综述：含有固液相变材料的潜热热能储存系统中的三阶段传热路径

《Carbon Energy》：Three-Stage Heat Transfer Pathways in the Latent Heat Thermal Energy Storage System With Solid–Liquid Phase-Change Materials

SLPCM-LHTES系统利用固-液相变材料实现高效热能存储，其三阶段热传递机制（外部加热、界面热传递、内部相变）为优化热效率提供理论框架。通过分析各阶段影响因素及热传递机制，总结出提升效率的策略，并探讨其在建筑节能、纺织和电池热管理中的应用及未来研究方向。

　　### 热能存储技术的创新与发展：聚焦于固液相变材料的三阶段传热路径

随着全球能源结构的不断演变，传统化石燃料的使用正逐渐被可再生能源所取代。然而，可再生能源具有间歇性和不稳定性，这使得能源供需之间的匹配成为一大挑战。在此背景下，热能存储技术（Thermal Energy Storage, TES）被广泛认为是解决这一问题的关键手段之一。特别是，潜热热能存储系统（Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES）因其独特的能量存储机制而备受关注。其中，固液相变材料（Solid–Liquid Phase-Change Materials, SLPCMs）作为储能介质，展现出诸多优势，例如系统结构简单、温度控制稳定、能量密度高，从而在多个应用领域中展现出巨大的潜力。

为了进一步提升潜热热能存储系统的性能，特别是在其应用范围和效率方面，研究者们不断探索如何优化其内部的传热过程。这一研究的核心在于对SLPCM-LHTES中传热机制的深入理解。在此基础上，本文提出了一种全新的三阶段传热路径模型，从理论层面系统分析了SLPCM-LHTES的传热过程，并探讨了提升其传热效率的策略。同时，还对SLPCM-LHTES在建筑节能、纺织服装和电池热管理等领域的实际应用进行了总结。最后，本文也展望了该领域未来的研究方向，旨在为推动热能存储技术的可持续发展提供理论支持和实践指导。

### SLPCM-LHTES的传热机制与三阶段路径

在SLPCM-LHTES中，热能的传递并非单一过程，而是通过一系列复杂的物理机制逐步实现的。研究者们普遍认为，SLPCM-LHTES的传热过程可以分为三个主要阶段：外部加热、界面传热和内在相变传热。这三个阶段相互关联，共同决定了系统的整体热效率。

#### 外部加热：传热过程的起点

外部加热是SLPCM-LHTES传热的首要环节，指的是热源将热量传递至系统的边界。这一阶段的传热效率受到多种因素的影响，包括加热方式、加热方向以及加热强度。加热方式可以分为恒温加热、恒热流加热以及对流加热，每种方式对传热过程的影响不同。例如，恒温加热能够维持系统的稳定温度，而恒热流加热则更适用于快速加热需求。加热方向则决定了热量如何在系统内部分布，不同方向的加热可能会引发不同的自然对流现象，从而影响相变材料的熔化速度和均匀性。此外，加热强度，即单位时间内传递的热量，也直接决定了系统的响应速度和热能储存能力。

为了提升这一阶段的传热效率，研究者们采取了多种措施，例如优化加热装置的结构、改善热源与系统之间的热接触方式等。一些实验表明，通过增加加热面积或改进加热路径，可以有效提高系统的整体热能输入效率。此外，使用高效的热传导材料，如金属或石墨烯，也能在一定程度上提升外部加热的效率。

#### 界面传热：热量从边界向内部传递的关键

在外部加热之后，热量需要通过系统容器的壁面传递至相变材料内部，这一过程被称为界面传热。界面传热的效率受到系统封装结构、容器尺寸和形状以及是否应用了翅片结构等因素的影响。例如，容器的尺寸决定了其与外部环境之间的热接触面积，从而影响传热速率。此外，容器的几何形状，如圆形、方形或矩形，也会影响热量的分布和流动方向。

翅片结构的应用在提升界面传热效率方面发挥了重要作用。翅片能够显著增加传热面积，促进热传导和自然对流的协同作用，从而加快热量的传递速度。一些研究显示，采用特定的翅片形状，如V形翅片，可以提高相变材料的熔化率。例如，有研究表明，V形翅片能够使相变材料的熔化率提升32.3%。此外，容器的材料和表面处理方式也对界面传热产生重要影响。使用高导热性材料或增加表面粗糙度等方法，有助于减少热阻，提高传热效率。

#### 内部相变传热：系统核心的热能储存过程

第三阶段的传热过程是SLPCM-LHTES的核心环节，即相变材料在熔化或凝固过程中的传热。相变材料在固液相变过程中会吸收或释放大量的潜热，这一特性使其成为高效的储能介质。然而，由于相变材料本身的导热性能较低，内部传热效率往往成为限制系统性能的关键因素。

相变材料的相变过程可以分为三个阶段：初始阶段的显热吸收、相变过程的潜热吸收以及后续阶段的显热释放。在初始阶段，相变材料吸收热量，温度逐渐升高，直到达到熔点。此时，热量主要通过热传导方式传递，而随着温度的升高，自然对流逐渐成为主导的传热机制。在自然对流阶段，热量通过流体运动在相变材料内部传递，从而加速熔化过程。最终，当相变材料完全熔化后，其温度会继续上升，进入显热吸收阶段。

为了提高这一阶段的传热效率，研究者们采取了多种策略，包括对相变材料进行改性、微封装或纳米封装等。这些方法能够有效提升相变材料的导热性能，从而改善其内部传热能力。例如，将铜纳米颗粒掺入石蜡中，可以显著提高其导热系数和熔化速率。此外，使用微胶囊技术，将相变材料包裹在高导热性的外壳中，也能有效提升其热传导能力，从而加快相变过程。

### 研究方法：实验与数值模拟的结合

为了全面理解SLPCM-LHTES的传热过程，研究者们通常采用实验和数值模拟相结合的方法。实验方法主要包括设计实验系统、观察相变过程以及分析相关数据。在实验过程中，研究者们通常选择具有简单几何形状的容器，如圆柱形或矩形容器，以便于观察和测量相变过程中的温度变化和流体运动。此外，使用红外液态晶体成像技术、数字摄像机记录等方法，可以实时捕捉相变过程中的界面演变情况，为后续分析提供可靠的数据支持。

然而，实验方法也存在一定的局限性，例如难以精确控制温度梯度、难以测量界面运动等。因此，数值模拟方法成为研究SLPCM-LHTES传热过程的重要工具。数值模拟方法主要依赖于数学建模和计算仿真，能够更准确地预测相变过程中的热能变化。其中，常用的数学模型包括焓法模型和等效比热模型。

#### 焓法模型：统一描述热能变化

焓法模型是一种能够统一描述相变材料在固液相变过程中能量变化的方法。该模型将焓和温度作为主要的控制变量，能够有效处理相变过程中温度范围的变化。在焓法模型中，相变材料的区域被划分为固相、液相以及介于两者之间的糊状区（mushy zone）。在糊状区，相变材料处于部分熔化状态，其导热性能和流动特性均受到温度的影响。

此外，焓法模型还引入了动量源项，以描述糊状区中由于孔隙度变化而引起的动量损失。这一项在模型中起到关键作用，能够准确反映相变材料在熔化过程中流体动力学行为的变化。例如，当相变材料的液相分数增加时，糊状区的孔隙度降低，动量源项随之变化，从而影响整个系统的传热效率。

#### 等效比热模型：简化相变过程的计算

等效比热模型是一种将相变材料的潜热转化为等效比热的方法，使得整个传热过程可以被简化为一个连续的热传导过程。在这一模型中，相变温度被视为一个固定值，而相变材料的熔化或凝固过程则通过等效比热的计算来体现。这种方法能够避免对相变界面进行复杂的跟踪，从而降低计算复杂度。

等效比热模型的计算公式通常包括三个部分：固相、液相以及相变区域。在固相区域，比热主要由固相材料的比热决定；在液相区域，比热则由液相材料的比热决定；而在相变区域，比热则由固相和液相的比热以及潜热共同决定。这种方法不仅能够有效模拟相变过程，还能提供更加直观的热能变化曲线。

### 应用领域：SLPCM-LHTES的多场景应用

SLPCM-LHTES由于其优异的热存储性能和良好的温度控制能力，已经被广泛应用于多个领域。例如，在建筑节能方面，SLPCM-LHTES可以用于调节室内温度，减少空调和采暖系统的能耗。在纺织服装领域，SLPCM-LHTES被用于开发具有温度调节功能的智能织物，提高穿着的舒适性。此外，在电池热管理方面，SLPCM-LHTES可以用于吸收电池在充放电过程中产生的热量，防止电池过热，提高其使用寿命和安全性。

这些应用的实现依赖于SLPCM-LHTES在不同场景下的传热性能优化。例如，在建筑节能应用中，需要确保相变材料能够均匀吸收和释放热量，以维持室内温度的稳定。在纺织服装领域，相变材料的性能需要满足轻便、舒适和耐用的要求。而在电池热管理中，相变材料的导热性能和响应速度则成为关键因素。

### 挑战与未来发展方向

尽管SLPCM-LHTES在多个领域展现出巨大的应用潜力，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，相变材料的导热性能较低，这限制了系统的整体传热效率。其次，相变材料在熔化和凝固过程中可能产生体积变化，导致容器内部压力变化，影响系统的稳定性。此外，相变材料的热稳定性、循环使用性能以及成本问题也是研究者们关注的重点。

未来，研究者们可以通过多种手段来解决这些问题。例如，通过材料改性和纳米封装技术，可以有效提升相变材料的导热性能。同时，开发新型相变材料，如具有更高潜热和更宽温度范围的材料，也可能是提升系统性能的重要方向。此外，优化系统的封装结构和传热设计，如采用更高效的翅片结构或优化容器的几何形状，也有助于提高系统的整体效率。

### 结论

SLPCM-LHTES作为一种具有广阔应用前景的热能存储技术，其传热性能的优化是实现高效储能的关键。通过提出三阶段传热路径模型，本文系统分析了SLPCM-LHTES的传热机制，并总结了提升传热效率的策略。同时，本文还探讨了SLPCM-LHTES在多个领域的实际应用，并指出了该领域未来的研究方向。随着研究的深入和技术的进步，SLPCM-LHTES有望在未来成为解决全球能源危机的重要手段之一。