综述：潜热储热系统强化传热结构的性能提升研究

这篇综述系统分析了潜热储热（LHTES）系统中通过优化储罐、传热流体（HTF）管和翅片结构提升传热性能的策略，重点探讨了自然对流强化、熵产分析及机器学习优化等前沿方向，为高能效相变材料（PCM）应用提供了设计指南。

　　

潜热储热系统传热结构的革新之路

引言

在化石能源主导的传统体系中，供需平衡依赖实时调控，而可再生能源的崛起催生了高效储热技术的迫切需求。潜热储热（LHTES）凭借高能量密度（如0°C水结冰释放的潜热≈0-80°C显热）成为研究热点，但相变材料（PCM）的低热导率严重制约传热效率。

储罐构型优化

储罐形状直接影响自然对流强度：锥形罐通过倾斜壁面加速熔融区PCM流动，较圆柱罐效率提升达30%。水平放置的椭球罐可缩短熔化时间15%，而垂直罐更适合凝固主导场景。几何参数如高径比（H/D）需权衡自然对流与热损失，实验表明H/D=1.5时综合性能最优。

传热流体管设计革命

多边形截面管（如四边形、三角形）通过角部涡流扰动边界层，较圆管传热提升20-40%。螺旋管利用二次流强化混合，但压损增加需折衷。新兴的波纹管与内翅片管通过表面微结构破坏层流，局部努塞尔数（Nu）可提高2倍。

翅片拓扑创新

分支翅片（树状、分形）通过分形理论扩大换热面积，熔化速率较直翅片提高50%。弯曲翅片（螺旋、波浪形）诱导旋涡，但需避免流动死区。参数优化显示，非均匀翅片间距（底部密集）可协同强化传导与对流。

熵产视角的效能评估

熵产分析揭示四边形管较圆管减少15%不可逆损失，而分形翅片通过均温性降低热阻熵产。多目标优化需平衡热阻熵产与流动熵产，PCM固液相变界面形态是关键指标。

未来方向

1. 运动耦合：振动/旋转储罐利用惯性力强化PCM混合；

2. 智能优化：基于机器学习的多参数（翅片角度、管间距）协同设计；

3. 仿生结构：受血管分形启发的3D打印微通道网络。

结论

锥形储罐+多边形波纹管+非均匀分形翅片的组合展现出最佳潜力，未来需结合熵产分析与动态调控，推动LHTES在太阳能热电联供等场景的实用化。