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摘要：介绍了整体式相变蓄热器的基本原理及特点。解释了蓄热器强化换热基本思路、材料选择及相变传热问题。对目前国内外整体式蓄热器强化换热方法进行了阐释和举例分析，尤其从内部结构方面。认为蓄热器的设计应该发展成一门系统的学科，而更加轻质量、蓄能密度大的蓄热器应作为今后的研究方向。
关键词：相变蓄热器；相变材料（PCM）；换热流体（HTF）；整体式；强化换热
【分类号】：TU855
0 序言
蓄热技术是最基本的热量存储方法之一，可以实现能量在时间和空间上的转移。蓄热技术可以用于电力上的移峰填谷、太阳能晚间利用、余热和废热的回收等，对节约能源、提高能源利用效率、保护环境等有重要意义[1]。蓄热主要有显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热三类[2]。众所周知，物质相变潜热非常高，所以潜热蓄热的蓄能密度很大，并且相变蓄热过程是物理变化，对管道等材料抗腐蚀性能要求低，对环境无污染，近些年来倍受关注。相变蓄热技术必须具备两个最基本条件：相变蓄热材料（PCM）和相变蓄热容器（蓄热器）。PCM一般得具备相变潜热大、热导率高、腐蚀性小、可逆性高、无过冷现象的特点[3]，但是不可能有材料同时具备以上特点，所以需要改进材料性能。蓄热器作为相变蓄热的核心设备，用于存储PCM，从而达到存储热量的目的。最常见的传统蓄热器内部有两套独立管路，管路均匀布置在容器空间内以便于最大限度换热，管道之间填满PCM。蓄热时，热流体在一套管道内流动，通过管壁将热量传递给PCM存储起来。放热时，冷流体在另一套管道内流动，通过管壁将存储在PCM内部的热量取走。蓄热器内部的换热结构布置直接关系到容器蓄、放热的效率和完全程度，一般情况下换热结构布置宜均匀分布在整个容器空间，另外可以通过肋管、螺旋管、PCM小体积封装等方式强化换热。
1 整体式蓄热器
1.1 整体式蓄热器原理及特点
整体式蓄热器的管道一般均匀布置在整个封闭容器内部空间，PCM填充在管道之间。有的整体式蓄热器内部有两套管道，一套是放热管道，用于放热侧换热流体（HTF）流动放热，另一套是吸热管道，用于吸热侧HTF流动吸热。这类蓄热器的蓄热和放热过程互不影响，可以同时进行，也可以先蓄热再放热，并且冷流体和热流体可以是不同的流体。图1为这种蓄热器的内部蓄热结构图和实物图[4]，两套换热管道按蛇形上下盘绕形式均匀布置在整个容器空间。也有的整体式蓄热器内部只有一套管道，蓄热和放热过程都是通过仅有的一套管道完成。此类蓄热器的蓄、放热HTF必须相同，蓄、放热过程不能同时进行。整体式蓄热器的制造工艺比较简单，经济成本较低。但是PCM的热导率一般都比较低，蓄热器一般很难实现完全蓄放热，尤其对于距离管道相对较远位置处的PCM。所以整体式蓄热器的强化换热很有必要。
1.2 整体式蓄热器的强化换热及其研究进展
目前整体式蓄热器强化换热有两种最基本的思路，一种是在PCM中掺入少量泡沫铜、铜丝、石墨粉等高热导率物质，制成相变复合材料，提高单一PCM的热导率[5][6][7]。例如张涛等[7]按不同的比例制备了泡沫铜/石蜡相变复合材料，测试结果显示，当泡沫铜孔隙率为93.26%时，相变复合材料的等效导热系数已达到单纯石蜡的25倍。另一种是设计更加高效的蓄热结构，在合理布置换热管道的基础上改变管道的外形或扩展管道的二次表面[8][9][10][11][12][13][14][15]。胡军等[8]设计了一个单螺旋管蓄热器，利用螺旋管内流动的流体会产生涡流的特点来强化换热，实验发现螺旋内部的PCM比外围的PCM溶解速度更快，建议在设计螺旋管式蓄热器时，可适当增大螺旋管的螺旋直径。但是其更侧重于对螺旋管蓄、放热性能的测试和结果分析，而没有与直管进行比较说明螺旋管能增加多少换热量。李汛等[13]在蓄热器内部用直肋管来强化换热，在设计工况下充放热时间相对更短，并且热回收效率达到了84%。Sohif Mat 等[10]采用内肋管来强化换热，并与光管的换热进行了比较，实验结果表明，PCM全部溶解时，内肋管相对于光管所用时间减少了43.3%，可见内肋管能很大限度的提高了热效率。图1[16]为Tay N H S等设计的两种可以强化换热的肋管式整体式蓄热器，图2（a）和（b）中只有一
根较短的肋管，而更多的情况下会有一根或两根较长的蛇形肋管均匀布置在蓄热器内，管道布局与图1无肋直管的布置相似。
1.3 整体式蓄热器传热问题及热分析
在蓄热器设计过程中，蓄热和放热过程的传热分析非常必要，为相变蓄热器的设计提供理论依据。相变传热是一个复杂的过程，对于该类问题，一般要考虑如下方面：①固液两相界面的移动；②相变时，伴随着密度的变化产生孔穴、膨胀等现象；③热传导和管内外壁的热对流；④穿过孔穴的辐射和蒸发、凝结热交换[17]。并会作如下假设：①PCM各项同性，物性取常数；②传热过程按2维传热问题处理；③可以忽略PCM侧传热壁面的自然对流；④HTF为湍流状态，不可压缩，且忽略其沿流动方向的热传导；⑤整个容器是绝热的[18][19]。对于该类传热问题很难使用解析法进行求解，目前常用的方法是近似分析法或数值分析法[20]。焓法属于数值分析法，其主要思路是在不考虑相变边界的情况下建立能量方程，通过数值分析求出计算区域内的焓值分布，从而跟踪相变界面，模拟传热过程[17]。
1.4 整体式蓄热器的设备材料选择
对于整体式蓄热器PCM，最基本的要求是：①换热管道具有高导热性（例如紫铜管）；②蓄热器外壁材料具有高保温性（例如硬质聚氨酯）。针对不同的PCM，在蓄热器选材时有不同的侧重点。有机类PCM是在近几十年发展起来的，一般以石蜡类和脂肪酸类居多，以60#石蜡为例，固态时的密度为890kg/m?，液态时的密度为776kg/m?[21]，相变膨胀率高达15%，伴随液-固相变产生膨胀，石蜡内部会出现空穴，另外60#石蜡的热导率非常低，为0.2W/mK。以上两个原因会使固态石蜡内部出现“热松脱”和“热斑”现象，进而造成容器的热疲劳损坏[17]。所以要求容器有较好的抗压性和抗热疲劳性。另外，鉴于有机类PCM的渗透率较高，在容器和管道选材时也得考虑材料的渗透性。无机类PCM在相变蓄热材料发展史的早期占主流，以水合盐为主。无机类PCM没有系数低、相变膨胀系数大、密度小等缺点，但是其腐蚀性一般都比较高，并且有过冷现象[22]。另外无机类PCM对环境有污染，并且成本相对有机类PCM偏高[2]。 2 其他蓄热结构
除了整体式和小体积封装式这两种基本类型。更多新的蓄热器类型不断涌现。W. Wu等[23]为了增加换热器内poly-α-olefin （PAO）流体的热容量，在流体内部参入了被纳米级尺寸“容器”封装的相变材料nano-PCMs。纳米级材料封装困难，W. Wu等是通过离子碰撞的方式将PCM颗粒强行撞入纳米级硅石粒子里面，从而形成了有硅外壳的nano-PCMs。其实验结果显示，在PAO流体中添加了质量分数为30%的nano-PCMs之后，换热器的换热系数达到4700W/㎡·K，是没添加nano-PCMs之前的两倍。W. Wu将蓄热器和换热器结合起来，在换热器上运用了相变蓄热量大的优点来增加换热流体的热容量，并且用纳米级小体积封装的方式解决了PCM不能流动的缺点，其创新方法值得借鉴。热管式蓄热器作为一种新型蓄热器，其性能的研究在高端领域占有重要角色。鉴于热管良好的导热能力和非常小的热损率，该类蓄热器的热效率很高。图3[24]给出了一种用于空间热电站的热管式高温相变蓄热结构，热管吸热段吸收太阳能，传热给套在热管上面的环形封装的PCM，晚上PCM放热给热管的换热段。
3 总结及展望
本文从蓄热结构方面对近些年来相变蓄热器的发展，尤其是强化换热结构方面进行了综述。对整体式蓄热器的基本换热原理和基本换热结构布置方法进行了说明。指出蓄热器内部蓄热结构强化换热的最基本思路为：增加换热面积。结合目前该领域研究现状，以强化换热为出发点，列举和分析了部分典型换热结构。为蓄热器的设计提供了思路。
但是目前蓄热器内部结构的设计方法并没有换热器那么成熟，也还不完全属于一门系统的学科。这和相变蓄热过程的复杂性、PCM的性质各异、蓄热结构的多样性、以及蓄热技术往往作为一种补偿用能手段而很少需要非常严格的热性能方面的计算等有关。所以本文作为一篇综述性文章，也不能给出一种系统的蓄热结构设计方法，而更多的给出的是一些基本原理、基本强化换热思路和最新研究成果以供借鉴。笔者建议蓄热器内部结构的强化换热应从如下方面入手：
① 始终以质量轻、蓄能密度大、蓄放热效率高的蓄热器为研究方向；
② 对于整体式蓄热器的设计，在蓄热结构多样化的基础上，从换热理论方面能够尝试着去找一种统一的数值模拟方法进行理论指导；
③ 对于整体式蓄热器，在研究强化传热的同时，注重研究PCM相变时体积发生变化产生“空穴”和“热斑”影响容器寿命；
⑤ 对一些关键技术开展相应的实验研究[17]。
随着人们节能意识和环保意识的加强，蓄热技术在废热利用、能量存储和转移等方面将取得更加广泛的应用。
[参考文献]
[1] Mehling H， Cabeza L F. Heat & cold storage with PCM： an up to date introduction into basics & applications （Heat & mass transfer） POD[J]. 2008.
[2] 崔海亭， 杨锋. 蓄热技术及其应用[M]. 化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心， 2004.
[3] 张平. 石蜡类相变材料的设计及其热物性与阻燃性能研究[4]. 中国科学技术大学， 2011.
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[8] 胡军， 董华， 周恩泽， 等. 螺旋盘管式相变储热单元储热性能[J]. 太阳能学报， 2006， 27（4）： 399-403.
[9] Nomura T， Okinaka N， Akiyama T. Impregnation of porous material with phase change material for thermal energy storage[J]. Materials Chemistry and Physics， 2009， 115（2）： 846-850.
[10] Mat S， Al-Abidi A A， Sopian K， et al. Enhance heat transfer for PCM melting in triplex tube with internal–external fins[J]. Energy Conversion and Management， 2013， 74： 223-236. [11] Hasnain S M. Review on sustainable thermal energy storage technologies， part I： heat storage materials and techniques[J]. Energy Conversion and Management， 1998， 39（11）： 1127-1138.
[12] Jegadheeswaran S， Pohekar S D. Performance enhancement in latent heat thermal storage system： a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2009， 13（9）： 2225-2244.
[13] 李汛， 杨波， 赵军， 等. 移动蓄热系统蓄热器的加肋强化换热试验研究[J]. 机械工程学报， 2013， 49（8）.
[14] Fan L， Khodadadi J M. Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage： a review[J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2011， 15（1）： 24-46.
[15] Agyenim F， Hewitt N， Eames P， et al. A review of materials， heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems （LHTESS）[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2010， 14（2）： 615-628.
[16] Tay N H S， Bruno F， Belusko M. Comparison of pinned and finned tubes in a phase change thermal energy storage system using CFD[J]. Applied Energy， 2013， 104： 79-86.
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[18] 李志永. 太阳能相变蓄热供暖系统理论及实验研究[4]. 北京工业大学， 2011.
[19] 廖海蛟， 凌祥. 高温肋板式蓄热器蓄/放热特性的数值模拟[J]. 太阳能学报， 2010， 31（003）： 345-350.
[20] 郭宽良， 传热学， 孔祥谦， 等. 计算传热学[M]. 中国科学技术大学出版社， 1988.
[21] 陈则韶， 葛新石. 相变储热材料的热物性及石蜡的焓增量与相对容积增量的关系[J]. 太阳能学报， 1983， 1： 001.
[22] Jeong S G， Chung O， Yu S， et al. Improvement of the thermal properties of Bio-based PCM using exfoliated graphite nanoplatelets[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2013， 117： 87-92.
[23] Wu W， Bostanci H， Chow L C， et al. Heat transfer enhancement of PAO in microchannel heat exchanger using nano-encapsulated phase change indium particles[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 58（1）： 348-355.
[24] Tong X， Khan J A， RuhulAmin M. Enhancement of heat transfer by inserting a metal matrix into a phase change material[J]. Numerical Heat Transfer， Part A Applications， 1996， 30（2）： 125-141.
关键词：相变蓄热器；相变材料（PCM）；换热流体（HTF）；整体式；强化换热
【分类号】：TU855
0 序言
蓄热技术是最基本的热量存储方法之一，可以实现能量在时间和空间上的转移。蓄热技术可以用于电力上的移峰填谷、太阳能晚间利用、余热和废热的回收等，对节约能源、提高能源利用效率、保护环境等有重要意义[1]。蓄热主要有显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热三类[2]。众所周知，物质相变潜热非常高，所以潜热蓄热的蓄能密度很大，并且相变蓄热过程是物理变化，对管道等材料抗腐蚀性能要求低，对环境无污染，近些年来倍受关注。相变蓄热技术必须具备两个最基本条件：相变蓄热材料（PCM）和相变蓄热容器（蓄热器）。PCM一般得具备相变潜热大、热导率高、腐蚀性小、可逆性高、无过冷现象的特点[3]，但是不可能有材料同时具备以上特点，所以需要改进材料性能。蓄热器作为相变蓄热的核心设备，用于存储PCM，从而达到存储热量的目的。最常见的传统蓄热器内部有两套独立管路，管路均匀布置在容器空间内以便于最大限度换热，管道之间填满PCM。蓄热时，热流体在一套管道内流动，通过管壁将热量传递给PCM存储起来。放热时，冷流体在另一套管道内流动，通过管壁将存储在PCM内部的热量取走。蓄热器内部的换热结构布置直接关系到容器蓄、放热的效率和完全程度，一般情况下换热结构布置宜均匀分布在整个容器空间，另外可以通过肋管、螺旋管、PCM小体积封装等方式强化换热。
1 整体式蓄热器
1.1 整体式蓄热器原理及特点
整体式蓄热器的管道一般均匀布置在整个封闭容器内部空间，PCM填充在管道之间。有的整体式蓄热器内部有两套管道，一套是放热管道，用于放热侧换热流体（HTF）流动放热，另一套是吸热管道，用于吸热侧HTF流动吸热。这类蓄热器的蓄热和放热过程互不影响，可以同时进行，也可以先蓄热再放热，并且冷流体和热流体可以是不同的流体。图1为这种蓄热器的内部蓄热结构图和实物图[4]，两套换热管道按蛇形上下盘绕形式均匀布置在整个容器空间。也有的整体式蓄热器内部只有一套管道，蓄热和放热过程都是通过仅有的一套管道完成。此类蓄热器的蓄、放热HTF必须相同，蓄、放热过程不能同时进行。整体式蓄热器的制造工艺比较简单，经济成本较低。但是PCM的热导率一般都比较低，蓄热器一般很难实现完全蓄放热，尤其对于距离管道相对较远位置处的PCM。所以整体式蓄热器的强化换热很有必要。
1.2 整体式蓄热器的强化换热及其研究进展
目前整体式蓄热器强化换热有两种最基本的思路，一种是在PCM中掺入少量泡沫铜、铜丝、石墨粉等高热导率物质，制成相变复合材料，提高单一PCM的热导率[5][6][7]。例如张涛等[7]按不同的比例制备了泡沫铜/石蜡相变复合材料，测试结果显示，当泡沫铜孔隙率为93.26%时，相变复合材料的等效导热系数已达到单纯石蜡的25倍。另一种是设计更加高效的蓄热结构，在合理布置换热管道的基础上改变管道的外形或扩展管道的二次表面[8][9][10][11][12][13][14][15]。胡军等[8]设计了一个单螺旋管蓄热器，利用螺旋管内流动的流体会产生涡流的特点来强化换热，实验发现螺旋内部的PCM比外围的PCM溶解速度更快，建议在设计螺旋管式蓄热器时，可适当增大螺旋管的螺旋直径。但是其更侧重于对螺旋管蓄、放热性能的测试和结果分析，而没有与直管进行比较说明螺旋管能增加多少换热量。李汛等[13]在蓄热器内部用直肋管来强化换热，在设计工况下充放热时间相对更短，并且热回收效率达到了84%。Sohif Mat 等[10]采用内肋管来强化换热，并与光管的换热进行了比较，实验结果表明，PCM全部溶解时，内肋管相对于光管所用时间减少了43.3%，可见内肋管能很大限度的提高了热效率。图1[16]为Tay N H S等设计的两种可以强化换热的肋管式整体式蓄热器，图2（a）和（b）中只有一
根较短的肋管，而更多的情况下会有一根或两根较长的蛇形肋管均匀布置在蓄热器内，管道布局与图1无肋直管的布置相似。
1.3 整体式蓄热器传热问题及热分析
在蓄热器设计过程中，蓄热和放热过程的传热分析非常必要，为相变蓄热器的设计提供理论依据。相变传热是一个复杂的过程，对于该类问题，一般要考虑如下方面：①固液两相界面的移动；②相变时，伴随着密度的变化产生孔穴、膨胀等现象；③热传导和管内外壁的热对流；④穿过孔穴的辐射和蒸发、凝结热交换[17]。并会作如下假设：①PCM各项同性，物性取常数；②传热过程按2维传热问题处理；③可以忽略PCM侧传热壁面的自然对流；④HTF为湍流状态，不可压缩，且忽略其沿流动方向的热传导；⑤整个容器是绝热的[18][19]。对于该类传热问题很难使用解析法进行求解，目前常用的方法是近似分析法或数值分析法[20]。焓法属于数值分析法，其主要思路是在不考虑相变边界的情况下建立能量方程，通过数值分析求出计算区域内的焓值分布，从而跟踪相变界面，模拟传热过程[17]。
1.4 整体式蓄热器的设备材料选择
对于整体式蓄热器PCM，最基本的要求是：①换热管道具有高导热性（例如紫铜管）；②蓄热器外壁材料具有高保温性（例如硬质聚氨酯）。针对不同的PCM，在蓄热器选材时有不同的侧重点。有机类PCM是在近几十年发展起来的，一般以石蜡类和脂肪酸类居多，以60#石蜡为例，固态时的密度为890kg/m?，液态时的密度为776kg/m?[21]，相变膨胀率高达15%，伴随液-固相变产生膨胀，石蜡内部会出现空穴，另外60#石蜡的热导率非常低，为0.2W/mK。以上两个原因会使固态石蜡内部出现“热松脱”和“热斑”现象，进而造成容器的热疲劳损坏[17]。所以要求容器有较好的抗压性和抗热疲劳性。另外，鉴于有机类PCM的渗透率较高，在容器和管道选材时也得考虑材料的渗透性。无机类PCM在相变蓄热材料发展史的早期占主流，以水合盐为主。无机类PCM没有系数低、相变膨胀系数大、密度小等缺点，但是其腐蚀性一般都比较高，并且有过冷现象[22]。另外无机类PCM对环境有污染，并且成本相对有机类PCM偏高[2]。 2 其他蓄热结构
除了整体式和小体积封装式这两种基本类型。更多新的蓄热器类型不断涌现。W. Wu等[23]为了增加换热器内poly-α-olefin （PAO）流体的热容量，在流体内部参入了被纳米级尺寸“容器”封装的相变材料nano-PCMs。纳米级材料封装困难，W. Wu等是通过离子碰撞的方式将PCM颗粒强行撞入纳米级硅石粒子里面，从而形成了有硅外壳的nano-PCMs。其实验结果显示，在PAO流体中添加了质量分数为30%的nano-PCMs之后，换热器的换热系数达到4700W/㎡·K，是没添加nano-PCMs之前的两倍。W. Wu将蓄热器和换热器结合起来，在换热器上运用了相变蓄热量大的优点来增加换热流体的热容量，并且用纳米级小体积封装的方式解决了PCM不能流动的缺点，其创新方法值得借鉴。热管式蓄热器作为一种新型蓄热器，其性能的研究在高端领域占有重要角色。鉴于热管良好的导热能力和非常小的热损率，该类蓄热器的热效率很高。图3[24]给出了一种用于空间热电站的热管式高温相变蓄热结构，热管吸热段吸收太阳能，传热给套在热管上面的环形封装的PCM，晚上PCM放热给热管的换热段。
3 总结及展望
本文从蓄热结构方面对近些年来相变蓄热器的发展，尤其是强化换热结构方面进行了综述。对整体式蓄热器的基本换热原理和基本换热结构布置方法进行了说明。指出蓄热器内部蓄热结构强化换热的最基本思路为：增加换热面积。结合目前该领域研究现状，以强化换热为出发点，列举和分析了部分典型换热结构。为蓄热器的设计提供了思路。
但是目前蓄热器内部结构的设计方法并没有换热器那么成熟，也还不完全属于一门系统的学科。这和相变蓄热过程的复杂性、PCM的性质各异、蓄热结构的多样性、以及蓄热技术往往作为一种补偿用能手段而很少需要非常严格的热性能方面的计算等有关。所以本文作为一篇综述性文章，也不能给出一种系统的蓄热结构设计方法，而更多的给出的是一些基本原理、基本强化换热思路和最新研究成果以供借鉴。笔者建议蓄热器内部结构的强化换热应从如下方面入手：
① 始终以质量轻、蓄能密度大、蓄放热效率高的蓄热器为研究方向；
② 对于整体式蓄热器的设计，在蓄热结构多样化的基础上，从换热理论方面能够尝试着去找一种统一的数值模拟方法进行理论指导；
③ 对于整体式蓄热器，在研究强化传热的同时，注重研究PCM相变时体积发生变化产生“空穴”和“热斑”影响容器寿命；
⑤ 对一些关键技术开展相应的实验研究[17]。
随着人们节能意识和环保意识的加强，蓄热技术在废热利用、能量存储和转移等方面将取得更加广泛的应用。
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[9] Nomura T， Okinaka N， Akiyama T. Impregnation of porous material with phase change material for thermal energy storage[J]. Materials Chemistry and Physics， 2009， 115（2）： 846-850.
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[21] 陈则韶， 葛新石. 相变储热材料的热物性及石蜡的焓增量与相对容积增量的关系[J]. 太阳能学报， 1983， 1： 001.
[22] Jeong S G， Chung O， Yu S， et al. Improvement of the thermal properties of Bio-based PCM using exfoliated graphite nanoplatelets[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2013， 117： 87-92.
[23] Wu W， Bostanci H， Chow L C， et al. Heat transfer enhancement of PAO in microchannel heat exchanger using nano-encapsulated phase change indium particles[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 58（1）： 348-355.
[24] Tong X， Khan J A， RuhulAmin M. Enhancement of heat transfer by inserting a metal matrix into a phase change material[J]. Numerical Heat Transfer， Part A Applications， 1996， 30（2）： 125-141.