尔国家工业工程与热力学实验室）、Omar Elfarouk Goual（同第一作者单位）、Ahmet Yüksel（土耳其亚洛瓦大学）、Müslüm Arıcı（土耳其科贾埃利大学）等合作完成，发表于《Journal of Energy Storage》2024年10月刊（Volume 101, Article 113898）。

二、学术背景

研究领域：本研究属于热能存储（Thermal Energy Storage, TES）领域，聚焦潜热热能存储（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）系统的优化设计。

研究动机：
1. 能源需求与可再生能源的间歇性：全球能源需求增长与可再生能源（如太阳能、风能）的间歇性矛盾，亟需高效储能技术。
2. LHTES系统的优势与瓶颈：LHTES通过相变材料（Phase Change Material, PCM）存储能量，具有高能量密度和近乎恒温的特性，但传统PCM（如石蜡）导热性差（0.2–0.7 W/m·K），制约其大规模应用。
3. 蜂蜡的潜力：蜂蜡作为天然、可再生PCM，具有高熔点（62.95°C）、高热稳定性及环保特性，但此前缺乏对其在水平多管壳式热交换器（Shell-and-Tube Heat Exchanger）中性能的系统研究。

研究目标：
- 开发实验装置，量化蜂蜡-PCM在充/放能过程中的热性能；
- 分析热传输流体（Heat Transfer Fluid, HTF）的流速（V̇ₕₜf）和入口温度（Tᵢₙ）对系统效率的影响；
- 为蜂蜡基LHTES系统的工程设计提供数据支持。

三、研究流程与方法

1. 实验装置设计

• 核心组件：
  
  • 水平多管热交换器：铜制U型管（外径9.5 mm，壁厚0.5 mm），7回路设计，嵌入有机玻璃（Plexiglas）壳体中（尺寸253×310×62 mm），填充4.879 kg蜂蜡（PCM）。
    
  • 温控系统：热水槽（70°C/80°C）与冷水槽（20°C）通过循环泵控制HTF（水）流动，流量范围50–250 L/h。
    
  • 监测系统：5个PT100温度传感器（精度±0.5°C）分布监测PCM温度，2个传感器记录HTF进出口温度。
    

2. 实验流程

• 充电阶段（Melting）：
  
  1. 初始条件：PCM温度≈22°C，HTF以设定Tᵢₙ（70°C或80°C）和V̇ₕₜf（50–250 L/h）循环。
     
  2. 终止条件：PCM与HTF温差°C（|Tₚₖₘ – Tᵢₙ| < 5°C）。
     
• 放电阶段（Solidification）：
  
  1. 初始条件：PCM完全熔化（70°C），HTF以20°C和相同V̇ₕₜf循环。
     
  2. 终止条件：PCM平均温度降至20°C。
     

3. 数据分析方法

• 热力学参数计算：
  
  • 热传输速率（Q̇）：通过HTF质量流量（ṁ）与温差（Tᵢₙ – Tₒᵤₜ）计算（Eq.1）。
    
  • 累积能量（Q）：积分Q̇随时间变化（Eq.2）。
    
  • 系统效率（ε）：基于NTU（传热单元数）模型评估（Eq.9-13）。
    
• 无量纲分析：
  
  • 雷诺数（Re）判断HTF流动状态（湍流/层流）；
    
  • 斯蒂芬数（Ste）量化显热与潜热占比（Eq.8）。
    

4. 创新方法

• 蜂蜡PCM的首次系统测试：针对水平多管壳式LHTES的充/放能特性实验；
  
• 多参数耦合分析：同步考察V̇ₕₜf和Tᵢₙ对相变时间、能量密度的交互影响。
  

四、主要结果

1. 充电性能

• 流速（V̇ₕₜf）的影响：
  
  • V̇ₕₜf从50 L/h增至250 L/h时，充电时间从138分钟缩短至80分钟（Tᵢₙ=70°C），因高流速增强对流换热。
    
  • 但流速>150 L/h后，时间缩短趋缓，受限于蜂蜡的低导热性（图7）。
    
• 温度（Tᵢₙ）的影响：
  
  • Tᵢₙ从70°C升至80°C时，充电时间减少16%（118→99分钟，V̇ₕₜf=100 L/h），因温差驱动热通量增加（图8）。
    

2. 放电性能

• 放电时间显著长于充电（图10），因PCM固化时在管壁形成固态层，热阻增大，抑制传热。
  
• V̇ₕₜf变化对放电时间影响微弱，主导机制为导热而非对流（与充电阶段相反）。
  

3. 系统效率

• 平均效率（ε）：
  
  • 充电阶段ε随V̇ₕₜf增加而降低（0.861→0.326，50→250 L/h），因高流速缩短HTF滞留时间（图11）。
    
  • 与文献对比：本设计在低流速下效率优于多数同类系统（如无翅片管式LHTES）。
    

五、结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次量化蜂蜡在水平多管LHTES中的热性能，揭示充/放能非对称性（放电时间更长）的物理机制。
     
   • 提出V̇ₕₜf与Tᵢₙ的协同优化策略，为PCM选型与热交换器设计提供理论依据。
     
2. 应用价值：
   
   • 蜂蜡的高熔点（≈63°C）适合中温储能（如太阳能热水系统、工业废热回收）；
     
   • 环保特性（可降解、无毒）契合可持续发展需求。
     

六、研究亮点

1. 材料创新：首次将蜂蜡作为PCM应用于水平多管LHTES系统，填补文献空白。
   
2. 方法创新：结合NTU模型与实验，量化效率-流量关系，提出“质量流密度-效率”关联式（Eq.13）。
   
3. 工程启示：指出低导热PCM需优先优化热交换器几何（如增加翅片或纳米添加剂），而非单纯提高HTF流速。
   

七、其他发现

• 蜂蜡的稳定性：实验显示蜂蜡在多次相变循环后未出现明显降解，验证其化学稳定性（与石蜡对比）。
  
• 经济性暗示：蜂蜡成本低于合成PCM（如RT82），但需进一步评估其长期循环耐久性。
  

（全文约2200字）