类型a：

热储能系统效率提升研究：相变材料集成楔形换热器的几何分析

1. 主要作者及发表信息
本研究由Houssam Eddine Abdellatif（阿尔及利亚斯基克达大学机械工程系）、Ahmed Belaadi（通讯作者，同机构）、Adeel Arshad（英国埃克塞特大学环境与可持续发展研究所）、Boon Xian Chai（澳大利亚斯威本科技大学工程学院）及Djamel Ghernaout（沙特哈伊勒大学化学工程系）共同完成，发表于2025年的*Applied Thermal Engineering*期刊（卷262，文章编号125268）。

2. 学术背景
研究领域与背景：
随着全球能源需求激增，可再生能源（如太阳能、风能）的间歇性限制了其广泛应用。热储能系统（Thermal Energy Storage, TES）通过储存热能弥补供需缺口，其中潜热储能（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）因高能量密度和等温特性成为研究热点。然而，相变材料（Phase Change Material, PCM）的低导热性导致熔化时间长、效率低。现有研究多关注圆形换热器，而对非对称几何（如楔形结构）及其与翅片的协同效应研究不足。

研究目标：
通过改变内管、外壳几何形状及添加翅片，分析其对PCM熔化时间、能量存储容量、努塞尔数（Nusselt Number）及经济性能的影响，提出优化设计以提高TES效率。

3. 研究流程与方法
实验设计：
研究设计了10种换热器构型（Case 01–10），逐步改进几何特征：
- 初始构型（Case 01）：圆形外壳（直径150 mm）与圆形内管（直径50.8 mm）。
- 几何改进：Case 02–04分别采用水平/垂直双楔形内管和三楔形内管；Case 05–07将外壳改为与内管平行的楔形；Case 08–10进一步集成翅片（长度10–40 mm，厚度0.5 mm）。
- PCM选择：使用RT82（熔点350–358 K），其无过冷效应且寿命长；水作为传热流体（Heat Transfer Fluid, HTF）。

数值模拟方法：
- 模型假设：二维瞬态层流、不可压缩流动，采用焓-孔隙度模型（Enthalpy-Porosity）模拟固-液相变，考虑自然对流与导热的耦合作用。
- 控制方程：包括连续性方程、动量方程（含Boussinesq近似）及能量方程，通过ANSYS Fluent 2023-R1求解，采用PRESTO!压力修正方案和QUICK能量离散格式。
- 网格与时间步验证：通过网格独立性（0.6–0.8 mm单元）和时间步（0.1–1 s）验证，最终选用15,337个单元和1 s时间步。

4. 主要结果
熔化性能：
- 熔化时间：Case 10（三楔形内管+平行外壳+翅片）熔化时间最短（2560 s），较基准Case 01（5920 s）缩短56.75%。
- 温度与液相分数：Case 10在1440 s时液相分数达83.92%，显著高于其他构型（如Case 07为65.54%），归因于翅片增强的对流效应。

能量存储与经济性：
- 储能容量：Case 05（双楔形内管+平行外壳）储能最高（3076 kJ），Case 10次之（3070 kJ）。
- 经济指标（PC）：Case 10的PC值达10.6 J/(s·$)，成本效益最优。

努塞尔数分析：
熔化过程分为三阶段：初始传导（高Nu）、强对流（Nu波动）及弱对流（Nu稳定）。Case 10的Nu峰值对应其高效传热特性。

5. 结论与价值
科学价值：
- 揭示了楔形几何与翅片对PCM熔化行为的协同优化机制，为TES设计提供新思路。
- 验证了焓-孔隙度模型在非对称几何相变模拟中的适用性。

应用价值：
- 缩短熔化时间可提升可再生能源系统的响应速度；高储能密度设计适用于太阳能热发电等领域。
- 经济性分析为工业选型提供依据，Case 10兼具高效与低成本优势。

6. 研究亮点
- 创新几何设计：首次系统研究楔形内管与平行外壳的耦合效应，并量化翅片布局的影响。
- 多目标优化：综合评估热性能（熔化时间、Nu数）与经济性，提出平衡方案。
- 方法学贡献：通过网格自适应与高精度数值方法，解决了复杂几何下的相变界面追踪难题。

7. 其他价值
研究建议未来结合纳米颗粒（如石墨烯）或分形翅片进一步优化，并开展实验验证。此外，人工智能辅助设计可加速构型筛选。

（注：全文严格遵循术语规范，如首次出现“焓-孔隙度模型（Enthalpy-Porosity）”时标注英文，后续使用中文表述。）