相變儲熱技術(shù)具有儲熱密度高、工作溫度穩(wěn)定、大規(guī)?；杀镜偷葍?yōu)勢，在工業(yè)余熱回收、可再生能源利用和低碳建筑等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化與利用過程的節(jié)能增效，助力“雙碳”目標(biāo)的達成具有重要意義。然而，一般相變材料（特別是石蠟等有機類中低溫相變材料）的低熱導(dǎo)率會嚴(yán)重影響儲熱系統(tǒng)的熱響應(yīng)速率和功率密度，制約了相變儲熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

在熔化（充熱）過程中，根據(jù)固體相變材料是否有外力固定可分為約束熔化和非約束熔化兩大類。以典型球形容器內(nèi)的非約束熔化過程為例，在重力作用下未熔化固體相變材料由于密度較大會持續(xù)下沉，與下半球底部區(qū)域的加熱壁面保持接觸，之間僅由一層熔融的相變材料薄液膜隔開，從而形成所謂的接觸熔化狀態(tài)。在接觸熔化過程中，傳熱由穿過薄液膜的導(dǎo)熱占主導(dǎo)；由于液膜厚度極?。ㄒ话阍谖⒚准壓穸龋?，其整體熱阻很小，故在接觸熔化區(qū)域內(nèi)可以顯著減小傳熱阻力，從而極大提升充熱速率（可縮減時長30%-80%）。

因此，在不同的儲熱場景中充分利用接觸熔化機制是實現(xiàn)相變儲熱系統(tǒng)“快充”的一種可行途徑。該方法具有不增加額外能耗且適用于任意構(gòu)型的容器的顯著優(yōu)點，但由于其在流動與傳熱機理上本質(zhì)的跨尺度復(fù)雜性，目前尚未得到充分的理解和運用。有鑒于此，本文系統(tǒng)回顧了接觸熔化相關(guān)的理論、試驗和模擬工作，重點介紹了接觸熔化的基本原理、應(yīng)用現(xiàn)狀和強化手段，分析和概述了接觸熔化機制應(yīng)用于相變儲熱系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，論文最后對發(fā)展基于接觸熔化機制實現(xiàn)熱能“快充”的相變儲熱系統(tǒng)進行了展望。

【文章簡介】

1、兩種接觸熔化模式的簡要概述

接觸熔化可分為相變材料驅(qū)動和熱源驅(qū)動兩種模式。如上所述的在儲熱系統(tǒng)加熱容器/換熱器中發(fā)生的接觸熔化過程就是典型的相變材料驅(qū)動模式，其主要發(fā)生場景還有食品加工和電子器件熱管理等。在這一模式中，由于剩余固體的重量不斷減少，使得微液膜的厚度會持續(xù)變化，因此導(dǎo)致接觸熔化區(qū)域內(nèi)的傳熱速率也隨之動態(tài)改變。

熱源驅(qū)動模式則通常出現(xiàn)于核反應(yīng)堆堆芯熔融、冰層鉆探和減材制造等場景，過熱壁面持續(xù)熔化固體，并在外加推進力的驅(qū)動下保持移動，以形成特定路徑的通道。由于這一模式中驅(qū)動力通常保持恒定，接觸熔化區(qū)域內(nèi)的微液膜厚度也基本保持不變，因而具有穩(wěn)定的傳熱速率。

2、接觸熔化現(xiàn)象的機理研究

為了避免容器內(nèi)非接觸熔化區(qū)域自然對流的干擾，研究者們通常采用在平面上進行加熱試驗，以探究相變材料驅(qū)動模式下的接觸熔化過程機理。利用量綱分析和建立復(fù)雜非線性微分方程組等方法，得到了一系列在不同參數(shù)條件和模型假設(shè)下的理論解析結(jié)果。大量模型預(yù)測和試驗結(jié)果證明，在斯蒂芬數(shù)小于0.1的條件下，接觸熔化區(qū)域液膜內(nèi)的對流效應(yīng)可以被忽略，傳熱形式為微液膜內(nèi)的導(dǎo)熱過程。過往研究對加熱壁面與微液膜間的傳熱、剩余固體相變材料與微液膜間的傳熱、相變材料的物性變化以及離心力和電磁力強化作用等影響因素進行了研究。然而，現(xiàn)有的理論研究尚未對模型假設(shè)的合理性達成一致，也缺乏對加熱表面形貌結(jié)構(gòu)、相變材料復(fù)雜流變特性和高過熱度條件（斯蒂芬數(shù)小于0.1不再成立）等影響規(guī)律的系統(tǒng)研究。

3、儲熱單元中接觸熔化的試驗和理論研究

相變儲熱單元的經(jīng)典構(gòu)型可主要分為圓柱形（或橢圓形）、球形或矩形。在非約束熔化發(fā)生過程中，可將容器內(nèi)的熔融液體分為接觸熔化區(qū)域和非接觸熔化區(qū)域。接觸熔化區(qū)域內(nèi)主要通過導(dǎo)熱形式進行熱量輸運；而非接觸熔化區(qū)的體積會隨著熔化進行顯著增大，因此傳熱形式會從導(dǎo)熱輸運轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀粚α鬏斶\。不同容器構(gòu)型內(nèi)的接觸熔化試驗和理論研究均已證明，接觸熔化區(qū)域的傳熱速率相比于非接觸熔化區(qū)域高出至少一個數(shù)量級。因此在容器內(nèi)充分利用接觸熔化現(xiàn)象可以極大增強傳熱速率，減少熔化（充熱）時間。

4、基于接觸熔化機制設(shè)計儲熱單元的數(shù)值方法

通過數(shù)值模擬方法再現(xiàn)容器內(nèi)的接觸熔化過程，對于設(shè)計和優(yōu)化基于接觸熔化機制的相變儲熱裝置具有重要意義。由于接觸熔化區(qū)域的特征尺寸和容器尺寸相比通常相差幾個數(shù)量級，具有本征的跨尺度特性，因此上世紀(jì)80年代的早期相關(guān)研究中為了充分利用有限的計算能力，建立了半解析半模擬的計算方法。隨著無網(wǎng)格追蹤相界面焓法的建立和利用，有研究者提出了在焓法框架中添加力平衡方程或使用浮力項的方法，以實現(xiàn)模擬固液相變過程中剩余固體重力沉降過程。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，特別是以ANSYS Fluent為代表的商業(yè)軟件的廣泛使用，大量研究者使用基于焓-孔隙率模型的內(nèi)置模塊以模擬固液相變過程，通過設(shè)置固液相密度差的方式來實現(xiàn)接觸熔化過程。然而由于焓-孔隙率模型具有較多的經(jīng)驗參數(shù)以及相變材料固液相密度的溫度依賴性，并不能準(zhǔn)確捕捉接觸熔化相界面。近年來為了提高準(zhǔn)確性和收斂性，出現(xiàn)了一些基于改進焓法的接觸熔化模擬框架構(gòu)建工作，以更精確模擬接觸熔化區(qū)域的相界面演化和熔化速率。

5、基于接觸熔化機制的進一步強化傳熱方法

隨著對接觸熔化現(xiàn)象的深入了解，充分利用接觸熔化機制并耦合其他方式強化接觸熔化區(qū)域傳熱可以進一步提高相變儲熱系統(tǒng)的充熱速率。此類研究工作可分為兩條路徑，一是通過構(gòu)型設(shè)計形成更大面積的接觸熔化區(qū)域，二是進一步減小接觸熔化區(qū)域的熱阻。針對前一思路，目前已有工作通過合理布置Y型、螺旋型等不同形狀的翅片，在儲熱單元內(nèi)形成了大面積接觸熔化區(qū)域，實現(xiàn)了減少熔化時間達到60%-80%的優(yōu)秀效果。針對第二種思路，目前已有研究工作通過利用振動、電磁場、添加納米顆粒和制造功能加熱表面等方式，實現(xiàn)了進一步降低接觸熔化區(qū)域等效熱阻的效果。

【總結(jié)與展望】

基于接觸熔化機制的相變儲熱系統(tǒng)具有高充熱速率、適用于任意構(gòu)型容器、可與其他強化傳熱方式耦合以及無額外成本等優(yōu)勢。通過設(shè)計功能加熱表面、增加接觸熔化區(qū)域面積、施加額外作用力和改性相變材料等方式可進一步增強接觸熔化區(qū)域內(nèi)的傳熱性能。然而，目前還缺乏對接觸熔化過程在復(fù)雜流變特性、加熱表面形貌結(jié)構(gòu)和運行工況等條件下的規(guī)律認知，也尚缺乏接觸熔化過程在充/放能循環(huán)過程中實現(xiàn)可持續(xù)重復(fù)和可控觸發(fā)的應(yīng)用研究。此外，精確模擬儲熱單元內(nèi)接觸熔化過程的計算成本仍較高，還需要開發(fā)更高效、經(jīng)濟和用戶友好型的數(shù)值計算框架，以輔助設(shè)計下一代基于接觸熔化機制的“快充”型相變儲熱系統(tǒng)。

【論文全文】

網(wǎng)址（在線發(fā)表，2022年1月10日可前免費獲取）：

https://authors.elsevier.com/a/1e77y4s9Hw2Fvz

DOI:https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111918

【團隊簡介】

第一作者-胡楠

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院熱工與動力系統(tǒng)研究所2018級直博生，師從范利武研究員。主要從事相變儲熱與土壤熱修復(fù)過程中的微尺度多相流動傳熱特性研究，以第一/共同通訊作者在Renewable and Sustainable Energy Reviews、International Journal of Heat and Mass Transfer、ASME Journal of Heat Transfer和Energy等國際傳熱與能源領(lǐng)域的權(quán)威期刊上已發(fā)表論文9篇，受邀擔(dān)任多個高水平國際期刊和國際會議的獨立審稿人。曾任浙江大學(xué)博士生會執(zhí)行主席，獲浙江大學(xué)竺可楨獎學(xué)金、浙江省“十佳大學(xué)生”、浙江大學(xué)“十佳大學(xué)生”等獎勵榮譽。

通訊作者-范利武

浙江大學(xué)能源工程學(xué)院“百人計劃”研究員、博士生導(dǎo)師，浙江省杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選浙江省“151人才工程”?，F(xiàn)為能源清潔利用國家重點實驗（浙江大學(xué)）固定成員，任熱工與動力系統(tǒng)研究所副所長。

長期從事能源轉(zhuǎn)化、利用與存儲過程中的復(fù)雜多尺度相變傳熱傳質(zhì)與流動現(xiàn)象研究，重點關(guān)注微納結(jié)構(gòu)材料及界面在宏觀熱質(zhì)輸運強化中的應(yīng)用及其微觀機理，主要涉及固液相變傳熱、沸騰與凝結(jié)傳熱、微納尺度傳熱以及多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)等方向。已在Science Advances、ACS Nano、Journal of Materials Chemistry A、Renewable and Sustainable Energy Reviews以及Advances in Colloid and Interface Science等高水平國際期刊上發(fā)表論文115篇，其中國際傳熱學(xué)領(lǐng)域兩大權(quán)威期刊International Journal of Heat and Mass Transfer和ASME Journal of Heat Transfer共48篇。論文被SCI他引3500余次，4篇入選ESI高被引論文，H-index為31。曾獲第14屆吳仲華優(yōu)秀青年學(xué)者獎，并入選斯坦福大學(xué)頒布的2021年度全球前Top 2%頂尖科學(xué)家“生涯影響力”和“年度影響力”兩大榜單。