技术领域：填充床储热
开发单位：上海交通大学 赵长颖
文章名称：H. B. Liu, C. Y. Zhao. Effect of Radial porosity oscillation on the thermal performance of packed bed latent heat storage. Engineering, 2020.
技术突破：建立了基于实际布置的三维填充床潜热储热模型开展径向孔隙率振荡影响机制研究，获得管囊直径比、Re数、St数等参数对流体流动和传热特性的影响。
应用价值：对于指导PCM胶囊参数选取和排列方式有一定参考意义。
填充床潜热蓄热(LHS)因其储热容量大、传热速度快而被认为是一种很有前途的储热方式。填充床中的壁面效应会影响相变材料(PCM)胶囊的堆积排列，引起径向孔隙率振荡分布，导致传热流体速度分布不均匀。这进一步影响了相变材料的径向温度分布和液相率分布。
研究人员建立了一个基于实际布置的三维填充床潜热蓄热模型，以考虑径向孔隙率振荡。然后对其流体流动和传热进行了分析，在填充床径向截留不同柱面的情况下，确定了胶囊排列方式与孔隙率振荡的对应关系。如图2(a)所示，不断且随机地产生小球体落在容器上方，然后，将所有球体的面积相加，并将球体的总面积除以次表面的面积，如图2(b)所示。讨论了不同无量纲参数(管囊直径比、Re数、St数)对传热流体和相变材料径向特性的影响。
结果表明，不同的直径比对应不同的径向孔隙率分布。在近壁区速度变化剧烈，而在中心区观察到振荡分布。相变材料的径向温度分布与传热流体的径向相对速度分布是一致的。因此，相变材料在孔隙率较高的径向位置熔融较快。随着直径比的增大，近壁区的最大速度增大。然而，随着相变材料胶囊在储罐中心的堆积变得更加随机，中心区域的速度不均匀性减小。此外，填充床潜热储热系统的储能时间大大缩短，平均储能功率有所提高，但压降较大；雷诺数的增加会使相变材料的储热速度成比例提高，加速储能过程，从而进一步缩短储能时间，提高平均储能功率，但这可能会导致更大的压降；St数的增加对传热流体的速度分布影响不大，但会增大传热流体与相变材料之间的温差，增加相变材料中储存的显热。因此，可以缩短储能时间，并增加填充床潜热储热系统的储热量。
图2 (a)球体堆积过程和(b)沿径向生成子曲面的示意图
