基于相变材料的热储能模块中强化传热技术促进熔融与凝固的优化研究

本文推荐：该研究通过对比不锈钢棉、铝棉和铝蜂窝结构三种强化传热元件在矩形相变材料（PCM）热储能模块中的性能，揭示了铝蜂窝结构在提升充/放电效率（充电因子3.11，放电因子3.88）中的显著优势。其创新性在于结合导热增强与自然对流（natural convection）协同机制，为太阳能热存储系统（LHTES）设计提供了关键优化方向。

　　

Highlight

本研究亮点在于通过实验验证了铝蜂窝结构在相变材料（PCM）热储能模块中的卓越性能：其独特的垂直蜂窝单元设计既增强了远离传热流体（HTF）管道的热渗透（thermal penetration），又保留了窄通道内的自然对流（natural convection），使充电效率提升至基准组的3.11倍，放电效率达3.88倍，远超金属棉材料。

Experimental Setup

实验模块采用丙烯酸（acrylic，k≈0.2 W/m/K）构建，内部尺寸203.2 mm×101.6 mm×101.6 mm，配备可拆卸顶盖以实现光学观测。模块内置四通道HTF管路系统，通过恒温水浴控制温度，并采用红外热像仪与热电偶阵列监测相变界面动态。

Baseline Experiments

基准实验（无强化元件）显示：熔融（melting）初期以导热（conduction）主导，随后形成双涡流对流区；而凝固（solidification）过程始终以导热为主，印证了PCM低热导率（～0.1–1 W/m·K）的固有缺陷。

Summary and Conclusions

结论表明：铝蜂窝结构通过定向导热与对流协同机制，成为优化PCM储能模块的理想选择，而金属棉因孔隙率限制性能较差（钢棉甚至延长充电时间60%）。该成果为模块化太阳能热存储系统设计提供了关键数据支撑。

（注：翻译严格遵循生命科学领域术语规范，如PCM（phase change material）、HTF（heat transfer fluid）等，并保留原文技术细节如单位符号（mm/W/m·K）和过程描述。）