蓄热过程强化技术的应用研究进展

孟锋，安青松，郭孝峰，赵军，邓帅, ，赵栋（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 0007；巴黎高等电子工程师学校，法国 巴黎96；天津生态城能源投资建设有限公司，天津 0007）



综述与专论

蓄热过程强化技术的应用研究进展

孟锋1，安青松1，郭孝峰2，赵军1，邓帅1, 3，赵栋1
（1天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072；2巴黎高等电子工程师学校，法国 巴黎93162；3天津生态城能源投资建设有限公司，天津 300072）

摘要：蓄热技术可以有效克服供能端与用户端在时间和空间上的不匹配问题，是提高能源利用率的重要手段之一，但是当前的蓄热技术存在蓄、放热速率较低等问题。鉴于此，本文综述了过程强化技术在蓄热中的应用。首先介绍了各类蓄热技术，包括显热蓄热、潜热蓄热以及热化学蓄热，并且从蓄热密度、蓄放热速率以及技术可行性上对各类蓄热技术的优缺点进行了比较；其后，重点回顾了代表性过程强化技术在蓄热系统中的应用，包括结构优化、材料改性以及梯级蓄热；通过分析可以看出，过程强化技术可以对蓄热过程中的传热传质进行强化，极大地提高蓄热系统的蓄放热效率。最后，本文就蓄热技术发展趋势进行了展望，蓄热系统将朝着紧凑、高效的方向发展；在未来的发展中，蓄热技术与能源互联网的结合是应用研究的重点之一。

关键词：相变；蓄热；传热；传质

第一作者：孟锋（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为蓄热技术。联系人：邓帅，讲师，主要研究方向为先进热力系统。E-mail SDeng@tju.edu.cn。

余热回收以及可再生能源的应用，大大减少了建筑对于一次能源的依赖，同时也减轻了化石燃料燃烧对环境的影响。然而，对于余热资源以及可再生能源的应用，一直以来存在两方面的问题:热源距离热用户距离较远；热源具有很强的时间波动性。

蓄热技术可以有效地解决以上问题，尤其是在分布式能源系统中，合适的蓄热系统能够大大提高整个系统的能源利用率。在产出大于需求时，蓄热系统可以将多余的热量蓄存起来，在需要的时候放出。若蓄热系统设计恰当，新型可再生能源可以完全满足用户全年的能源消耗。

根据蓄热装置的用途不同，尺寸上也会有很大的区别，如图1所示，一般分为:集中式蓄热器、缓冲蓄热器、用户侧蓄热器以及移动式蓄热器。集中式蓄热器一般较大，其作用在于对整个系统提供能量输出；缓冲蓄热器体积稍小，距离末端热用户较近，可以对负荷的波动起到缓冲作用；用户侧蓄热器体积最小，主要用于为末端热用户供热。除此之外，移动式蓄热器也是利用余热资源的有效手段。不同蓄热系统的应用以及其在热网中的位置如图 1所示。

蓄热技术一般分为显热蓄热、潜热蓄热以及热化学蓄热。蓄热技术几乎覆盖了从低温到高温的所有温度区间，在制冷、供热、生活热水以及热源等众多领域有着广泛的应用。以潜热蓄热为例，-20～120℃区间内可以找到合适的蓄热材料，并涵盖众多的应用领域，具体如图2所示。

温度范围为 30～70℃的低温蓄热系统在现代的能源网络中具有很好的应用前景。根据 LUND等［1］的介绍，随着第四代分布式供暖系统的出现，建筑物所需的供暖负荷将进一步减小，生活热水也主要是由低温智能热网来提供。使用蒸汽以及100℃左右的热水进行供暖的方式，因为其能量利用率较低，在未来会逐渐被替代。

对于多能源互补系统而言，无论是集中式或者分布式系统，蓄热技术都有着重要的作用。本文将就几种具有较好应用前景的蓄热技术以及过程强化技术在不同蓄热系统中的应用进行回顾与分析。

图1 不同蓄热系统在多能源热网中的应用

图2 不同相变材料的应用及蓄能密度［2］

1 蓄热系统的分类

蓄热系统具有很多不同的类型，从以小时为蓄放热周期的短期蓄热系统到跨季节的长期蓄热系统，从集中式蓄热的大尺寸蓄热系统到应用于用户端的小型蓄热罐。在各类蓄热系统中，最常见的是应用于家庭住宅的蓄热水箱，水箱的体积一般在100L左右。此外，应用比较多的还有地下含水层蓄热以及地埋管系统，这些蓄热系统的规模相对比较大。上述所说的蓄热系统比较常见，属于显热蓄热。近些年，一些更为先进的蓄热技术，即相变蓄热以及化学反应蓄热，也得到了广泛的研究。每一种蓄热系统都有各自的缺点和优点。

（1）显热蓄热 利用蓄热材料温度的变化来实现蓄热，技术上不存在难题，运行管理也比较简单，但是显热蓄热的蓄热密度比较小，蓄热装置体积庞大，另外显热蓄热的温度波动较大，难以提供稳定的热源。

（2）潜热蓄热 利用相变材料的相变来实现蓄热，蓄热密度大于潜热蓄热，并且在蓄热与放热的过程中温度几乎保持不变，易于与系统匹配。但是大多数的蓄热材料导热系数很低，导致蓄热系统的蓄放热速率较慢。

（3）化学反应蓄热 通过化学能与热能相互转化来实现蓄热，蓄热密度大，但是因为化学反应蓄热的操作工艺较为复杂，离大规模实际应用还有一段距离。

对于一个性能优良的蓄热系统，它应该满足下面所述的条件。

（1）灵活可靠性 在热用户需要热量时，蓄热系统能够提供足够的热量，而且始终保持较高的放热效率。

（2）高效性 蓄热系统的热损失很小，能够将充热过程蓄存的热量长期保存下。

（3）紧凑型 在满足蓄热总量的前提下，蓄热设备的体积以及质量要尽可能小。

对于集中式蓄热，小尺寸、高蓄热容量的蓄热系统能够减少建设费用；对于个人用户，紧凑式系统能够减少占地面积。

2 过程强化技术在不同蓄热技术中的应用

2.1 分层水箱

分层水箱是常见的一种显热蓄热方式，因为其成本较低，操作简便已经得到了广泛的应用。在蓄热水箱的内部，沿着垂直方向液体的温度不同，由于液体的密度与温度成反比，在浮升力的作用下，会自然分层。温度分层能够在蓄热和放热过程中保证能量的可用性。对于分层水箱而言，分层的稳定性决定着水箱蓄放热性能:优秀的分层水箱可以将能量较高的热水集中在蓄热水箱的上部，提高能源的品质，缩短系统启动时间，相比于不分层的蓄热水箱，分层水箱可以避免使用辅助热源［3］。一般影响水箱分层的因素有3个。

（1）相邻温度层之间的热扩散，即导热。这里的热扩散包括两部分:一种发生在液体内部，即温度层之间，另一种则通过容器侧壁进行传热。热扩散对于温度分层有破坏作用。

（2）强制对流，由于扰动造成不同温层之间的液体混合。这种混合一般在充放热过程中出现，会造成液体内部的强制对流，从而破坏温度分层。

（3）自然对流，由不同温度层之间密度的差异造成。温度高的水密度小，温度低的水密度大，所以温度较高的水会在浮升力的作用下向上运动，形成自然对流。如果水箱进口的扰动很小，可以近似认为水在水箱中是由上到下一层层分布的［4］。浮升力是蓄热水箱内温度分层的主要动力源，因此自然对流有利于保持容器内的温度分层。

因此，蓄热水箱的分层现象主要是由自然对流造成的，而热扩散以及强制对流对于温度分层都是不利的，所以为了强化蓄热水箱的分层效果，自然对流应该被强化，而热扩散以及强制对流都应该被最大限度地抑制。

无论是在小型蓄热水箱还是大型的蓄热系统中，抑制扰动是一种被广泛应用的技术手段。在小型的蓄热水箱中，一般采用较小的进口流速，以减小扰动。王登甲等［5］建立了蓄热水箱温度分层的多结点模型，并利用CFD软件对5种不同工况下水箱内的温度分层进行了模拟，分析结果表明:水箱进口流速越小，水箱内部温度分层越明显，研究显示流速在 0.01～0.05m/s之间时可以较好地实现水箱的温度分层。对于一些进口流速较大的情况，可以采用一些特殊的设备，比如进口布液器、密度感应阀以及温度二极管来强化温度分层。对于大型的蓄热设备，为了充分利用蓄热系统所蓄存的能量，一般在入口处安装一组阀门，根据竖直方向温度的不同调节入口的位置［6］。

2.1.1 入口布液器以及隔板

在蓄热器入口处设置隔板是强化蓄热水箱分层的有效手段。ALTUNTOP等［7］研究表明，在使用热水的时候，圆形以及环形的隔板能够有效地减小扰动对于温度分层的影响。他们对一个与太阳能板直接相连的低流速蓄热罐进行了数值模拟研究，蓄热罐高1.5m，直径为1m。热水以1m/s的流速在30min之内充满蓄热罐。由于隔板的存在，蓄热罐上部水温为50℃，蓄热器下部温度为30℃，在20℃的温差情况下依然可以保持良好的分层效果。对于另一个完全相同的蓄热罐，在不设置隔板的情况下，水箱内部的水基本完全混合，整个水箱内的最大温差为1℃，温度分层基本被破坏。

ZURIGAT等［8］研究了穿孔布液器对于斜温层的影响。根据ZURIGAT等的研究，当理查德数低于5时，布液器对于温度分层的作用开始显现。另外，与全穿孔布液器或者全封闭布液器相比，半穿孔布液器对于温度分层的促进作用更加明显。

韩延民等［9］提出一种新型的太阳能温度分层卧式水箱，水箱长宽高分别为1m、0.5m、0.75m，并且通过改善水箱结构、增加倒流隔板，能够在不增加水箱高度的条件下实现水箱内部的热分区，在同等外界环境下，随着水箱温度分层梯度从10℃增加到20℃，温度分层水箱蓄存的可用能比普通水箱增加15%～20%。

2.1.2 密度感应阀

根据进口温度控制热水进口流量，可以防止冷热水之间的混合，从而有利于保持斜温层。SMITH等［10］设计了一种密度感应阀，在这种密度感应阀上装有一个浮标，浮标的密度与理想水温下水的密度相同。当水的温度低于预期值时，浮标将会上升，阀门将保持一个关闭状态；反之，当水的温度等于或者高于设定温度时，浮标将会下沉，阀门将会保持开启状态。使用该阀门能避免充热过程中冷热流体的混合。

2.1.3 温度二极管

温度二极管与密度感应阀的原理相似，也是一种强化自然对流的装置。它的原理是，通过促进浮升力作用，驱动热水向上运动、冷水向下运动，使自然对流得到强化。DEVORE等［11］在一个分区蓄热水箱上安装了温度二极管，蓄热水箱应用于一个太阳能光热系统中。通过模拟以及实验研究发现，对于蓄热水箱，设置两个分区，每个分区安装4个温度二极管的效果是最好的。

2.1.4 几何结构优化

对蓄热水箱而言，蓄热水箱罐体高与直径的比H/d对蓄热水箱的温度分层以及热损失也具有很大的影响（如图3）。一方面，从热损失的角度来看，最佳的H/d是1；另一方面，由于在细高的蓄热罐内，由于温度梯度所形成的自然对流更加明显，所以较大的H/d有利于蓄热水箱内部的温度分层。

BOUHDJAR等［12］通过数值模拟的方法研究了H/d对于蓄热水箱温度分层的影响。他们通过调整蓄热水箱的H/d的数值（H/d的数值为1.67～6），对不同H/d下蓄热水箱的对流扩散以及蓄热效率进行了研究。在模拟中不考虑热损失以及放热效率。结果表明，对于固定温度的放热过程，当 H/d较大时，蓄热水箱内部的斜温层厚度较薄，温度分层更明显。

图3 蓄热水箱分层现象以及强化分层的技术手段［7，8，10-11，16］

NORTON等［13］利用实验以及模拟手段研究了不同结构下低流速蓄热罐的性能。研究中一个重要的成果是揭示了在相同的充热条件下，H/d对于温度分层的影响。本研究中，对比了H/d分别为1/3 和3时两种圆柱状蓄热罐的斜温层曲线。两个蓄热罐的初始条件完全相同，在蓄热过程中，进口温度为60℃，蓄热时间为30min。结果表明，两个蓄热罐经过相同的蓄热过程，H/d为3/1的蓄热罐内部达到59℃的水的体积要多于H/d为1/3的蓄热水箱。此外，对于蓄热水箱底部的水温，前者也要低于后者。这两个结果都表明H/d较大的蓄热水箱具有更好的温度分层效果。

如果将热损失考虑在内，H/d对蓄热器的影响需要重新评价。FAN等［14-15］研究了靠近管壁的浮升流对于温度分层的影响。在蓄热水箱中，由于温度不同导致水的密度不同，温度较高的水向上运动，温度较低的水向下运动，会形成浮升流。本研究中两个蓄热水箱的H/d分别为1/1和5/1，初始温度为80℃。经过24h，H/d为1/1的蓄热水箱的顶部与底部温度分别为73.5℃与69.2℃，H/d为5/1的蓄热水箱的顶部与底部温度分别为74.1℃与65.3℃。从实验结果可以看出，蓄热水箱的H/d较大，温度分层越好，从而可以得到更多的可用能。然而，从另一方面来看，H/d为1/1的蓄热水箱因为热损失较小，内部水的平均温度较高，所以蓄热水箱蓄存的能量总量较多。

2.1.5 分区蓄热系统

将蓄热水箱分割成几个区域是强化温度分层的有效手段。一般可以通过两种手段来实现分区蓄热:将一个水箱分割成几个区域或者采用多个水箱进行蓄热。HAN等［17］对水平分区蓄热水箱进行了研究。蓄热水箱应用于太阳能热水系统之中，蓄热水箱内部由绝热挡板分割成3个区域。通过研究发现，在理查德数小于10-2的工况下，相邻两个蓄热区域内的水温可以保持15～20℃的温差，具有良好的分层效果，蓄热效果良好。

多个水箱通过并联或者串联的方式构成的蓄热系统也是强化温度分层的有效手段。DICINSON等［18］对一个多区域蓄热装置的蓄放热策略进行了研究，该装置应用于太阳能热水系统之中。蓄热装置由3个体积为270L的蓄热水箱构成，每个蓄热水箱通过浸入式换热盘管与热源相连。通过模拟与实验，研究了蓄热装置两天的蓄放热性能。研究发现，水箱串联的形式不利于放热过程中的温度分层，因为当水箱串联时放热水流会对蓄热罐内造成很强烈的流动扰动从而产生不同温度的流体混合。此外，研究者还发现，当水箱采用并联形式进行蓄热时，在蓄热后期温度层容易被破坏，因为在蓄热后期由于太阳辐射强度的减弱，蓄热水温会低于水箱内进口区域水温。从上述结论来看，最佳的运行策略应该是在蓄热过程中采用串联，在放热过程中采用并联。工程上，采用并联的模式可以提高蓄放热过程的可用能而且会提高系统的效率，所以总体来说，并联模式是最优的运行模式。上述研究作者通过数值模拟印证了这一点。图4为分区蓄热水箱的系统图。

2.2 地埋管蓄热系统的传热强化

另一种常见的显热蓄热系统是地埋管系统。在地埋管蓄热系统中，土壤或者岩石充当蓄热介质，所以当系统建设完成之后蓄热介质的热物性是难以改变的。在地埋管蓄热系统中，强化的目的就是通过强化导热，减小整个传热过程的热阻。

地埋管换热器的形式多样，但对传热热阻影响较大的因素主要集中在四部分:载热流体、管壁、钻孔回填材料以及土壤。根据DELALEUX等［19］的研究，回填材料的热阻是影响地埋管蓄热系统换热的主要因素。

BORINAGE等［20］在水泥浆中添加各种不同的添加物，将添加填充物的水泥浆作为回填材料，研究了不同添加物对于地埋管换热器的影响。地埋管换热器采用的是双U管，钻孔直径为140mm，管子的外径为32mm，内径为26mm。试验中比较了纯水泥浆以及添加了SiO2和速凝剂的水泥浆这两种回填材料的导热系数。研究发现，后者的导热系数为 2.1W/（m·K），而前者的导热系数只有0.8W/（m·K）。导热系数的显著增加意味着地埋管换热器长度的减少或者整体换热系数的增加，从而提高地埋管蓄热系统的效率。

图4 分区梯级蓄热水箱系统图［18］

添加导热系数高的石墨颗粒也可以有效地提高回填材料的导热系数。DELALEUX等［19］对鳞片状石墨以及膨胀石墨作为添加剂进行了比较。通过研究发现，添加石墨颗粒以及膨胀石墨都可以使回填材料的导热系数大幅度提高，当添加10%～15%（质量分数）粒径为300µm的石墨颗粒或者添加5%，密度为100kg/m³的膨胀石墨时，复合回填材料的导热系数可以达到5W/（m·K）。通过研究发现，石墨增强型回填材料与常规膨润土回填材料相比，可以将地埋管系统的延米换热量由60W/m提高到90W/m，这就意味着在整个系统换热总量不变的情况下，埋管深度可以减少近33%。图5为回填材料在无添加以及不同添加材料下的导热系数变化以及对延米换热量的影响。

2.3 潜热蓄热系统中的传热传质强化

相变蓄热是利用相变材料的潜热进行蓄热，一般使用的相变材料在液固两相之间转换。与常规的显热蓄热相比，其具有两个明显的优势:蓄热密度较大；工作温度稳定。此外，对于不同蓄热温度的使用场合，可以根据需要对相变材料进行选择。然而，大多数相变材料的导热系数较低，导致较低的换热效率以及较长的蓄放热时间，这限制了相变蓄热的大规模应用。

在相变蓄热系统中，强化技术主要着眼于相变材料与载热流体之间的传热强化。影响换热的因素主要包括:换热面积、相变材料的导热系数、换热温差以及自然对流。常用的强化换热手段有以下几种:①结构优化，包括通过封装手段增加面积-体积比，通过直接式换热减少中间热阻、强化对流换热；②通过在相变材料中添加高导热物质来制备复合相变材料。此外，还可以利用梯级蓄热来增加换热温差，提高换热效率。图6列出了国内外文献中几种强化手段的示意图。

2.3.1 增加换热面积

在相变材料侧增加肋片是增加换热面积的有效手段。RATHOD等［21］通过实验研究了在管壳式相变蓄热器管外侧添加长直肋对蓄放热性能的影响。对于蓄热过程，当载热流体进口温度为80℃时，熔化时间减少了12.5%；当载热流体进口温度为85℃时，熔化时间减少了24.52%；对于放热过程，凝固时间减少将近43.6%。CASTELL等［22］通过研究发现，肋片不仅可以增加换热面积，而且可以强化对流换热的强度，在载热流体不变的情况下，能够有效增强载热流体与相变材料之间的换热。凌空等［23］采用显热容法对环状翅片蓄热器进行了数值计算分析，计算结果发现翅片材料导热系数对蓄热速度影响不大，翅片间距是主要影响因素。

图5 回填材料添加高导热物质对于地埋管延米换热量的影响［19］

图6 通过蓄热器结构改造以及蓄热材料改性强化换热［21，26，28-29］

通过改变管路的结构也能够有效增加换热面积。LANGURI等［24］设计了一种波纹管，这种波纹管具有很大的面积/体积比。通过实验发现，利用波纹管可以大幅度加快蓄放热速率。此外，研究还发现，波纹管可以大幅度加快蓄放热的响应速度。波纹管的蓄热热响应速度是常规光直管的 9.2倍（0.13℃/s，0.014℃/s），放热过程的热响应速度是光直管的5.2倍。

为了增大换热面积，可以在相变材料内部添加薄壁金属环。VELRAJ等［25］在蓄热器内部添加直径为 1cm的薄壁金属环，薄壁金属环的体积分数为20%。通过研究蓄热器的放热过程发现，添加了薄壁金属环后放热时间相当于常规蓄热器的1/9。

2.3.2 直接式蓄热

为了消除载热流体与相变材料之间的热阻，直接式蓄热的概念被提出。在直接式蓄热系统中，载热流体与相变材料直接接触。当前关于直接式蓄热的研究主要集中在蓄热器的蓄放热性能特性以及熔化凝固过程中相变材料的对流换热。WANG和GUO等［26-27］通过实验研究对比了直接式以及间接式蓄热的蓄放热速率。实验结果表明，在相同的蓄热工况下，直接式蓄热系统的蓄热效率是2278W，间接式蓄热器的蓄热效率为 680W，消除了接触热阻，直接式蓄热系统的蓄热效率是间接式蓄热效率的3倍。

2.3.3 复合材料

复合相变材料能够有效增大相变材料的导热系数，国内外学者对复合相变材料进行了广泛的研究。常见的添加物有微-纳米颗粒、碳纤维以及金属泡沫等。

OYA等［28-29］以赤藻糖醇作为相变材料，通过添加不同的物质，制备出复合材料。以泡沫金属镍作为基体，在真空条件下制备了泡沫金属-赤藻糖醇复合相变材料，泡沫金属的孔隙率在90%以上，孔隙尺寸为100～500μm。制备的金属镍-赤藻糖醇复合材料能够达到的最高有效导热系数为11.6W/（m·K），是纯赤藻糖醇导热系数的16倍。此外，3种更为廉价的颗粒，即球状石墨、膨胀石墨以及纳米镍颗粒（平均尺寸为5～8μm）也可作为添加剂来制备复合相变材料。结果表明:通过添加体积分数为15%的膨胀石墨，复合材料的有效导热系数是纯赤藻糖醇的6.4倍。从图7可以看出，通过添加高导热物质可以有效地提高相变材料的导热系数。

图7 不同添加物对于相变材料导热系数的影响［29］

唐小梅等［30］用脂肪酸二元低共熔混合物相变材料作为蓄热介质，通过实验研究了添加泡沫铜金属材料增强相变材料导热的方法。实验数据表明，与纯蓄热材料相比，添加泡沫铜的蓄热系统换热性能得到增强，整个蓄热器内达到相变温度的时间仅为纯蓄热材料的22.5%。由于相变材料的导热系数较低，在熔化过程中容易产生热堆积，使得传热恶化。而泡沫铜大大增大了相变材料的导热系数，缓解了热堆积的影响。

在研究复合材料的导热系数时，应该同时考虑固态导热系数与液态导热系数。根据 WANG等［31］的研究，复合材料的导热系数增强效果在熔化前熔化后是不同的，尤其对于高浓度纳米颗粒添加物，因为高浓度纳米颗粒添加物由于表面作用力，容易发生团聚。此外，对于高浓度的添加材料，相变温度和比热容也会相应发生改变。在将来的研究中，应该综合考虑这些变化。

2.3.4 封装优化

用固体外壳对相变材料进行微封装结合了间接式与直接式蓄热的优点，可以有效提高蓄热器的性能。在熔化与凝固过程中封装外壳不仅作为载热流体与相变材料的换热面，而且起到保护内部相变材料的作用。当前对于相变材料封装的研究主要集中在封装尺寸、形状以及材料等几个方面。

OMARI等［32］分析了5种不同封装形状的蓄热器熔化特性。通过模拟的方法研究了自然对流对于熔化过程的影响。根据模拟结果，宽度较窄，竖直放置的蓄热器熔化速度最快，因为蓄热器内部液态相变材料向上的自然对流会被大大增强。该作者同时指出，研究的不足之处在于没有对凝固过程进行分析，后续研究应该就凝固过程的最优结构进行探究。WEI等［33］针对球体、圆柱体、盘状、管状4种不同封装形状的蓄热器放热性能进行了研究。实验与模拟结果表明，球状封装的放热性能最好，管状封装最差。

与直接式蓄热系统相比，相变材料封装颗粒由于封装壁热阻的存在，蓄放热效率要低一些。当前对于相变材料封装的研究除了尽可能减小封装尺寸，增大面积-体积比，另一个重要的技术是合成层状导热薄板用以固定相变微胶囊，从而大幅提高相变材料的导热系数。DARKWA［34］对一种层状相变材料板进行了模拟研究。层状相变材料板以泡沫铜作为基体，将相变材料微胶囊通过黏合剂固定在泡沫铜上。相变材料颗粒的分布是可控的，具体布置有3种类型，即矩形、三角形以及锥形。结果表明，3种布置形式都可以提高相变材料导热系数 10倍以上，其中矩形布置效果最为显著。然而，这种技术也存在着一定的缺陷，相变材料板与纯相变材料相比，蓄热密度会大大减小:纯相变材料的蓄热密度为157MJ/m³，封装材料的蓄热密度只有81MJ/m³。这是由于封装材料单位体积内既包含相变材料又包含固定材料。张艳来等［35］用石蜡混合物（以C19H40为主体，相变温度25～38℃，比热容极大值出现在31.5℃左右）为芯材，树脂材料为囊壁，与水混合制备成微纳米胶囊流体，将其填充在矩形密闭容器内。通过数值模拟与实验，对相变材料相变过程的特性进行了分析，得出由于相变材料的相变化促进了相变材料微胶囊流体的自然对流的发生，提前了自然对流的启动时间，提高了单位蓄热量的蓄热速度。

在将来的研究中，蓄热材料的循环稳定性、导热系数与蓄热密度之间的平衡将成为研究重点。

2.3.5 梯级蓄热

在相变蓄热系统中，可以利用多种不同熔点的相变材料共同实现蓄放热过程。在蓄热过程中，通过在高温载热流体流动方向上布置熔点逐渐降低的相变材料，可以提高载热流体与相变材料之间的传热温差。沿载热流体流动方向的垂直方向由内而外布置熔点逐渐降低的相变材料也可以实现相同的传热效果。

国内外学者就梯级蓄热的蓄放热特性进行了广泛的研究。WANG等［36］通过在铜管周围布置不同熔点的相变材料实现了梯级蓄热。在该蓄热系统中，从内而外相变材料的熔点依次递增，分别为41.8℃、55.5℃、64.2℃。实验过程中蓄热温度为 70℃，通过实验发现，梯级蓄热的蓄热时间比单级蓄热减少了21%。FANG等［37］通过延管路径向布置3种不同熔点的相变材料也可以实现相同的效果。

胡芃等［38］在忽略蓄热器具体形式的情况下对热力学有效能进行分析，推导出了不同级数下PCMs的各自最佳相变温度的计算公式，并利用计算结果分析了不同有效能利用率的变化，结果表明:当级数为4时，有效能利用率理论上达到80%以上。

2.4 吸附式蓄热系统中传热传质强化

在热化学蓄热系统中，蓄热过程是通过物理或者化学吸附完成的。固汽吸附以及液汽吸附主要适用于低温蓄热系统。利用水合盐进行的化学反应因为具有较高的反应热，比较适合于中高温蓄热。

对于吸附式蓄热系统有两个重要的指标，即蓄热密度以及放热功率。首先，就蓄热密度而言，从材料角度而言，一般比水蓄热高10倍；从系统角度而言，蓄热密度的增长比例略小，因为反应床、导热流体管道等附加设备占据了很大的体积。因此为了保证较高的蓄热密度，必须尽量减小辅助设备的体积。其次，对于放热过程而言，放热功率取决于反应速率，而反应速率从本质上来说取决于固-气之间的传质以及对于反应条件的良好控制等因素［39］。

由于以上的原因，吸附式蓄热的过程强化主要分两个方向:载热流体与吸着剂之间的传热强化以及反应床内部的传质强化。强化手段包括:①反应床的优化，通过使用高导热多孔介质材料来获得更好的填充率；②通过固-气之间更好地接触实现传质的强化；③通过对反应条件精确的控制来实现传热的强化［40］。

2.4.1 吸附系统的改进

吸附式系统具有较高的蓄热密度，在蓄冷或者蓄热领域具有广大的应用前景。国内外学者在吸附系统的研究中取得了显著的进展，包括新型工质对以及三相膨胀循环的技术。

BALES等［41］利用NaOH-H2O作为工质对，实现了吸附式蓄热，并对热系统进行了实验研究。实际试验中蓄热系统为单级闭式吸附系统，驱动温度为59℃。通过实验结果可以推断出，如果采用两级吸附系统，热源温度为 150℃，蓄热密度可以高达250kW·h/m³。

QUINNELL等［42］提出了一种一体式的蓄热系统。在该系统中，水溶液的吸附与解吸过程发生在同一个容器中。在容器内部设有一个内置换热器，可以保证在蓄热以及释热的过程中不会对容器内温度以及浓度梯度造成过大的干扰。研究结果表明这种蓄热系统具有较为可观的蓄热密度:一个4m³的蓄热罐，结合良好的外部保温层，最大蓄热温度为95℃，稳定蓄存时间可达160天。这个蓄热周期完全能够满足跨季节建筑物供暖的蓄热需求。

2.4.2 固-气反应过程的反应床优化

利用多孔反应床可以有效提高蓄放热速率。首先，在选择固体颗粒的尺寸以及形状时，应该尽可能提高蓄热系统的蓄热密度以及蓄放热功率。MICHEL等［43］研究了两种不同粒径的SiBr2与水蒸气发生水合过程的差异。两种颗粒的尺寸分别为50μm以及80μm，通过湿空气在反应床内的循环来实现水合过程。通过实验发现，大尺寸颗粒的反应速率更快，在相同的反应条件下，当大尺寸颗粒完成整个反应86%时，小尺寸颗粒只完成整个反应的26%。这是因为大尺寸的颗粒渗透率更好，更有利于反应的进行。

此外，添加高导热物质也是有效的强化手段。使用碳纤维可以有效提高颗粒的导热系数，使反应速率大大提升。根据NAKASON等［44］的研究，在强化换热的过程中，换热系数以及颗粒导热系数应该综合考虑。沈丹等［45］针对MgH2/Mg系统的放热过程进行研究，认为反应床的换热能力比蓄热材料本身对系统性能影响更大，在反应床中加入合适孔隙率的泡沫金属时，系统可获得更快的反应速率和放热速率。

通过提高气体在反应床中的分散均匀度可以有效提高传质。MICHEL等［43］在气体进口设置了一种特殊的气体分散器，实验结果表明，与无分散器的系统相比，释热效果提高了12.5%。图8为反应装置以及分散器示意图。

此外，WANG等［46］设计了一种利用吸附式蓄热装置回收余热用于制冰的装置。通过研究发现，在统的COP。并且就热管中的工质进行筛选，发现水是最合适的热管介质。

3 结语与展望

在当前全球能源形势紧张的情况下，改善传统能源利用率和提高可再生能源比例，从而实现能源结构的优化是解决能源危机的必由之路，这无疑离不开蓄能技术的有力支持。本文总结了过程强化技术在各类蓄热系统中的成功应用案例，分析了各类强化技术对蓄热系统的传热传质强化，对蓄热技术的发展作出了展望。

图8 气体分散器［43］

与可再生能源相结合的蓄热系统的发展方向是紧凑、高效、模块式的蓄热系统。近年来，“能源互联网”成为未来能源发展的主导战略，蓄热技术作为其中的关键一环，可以协调产能端与用能端的不匹配性，从而提升可再生能源的有效利用率，特别可以解决高渗透率可再生能源的消纳问题。故在未来的研究中，蓄热技术与能源互联网以及分布式能源系统的结合将是应用研究的重点之一。当前蓄热技术的基础研究仍面临一系列严峻挑战，但在近期技术和应用层面，过程强化作为可进一步提高蓄热系统效率的一种技术，可以有效降低系统成本，进一步促进可再生能源发展，实现能源结构改善，促进能源的高效互联互通。

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A review of process intensification technology in thermal energy storage

MENG Feng1，AN Qingsong1，GUO Xiaofeng2，ZHAO Jun1，DENG Shuai1，3，ZHAO Dong1
（1Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2ESIEE Paris，Université Paris Est，Paris 93162，France；3Tianjin Eco-city Energy Investment and Construction Co.，Ltd.，Tianjin 300072，China）

Abstract:The technology of thermal energy storage can efficiently overcome the mismatch between the sides of energy supply and end-user， which is one of the important means to improve the utilization efficiency of energy. However， the current technologies of thermal energy storage are unsatisfied due to a low storage/charge rate. Considering the limitations of current technological level， an state-of-art of process intensification（PI） technologies， which are applied in the thermal energy storage， is presented in this paper. Firstly， three kinds of thermal storage systems， including sensible heat storage， latent heat storage and thermal-chemical storage， are overviewed and a comparison on various PI technologies is conducted in terms of heat storage density， heat storage/charge rate and technical feasibility for an analysis on advantages and disadvantages. Then， a review on application of typical PI technologies in the field of thermal energy storage is presented with highlighted points on structure optimization， material modification and cascade thermal storage. It is implied that the heat and mass transfer in the heat storage process can be enhanced by PI technology based on literature review and analysis， which would significantly improves the heat storage efficiency of heat storage system. Finally，the development trend of thermal storage technology is discussed. The thermal storage system isdeveloping in a more compact and efficient pathway. In the future， the integration of thermal storage technology into energy internet could be one of the promising directions for PI application of thermal energy storage.

Key words:phase change； thermal energy storage； heat transfer； mass transfer

中图分类号：TK 02

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1273-10

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.002

收稿日期：2015-09-21；修改稿日期:2016-01-25。

基金项目：国家高科技研究发展计划（2015AA050403）及国家自然科学基金青年项目（51506149）。