基于固液相变界面特性的梯级相变储热装置热性能优化研究

本文创新性地构建了考虑自然对流效应的垂直向梯级相变储热(CLHTES)系统，通过固液相变界面参数α和体积分布参数ζ的协同优化，使系统平均传热率提升133.1%，充电时间缩短67%。研究为太阳能存储、工业废热回收等领域的高效储热系统设计提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究通过计算流体力学(CFD)建模，揭示了垂直向下充能过程中单级与梯级相变储热系统(LHTES)的性能差异。基于单级相变材料(PCM)固液相界面的动态演化特征，创新设计了界面构型参数α=30°的曲面界面结构，配合非均匀体积分布参数ζ=90/140/70，实现了相变同步性与自然对流强度的最佳匹配。

Results and discussion

实验数据表明：

1. 1.

   曲面界面构型使系统平均传热率达94W，较单级PCM40提升151.7%

2. 2.

   非对称体积分布通过增强PCM相变同步性，使储热时间缩短至4304.8秒

3. 3.

   自然对流强度与相变速率在α=30°时呈现最优协同效应

Conclusion

该梯级储热系统(CLHTES)通过界面-体积双参数优化，为可再生能源间歇性问题提供了创新解决方案。研究成果在建筑节能(^ΔT≈3.2K)、工业余热回收(效率↑12.6%)等领域具有显著应用价值。