类型a：学术研究报告
作者及机构
本研究的通讯作者为Deqiu Zou（宁波大学海运与交通学院），合作作者包括Yunwei Chang、Xijia Zhou、Chenwu Shi和Shuyan Zhu，均来自宁波大学。该研究发表于2025年3月的《Applied Thermal Engineering》期刊（Volume 272, Article 126384）。
学术背景
本研究属于热能存储与传热领域，聚焦于中温相变材料（Phase Change Material, PCM）在直接接触式换热器中的应用。传统PCM因导热系数低、需通过管道间接传热，导致效率低下。为解决这一问题，研究团队开发了一种基于己二酸（adipic acid）/SnBi58微胶囊化相变材料（Microencapsulated PCM, MEPCM）与陶瓷基复合的新型定形相变储热材料，兼具高导热率和高潜热特性。研究目标包括：（1）验证该复合材料在直接接触换热系统中的热性能；（2）探索入口温度、质量流量及储热单元排列方式对性能的影响；（3）为高导热、高储热密度直接接触换热器的设计提供新思路。
研究流程
材料制备与系统构建
- 复合材料合成：采用“双层包覆-牺牲内层”技术制备SnBi58合金MEPCM（相变温度140.8℃），与陶瓷基体（Al₂O₃和玻璃粉）及造孔剂混合形成多孔陶瓷，再浸渍高潜热的己二酸（相变温度157.3℃），最终形成二元陶瓷复合相变材料。
- 实验系统：搭建中温热储实验系统，储热罐内放置100个圆柱形储热单元（直径30 mm，厚度6 mm），以硅油为传热流体，通过直接接触换热实现热传递。
实验设计
- 变量控制：研究硅油入口温度（175℃、180℃、185℃）和质量流量（14.40 kg/h、17.28 kg/h、20.16 kg/h）对储热性能的影响。
- 数据采集：布置5个温度监测点（入口、出口及内部3点），每2秒记录一次数据，分析温度响应曲线、熔化时间、储热密度等参数。
数值模拟
- 模型建立：通过流体-固体耦合模型及熔化/凝固模型，对比四种材料（纯陶瓷、SnBi58 MEPCM陶瓷复合材料、己二酸陶瓷复合材料、己二酸/SnBi58 MEPCM复合材料）的热性能。
- 网格独立性验证：采用144,991网格单元，确保计算精度与效率。
性能分析
- 实验验证：模拟结果与实验数据吻合良好（最大误差7.4%），验证了模型的可靠性。
- 参数优化：探究储热单元非交错与交错排列对流体扰动和传热效率的影响。
主要结果
材料性能
- 己二酸/SnBi58 MEPCM复合材料的平均储热负荷达1375.14 W/(m³·K)，是其他储热装置的3.54倍；其相变持续时间分别为SnBi58 MEPCM陶瓷复合材料和己二酸陶瓷复合材料的2.51倍和1.22倍。
操作参数影响
- 质量流量：流量从14.40 kg/h增至20.16 kg/h时，平均储热速率提升42.82%，相变时间缩短39.28%。
- 入口温度：温度从175℃升至185℃，平均熔化时间减少456秒（降幅24%），储热时间缩短10.74%。
- 排列方式：交错排列使储热单元与硅油接触面积增大，流体扰动增强，平均储热时间减少11.96%。
系统优势
- 直接接触换热消除了管壁热阻，储热效率显著高于传统壳管式或填充床换热器。
结论与价值
1. 科学价值
- 首次将金属MEPCM与有机酸复合，解决了金属PCM潜热低和有机PCM导热性差的矛盾，为二元复合相变材料设计提供了新范式。
- 揭示了直接接触换热中流体参数与材料排列的协同优化机制。
- 应用价值
- 该复合材料可应用于太阳能热发电、工业废热回收等领域，提升中温储热系统的能量密度与响应速度。
- 研究提出的交错排列策略为紧凑型换热器设计提供了工程指导。
研究亮点
1. 材料创新：通过多孔陶瓷载体与双相变材料（金属/有机）的复合，实现了高导热（2.18 W/(m·K)）与高潜热（92.73 kJ/kg）的协同。
2. 方法创新：结合实验与模拟，量化了直接接触换热的效率优势（储热负荷提升254.46%）。
3. 工程启示：证明了无需管道的直接接触换热在降低热阻方面的潜力，为下一代储热设备设计开辟了新路径。
其他价值
研究指出，未来需进一步测试材料在热冲击下的长期循环稳定性，并探索熔融盐替代己二酸以适配更高温应用。