学术研究报告：基于传热优化的相变储热换热器传热性能研究

一、作者与发表信息
本研究由Xiaodong Dong（西藏自治区能源研究示范中心）和Chuanhui Zhu（浙江水利水电学院电气工程学院）合作完成，论文题为《Research on the Heat Transfer Performance of Phase Change Heat Storage Heat Exchangers Based on Heat Transfer Optimization》，发表于期刊《Energies》2024年第17卷，文章编号4150，2024年8月21日正式出版。

二、学术背景与研究目标
在全球能源结构转型与“双碳”目标背景下，相变储热技术因其高效解决热能供需时空错配问题而备受关注。然而，相变材料（Phase Change Material, PCM）的低导热性导致储热/释热过程中易出现“热陷阱”（thermal storage trap）和局部过热等问题，成为制约技术应用的瓶颈。本研究聚焦于蛇形管式相变储热换热器，旨在通过优化翅片数量与冷却液流速等参数，提升其传热效率，为太阳能热发电、建筑节能等领域提供技术参考。

三、研究流程与方法
1. 模型构建与参数设定
- 几何模型：采用蛇形管道布局的矩形换热器模型，具体参数包括换热管内径8 mm、翅片间距5 mm、厚度0.1 mm（详见表1）。
- 材料选择：相变材料为石蜡（paraffin wax），换热管为铜（copper），翅片为铝（aluminum），冷却液为水，其热物性参数通过实验与文献综合确定（见表2）。
- 网格划分：通过COMSOL软件（版本5.2）进行多物理场耦合仿真，网格单元尺寸优化为0.00739–0.0591 m，平衡计算精度与效率（图6）。

1. 数学建模与控制方程

   • 相变区传热方程（式1）：基于能量守恒定律，描述石蜡的固液相变过程，考虑导热与自然对流效应。
     
   • 冷却液对流方程（式2）：引入体积分数ε和接触面积A_p，量化流体与固体的热交换强度。
     
   • 质量守恒方程（式3）：用于模拟冷却液流动的连续性。
     

2. 仿真实验设计

   • 变量控制：
     
     • 翅片数量：对比无翅片、5翅片、7翅片三种结构（图8、图11）。
       
     • 冷却液流速：设置0.1 m/s与0.3 m/s两组流速。
       
   • 边界条件：石蜡外壳初始温度333.15 K，冷却液入口温度283.15 K，其余部分为293.15 K，模拟时长5分钟。
     

3. 数据分析方法

   • 通过瞬态响应分析获取温度场分布（图9、图12），提取出口水温、石蜡侧温度等关键参数。
     
   • 敏感性分析（表8）：量化翅片数量与流速对传热效率的影响权重，计算灵敏度系数。
     

四、主要研究结果
1. 翅片数量的影响
- 无翅片模型：5分钟内石蜡温度降至289.58 K，降温幅度13.07%，效率较低（表3）。
- 5翅片模型：石蜡温度降至283.97 K，降温幅度14.76%，效率最优（表4）。
- 7翅片模型：温度降至289.43 K，效率反低于5翅片模型（表5），表明翅片密度过高会阻碍热扩散（图13）。

1. 冷却液流速的影响

   • 流速0.1 m/s时，5秒内石蜡温度快速降至291.49 K，降温速率显著高于0.3 m/s工况（表6）。
     
   • 非正相关现象：高流速（0.3 m/s）导致冷却液滞留时间不足，热交换不充分（图14）。
     

2. 敏感性分析结论

   • 翅片数量的灵敏度系数（0.437）高于流速（0.271），表明结构优化对效率提升更关键（表8）。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了翅片数量与传热效率的非线性关系，挑战了“翅片越多越好”的传统认知。
- 证实冷却液流速存在最优阈值，为工程参数设计提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 提出5翅片+0.1 m/s流速的优化组合，可在5分钟内实现14.76%的温降，适用于太阳能热发电系统的高效储热。
     
   • 研究方法可扩展至其他相变材料（如熔盐、共晶盐）的换热器设计。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：结合COMSOL多物理场仿真与敏感性分析，量化结构参数与流动参数的耦合效应。
2. 发现颠覆性：首次指出7翅片结构的效率劣势，为紧凑型换热器设计提供新思路。
3. 工程指导性：明确“低流速高传热”的逆向规律，降低系统泵功消耗。

七、其他重要内容
- 研究对比了Cao等[2]的分形翅片、Zhou等[5]的矩形单元等文献结果，验证了蛇形管布局在均温性上的优势。
- 局限性：未考虑实际工况中的振动、腐蚀等动态因素，未来需结合实验进一步验证。

（注：文中所有专业术语如“thermal storage trap”首次出现时均标注英文原词，后续使用中文表述。）