翅片強(qiáng)化相變儲(chǔ)能蓄熱性能的數(shù)值研究

收稿日期：2022-01-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51774161）；遼寧省教育廳項(xiàng)目（LJKZ0367）；遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（LNTU20TD-15）

通信作者：于靜梅（1973—），女，碩士、副教授，主要從事流體機(jī)械理論及應(yīng)用、傳熱過(guò)程理論與節(jié)能技術(shù)方面的研究。52yjm@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0123 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0078-06

摘 要：為改善立方體儲(chǔ)能單元的相變儲(chǔ)能蓄熱效果，運(yùn)用數(shù)值方法研究插入翅片后相變材料熔化效果，并對(duì)比增加翅片數(shù)量與改變翅片插入位置后對(duì)PCM熔化速率的影響。研究結(jié)果表明：插入翅片后PCM熔化速率顯著提升，相比于三翅片結(jié)構(gòu)，單翅片與雙翅片儲(chǔ)能單元隨LR，f的增加性能提升良好，雙翅片0.75LR，f立方體儲(chǔ)能單元性能較好，其PCM完全熔化時(shí)間相比于無(wú)翅片結(jié)構(gòu)提升193%；翅片向下偏移有助于縮短PCM完全熔化時(shí)間，其中0.54HR，f結(jié)構(gòu)對(duì)PCM熔化具有更好的改善作用。

關(guān)鍵詞：蓄熱；數(shù)值方法；相變材料；立方體式；翅片

中圖分類(lèi)號(hào)：TK02 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

目前，環(huán)境問(wèn)題將限制世界工業(yè)的發(fā)展，因此新能源的開(kāi)發(fā)利用至關(guān)重要［1］。中國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略促進(jìn)可再生能源使用比例，但可再生能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在間歇性［2］。為實(shí)現(xiàn)電力“削峰填谷”，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展則成為提高能源系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。

熱儲(chǔ)能方式分為顯熱儲(chǔ)能［3］、相變儲(chǔ)能［4］、化學(xué)儲(chǔ)能［5］。相變儲(chǔ)能系統(tǒng)可在相對(duì)恒定的工作溫度下儲(chǔ)存大量熱［6］，由于其安全性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活中［7］。相變材料（phase change material，PCM）在系統(tǒng)中作為儲(chǔ)能介質(zhì)放置在密封、絕熱容器中。由于PCM導(dǎo)熱系數(shù)偏低，導(dǎo)致蓄熱和放熱速度較慢［8］。為提高PCM的傳熱率，Dhaidan等［9］采用在PCM中插入翅片的方法提高系統(tǒng)性能，結(jié)果表明該方法能顯著縮短PCM完全熔化時(shí)間。將PCM與高導(dǎo)熱材料復(fù)合使用［10］以及使用納米顆粒［11］增強(qiáng)PCM的導(dǎo)熱性都是改善儲(chǔ)能系統(tǒng)性能的方式。

由于翅片強(qiáng)化傳熱效果明顯，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。Ali等［12］對(duì)不同截面形狀的翅片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三角形截面翅片改善性能效果較好；Acir等［13］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)增加翅片數(shù)量會(huì)增加熔化速率；Tiari等［14］提出的環(huán)形翅片，通過(guò)驗(yàn)證可提升儲(chǔ)能效果；文獻(xiàn)［15］通過(guò)改變翅片數(shù)量和儲(chǔ)能單元的傾斜角度改善系統(tǒng)性能；文獻(xiàn)［16］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究翅片開(kāi)孔對(duì)儲(chǔ)能單元蓄熱性能的影響。

這些研究大多只針對(duì)翅片構(gòu)型以及數(shù)量展開(kāi)分析，但鮮有涉及翅片插入后，針對(duì)PCM熔化特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)想和計(jì)算。因此，本文采用數(shù)值模擬的方法，基于立方體式儲(chǔ)能單元，研究翅片影響PCM熔化的因素，尋找優(yōu)化方案，以期為相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。

1 控制方程

相變材料的相變過(guò)程采用焓-多孔度法模擬［17］，需考慮以下假設(shè)：1）除了在Boussinesq假設(shè)中溫度變化引起的線性密度-溫度關(guān)系，其他情況密度恒定；2）自然對(duì)流是層流，不可壓縮和非黏性流動(dòng)；3）忽略PCM體積變化；4）內(nèi)部熱輻射忽略不計(jì)。根據(jù)以上假設(shè)可得到控制方程。

連續(xù)性方程為：

[?ρ?t+▽?ρV=0] （1）

動(dòng)量方程為：

[?ρvx?t+▽?ρvxV=▽?μ▽vx-?p?x+Sx] （2）

[?ρvy?t+▽?ρvyV=▽?μ▽vy-?p?y+Sy] （3）

式中：[ρ]——PCM的密度；[V]——流動(dòng)速度；[vx]、[vy]——PCM在[x、y]方向的速度；[μ]——PCM的運(yùn)動(dòng)黏度；[p]——壓強(qiáng)；[Sx]、[Sy]——[x、y]方向上動(dòng)量方程的源項(xiàng)［18］。

[Sx=-1-fl2f3l+εAmushvx] （4）

[Sy=-1-fl2f3l+εAmushvy] （5）

式中：[fl]——液相分?jǐn)?shù)；[ε]——小于10-3的常數(shù)；[Amush]［19］——糊狀區(qū)常數(shù)，取105～1010，本文取105。

能量方程為：

[??tρH+▽?ρVH=▽?kcp▽T+S] （6）

式中：[H]——物質(zhì)的焓；[k]——導(dǎo)熱系數(shù)；[cp]——PCM定壓比熱容；T——相變材料溫度；[S]——相關(guān)源項(xiàng)。

[H=h+ΔH] （7）

[h=h0+T0TcpdT] （8）

[ΔH=flhsl] （9）

式中：[h]——顯熱焓；[ΔH]——潛熱焓；[h0]、[T0]——焓、溫度的參考值；[hsl]——PCM熔化潛熱。

2 模型建立

2.1 物理模型

本文采用立方體式儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個(gè)儲(chǔ)能單元組成。為分析翅片尺寸、數(shù)量、位置等因素對(duì)相變儲(chǔ)能過(guò)程的影響，主要對(duì)單個(gè)儲(chǔ)能單元進(jìn)行分析。圖1為立方體儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)示意圖。其中左側(cè)為70 ℃等溫?zé)嵩?，方腔?nèi)部尺寸[Hc]（100 mm）×[Wc]（100 mm）×[Tc]（100 mm），方腔側(cè)壁、頂壁和底壁都視為絕熱。翅片長(zhǎng)度為[Lf]，厚度為2 mm，定義翅片長(zhǎng)度比[LR，f]與翅片相對(duì)位置[HR，f]為：

[LR，f=LfWc] （10）

[HR，f=H1Hc] （11）

根據(jù)PCM的特點(diǎn)和相變儲(chǔ)熱儲(chǔ)能單元的工作溫度，選用鋁作為翅片材料，月桂酸作為PCM，物性參數(shù)如表1所示?？紤]到翅片幾何形狀對(duì)相變儲(chǔ)能過(guò)程的影響，首先對(duì)平直矩形翅片、波紋狀翅片和T形翅片儲(chǔ)能單元進(jìn)行數(shù)值模擬，翅片插入位置為0.49HR，f。

由圖2可知，T形翅片儲(chǔ)能單元在初期PCM熔化較快，尤其在4000 s時(shí)熔化速率相比于平直矩形翅片提升13.73%，但對(duì)于整體PCM熔化過(guò)程，T形翅片儲(chǔ)能單元未表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。而波紋狀翅片儲(chǔ)能單元在蓄熱過(guò)程中PCM的熔化速率始終低于平直矩形翅片儲(chǔ)能單元。因?yàn)槠胶庑?、?jīng)濟(jì)性等因素，本文選取平直矩形翅片作為研究對(duì)象。

2.2 可靠性分析

為確定最佳網(wǎng)格數(shù)量和時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)無(wú)關(guān)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)0.2 s的時(shí)間步長(zhǎng)可在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到較精確的結(jié)果。

將數(shù)值模擬結(jié)果與Kamkari等［20］儲(chǔ)能單元中無(wú)翅片熔化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的正確性。由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在3種時(shí)刻的最大誤差分別為5.2%、8.7%、10.1%?？傮w來(lái)說(shuō)，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，可驗(yàn)證本文模型的可靠性。

3 結(jié)果與分析

3.1 LR，f的影響

為研究強(qiáng)化相變儲(chǔ)能蓄熱過(guò)程的方法，首先對(duì)單翅片[LR，f]為0.25、0.50、0.75的情況進(jìn)行研究。定義翅片增強(qiáng)率Ef

量化翅片對(duì)熔化過(guò)程的影響程度為：

[Ef=Mwithfin-Mnofin1.0×100%] （12）

式中：[Mwithfin]——插入翅片后相變材料液相分?jǐn)?shù)；[Mnofin]——無(wú)翅片液相分?jǐn)?shù)。

由圖4可知，無(wú)翅片時(shí)PCM熔化增強(qiáng)率恒定為零，熔化過(guò)程2000 s內(nèi)[Ef]呈線性增長(zhǎng)，這是由于少量液相PCM不足以形成自然對(duì)流，此時(shí)導(dǎo)熱為主要的熱傳方式。插入翅片后，[Ef]在0～8000 s持續(xù)增加，并在約8000 s達(dá)到最大值，其中[Ef]在[0.75LR，f]的情況下約為40%，在[0.25LR，f]時(shí)僅為13%，這是由Rayleigh-Bénard對(duì)流和傳熱面積的差異引起的。8000 s后[Ef]逐漸下降，過(guò)程持續(xù)至約30000 s時(shí)，此后3種翅片[Ef]逐漸重合并趨向零。

為進(jìn)一步研究相變儲(chǔ)能蓄熱過(guò)程的影響因素，在選用不同[LR，f]翅片的基礎(chǔ)上，增加翅片數(shù)量，研究其對(duì)相變蓄熱性能的影響。由圖5可知，1000 s時(shí)，3種[LR，f]儲(chǔ)能單元中的液相PCM主要平行于翅片分布，證明在PCM熔化初期，導(dǎo)熱為主要傳熱過(guò)程。儲(chǔ)能單元在PCM熔化過(guò)程中上半部熔化速率更高，因?yàn)殡S著PCM液相分?jǐn)?shù)逐漸升高，自然對(duì)流逐漸形成后溫度較高的液相PCM向上流動(dòng)，促進(jìn)固相PCM熔化。與單翅片相比，雙翅片結(jié)構(gòu)在熔化初期依靠更大的傳熱面積改善了熔化速率。由圖5b、圖5c可知，隨著[LR，f]增加，PCM熔化速率加快，一方面由于熔化初期傳熱過(guò)程以導(dǎo)熱為主，[LR，f]增大，翅片與PCM之間的傳熱面積增加使熔化速率更快，同時(shí)可使PCM更快達(dá)到能建立自然對(duì)流狀態(tài)的液相分?jǐn)?shù)，加快熔化進(jìn)程；另一方面，在翅片周?chē)合鄥^(qū)域形成的對(duì)流渦胞會(huì)促進(jìn)換熱過(guò)程能質(zhì)傳遞，[LR，f]越大，翅片周?chē)鷮?duì)流渦胞的數(shù)量越多，PCM熔化越快。

由圖6a可知，不同[LR，f]的液相分?jǐn)?shù)在約2000 s時(shí)為18%，其[Ef]在2000～4000 s內(nèi)迅速提升，在約5000 s可達(dá)最大值。說(shuō)明在該階段，翅片附近產(chǎn)生的Rayleigh-Bénard對(duì)流強(qiáng)化了儲(chǔ)能單元內(nèi)部的對(duì)流換熱，與單翅片相比，雙翅片結(jié)構(gòu)不但未阻礙自然對(duì)流的進(jìn)行，更促進(jìn)了兩翅片中間PCM的熔化，其中，[0.75LR，f]的翅片增強(qiáng)率最顯著，約為193%。12000 s時(shí)上部PCM完全熔化，固液交界面逐漸向右下方移動(dòng)。而后，由于液相層不斷變厚，熱源與固相之間熱阻變大，翅片附近的對(duì)流渦胞增大后逐漸融合，同時(shí)固相PCM與熱源距離較遠(yuǎn)，所以不同[LR，f]的翅片增強(qiáng)率均逐漸平緩下降。安裝翅片后，當(dāng)液相分?jǐn)?shù)達(dá)到約95%時(shí)熔化速率迅速下降，這是由于固相PCM與熱源距離較遠(yuǎn)、其間熱阻較大導(dǎo)致。24000 s時(shí)儲(chǔ)能單元蓄熱過(guò)程基本完成。

三翅片儲(chǔ)能單元模擬結(jié)果如圖6b所示，其中翅片增強(qiáng)率為[0.50LR，f、][0.75LR，f]相比于[0.25LR，f]時(shí)的PCM熔化率?？芍猍0.50LR，f、][0.75LR，f]儲(chǔ)能單元在約0～12000 s液相分?jǐn)?shù)始終高于[0.25LR，f]，這是因?yàn)榍罢吒蟮膿Q熱面積可促進(jìn)PCM熔化過(guò)程。在2000 s時(shí)較之[0.25LR，f]，熔化速率分別提升25.2%、51.7%。但在12000 s后，以對(duì)流換熱為主的儲(chǔ)能單元中，由于翅片阻礙液相PCM流動(dòng)，[0.50LR，f、][0.75LR，f]在很大程度上抑制自然對(duì)流能力，導(dǎo)致熔化速率降低，在約[16000 s]時(shí)[Ef]分別降至-14.5%、-12.6%?？烧f(shuō)明，雖然三翅片結(jié)構(gòu)在PCM熔化初期，由于更大的傳熱面積快速地建立了自然對(duì)流狀態(tài)，但隨著過(guò)程的進(jìn)行，翅片阻礙了液相PCM的自然對(duì)流，導(dǎo)致三翅片儲(chǔ)能單元不同于單翅片與雙翅片結(jié)構(gòu)，只有[0.25LR，f]性能較好。所以為強(qiáng)化儲(chǔ)能單元蓄熱性能，在增大換熱面積的同時(shí)，需將翅片對(duì)液相PCM自然對(duì)流的影響降低到最小。

由表2可知，三翅片結(jié)構(gòu)在PCM熔化初期能有效提升熔化速率，但隨著熔化過(guò)程的進(jìn)行，[0.50LR，f、][0.75LR，f]儲(chǔ)能單元熔化速率降低。在PCM熔化后期，該儲(chǔ)能單元液相分?jǐn)?shù)已低于其他結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌崞瑪?shù)量、長(zhǎng)度影響了內(nèi)部自然對(duì)流的能力，阻礙PCM之間的對(duì)流換熱。相較于其他結(jié)構(gòu)，雙翅片[0.75LR，f]的儲(chǔ)能單元在2000～4000 s內(nèi)液相分?jǐn)?shù)提升最大，并始終保持顯著優(yōu)勢(shì)。

由圖7可知，三翅片儲(chǔ)能單元完全熔化時(shí)間反而偏長(zhǎng)，相比于無(wú)翅片情況下，PCM完全熔化時(shí)間分別縮短約33.3%、6.5%、-6.6%，而[0.75LR，f]雙翅片儲(chǔ)能單元相比于無(wú)翅片完全熔化時(shí)間縮短約47.3%，性能較好。

3.2 翅片位置的影響

研究發(fā)現(xiàn)[0.75LR，f]雙翅片儲(chǔ)能單元具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在熔化過(guò)程中固液交界面逐漸向右下方移動(dòng)，可推斷右下方固相PCM完全熔化時(shí)代表儲(chǔ)能單元蓄熱完成。圖8是液相分?jǐn)?shù)為0.5時(shí)，[0.25LR，f、][0.75LR，f]不同高度液相層與熱源的溫差，[0.75LR，f]時(shí)儲(chǔ)能單元頂部（縱軸高度100 mm）與熱源溫差較小，僅為3.6 ℃，且[LR，f]對(duì)該位置溫度影響較大，說(shuō)明翅片長(zhǎng)度的增加雖加速了PCM熔化，但由于翅片表面Rayleigh-Bénard對(duì)流增強(qiáng)，導(dǎo)致[0.75LR，f]情況下液相過(guò)熱情況更明顯。在高度為50 mm時(shí)，由于翅片加熱作用，該位置液相PCM也存在較顯著的過(guò)熱現(xiàn)象，且[LR，f]對(duì)其影響較小。在儲(chǔ)能單元底部（縱軸高度0～30 mm）液相層溫度與熱源溫差較大，這是由于液相PCM受熱向上流動(dòng)導(dǎo)致該位置溫度較低，此時(shí)[LR，f]對(duì)溫差的影響并不顯著，所以?xún)H增加翅片長(zhǎng)度，對(duì)于底部PCM熔化的促進(jìn)不明顯。因此，以[0.75LR，f]雙翅片儲(chǔ)能單元為基礎(chǔ)，研究翅片相對(duì)位置對(duì)儲(chǔ)能單元蓄熱過(guò)程的影響。

分別將翅片置于[0.54HR，f、][0.49HR，f、][0.44HR，f、][0.39HR，f、][0.32HR，f]處，圖9為[0.75LR，f]翅片不同[HR，f]示意圖。

圖10為不同翅片位置儲(chǔ)能單元中的液相分?jǐn)?shù)與其相比于[0.32HR，f]時(shí)的[Ef]變化趨勢(shì)。由圖10可知，在PCM熔化初期，[0.39HR，f]液相分?jǐn)?shù)有略微提升，約為0.4%，而其余情況均為負(fù)提升。這是由于翅片偏下，較小的空間會(huì)在一定程度上阻礙液相區(qū)的自然對(duì)流，并影響儲(chǔ)能單元上部PCM過(guò)熱。但隨著熔化過(guò)程進(jìn)行，儲(chǔ)能單元上部液相PCM已進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)，使固液交界面迅速朝固相區(qū)移動(dòng)，熔化加速。同時(shí)，偏下放置的翅片減小了與箱底液相PCM的溫差，也使底部固相PCM速熔化，因此在約5000 s各組Ef迅速提升，[0.54HR，f]工況下[Ef]提升最快，在約12000 s可達(dá)11.24%，該結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能單元中PCM完全熔化時(shí)間為16839 s，較之[0.32HR，f]時(shí)縮短約7.9%。翅片偏下的各儲(chǔ)能單元箱內(nèi)平均溫度在13000 s后均超過(guò)[0.32HR，f]，其中[0.54HR，f]的儲(chǔ)能單元在16000 s時(shí)液相分?jǐn)?shù)約為99.2%，箱內(nèi)平均溫度較[0.32HR，f]高約3.2%。

4 結(jié) 論

1）平直矩形單翅片立方體式儲(chǔ)能單元在蓄熱過(guò)程中，增加翅片長(zhǎng)度有利于提高PCM熔化速率，與無(wú)翅片儲(chǔ)能單元相比[Ef]在[LR，f]為0.75時(shí)可達(dá)40%。

2）相比于單翅片與三翅片，[0.75LR，f]平直矩形雙翅片立方體式儲(chǔ)能單元具有更好的蓄熱性能，[Ef]可達(dá)193%，PCM完全熔化時(shí)間縮短47.3%。在1000 s時(shí)，[0.25LR，f]三翅片儲(chǔ)能單元相比于[0.50LR，f]、[0.75LR，f]，[Ef]分別降低25.2%、51.7%，而在16000 s時(shí)，[Ef]分別提升14.5%、12.6%。說(shuō)明在翅片的分隔作用下，只增加[LR，f]有可能降低儲(chǔ)能單元的蓄熱性能。

3）在PCM熔化初期，加快其熔化速率至液相分?jǐn)?shù)約為18%，能更快速地建立自然對(duì)流狀態(tài)，進(jìn)而加快熔化過(guò)程。加快早期形成自然對(duì)流的速度是提升立方體式儲(chǔ)能單元性能的關(guān)鍵。

4）研究發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)能單元蓄熱過(guò)程中箱體上部液相PCM有明顯的過(guò)熱現(xiàn)象，而右下方固相PCM熔化較慢。將翅片下移能有效加快右下方固相PCM熔化速率，且當(dāng)[0.54HR，f]時(shí)PCM完全熔化時(shí)間相比于[0.32HR，f]時(shí)縮短約7.9%。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ LEWIS N S. Research opportunities to advance solar energy utilization［J］. Science， 2016， 351（6271）： 353-362.

［2］ 張建平， 胡慧瑤， 吳淑英， 等. 正交各向異性相變材料的無(wú)網(wǎng)格法傳熱模型及應(yīng)用［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（3）： 242-250.

ZHANG J P， HU H Y， WU S Y， et al. Meshless heat transfer analysis model of orthotropic phase change materials" and" its" application［J］." Acta" energiae" solaris sinica， 2022， 43（3）： 242-250.

［3］ LAKSHMI D V N， LAYEK A， KUMAR P M. Performance analysis of trapezoidal corrugated solar air heater with sensible heat storage material［J］. Energy procedia， 2017， 109： 463-470.

［4］ NOFAL" M，" PAN" Y" Y，" AL-HALLAJ" S." Selective" laser sintering of phase change materials for thermal energy storage" applications［J］." Procedia" manufacturing，" 2017， 10： 851-865.

［5］ 孫峰， 彭浩， 凌祥. 中高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能研究進(jìn)展［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2015， 4（6）： 577-584.

SUN F， PENG H， LING X. Progress in medium to high temperature thermochemical energy storage technologies［J］. Energy storage science and technology， 2015， 4（6）： 577-584.

［6］ MEHMOOD T， SHAH N V H ALI M， et al. Simplified mathematical model and experimental analysis of latent thermal energy storage for concentrated solar power plants［J］. Journal of energy storage， 2021， 41： 102871.

［7］ 李宏燕. 太陽(yáng)能相變儲(chǔ)熱裝置研究現(xiàn)狀［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2016， 37（12）： 145-150.

LI H Y. Research review of solar phase changing thermal storage" equipment［J］." Journal" of" Chinese" agricultural mechanization， 2016， 37（12）： 145-150.

［8］ 李椿， 王志華， 王建春， 等. 殼管式相變儲(chǔ)能換熱器性能研究與場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)分析［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2020， 41（3）： 226-233.

LI C， WANG Z H， WANG J C， et al. Performance study and field synergy analysis of shell and tube phase change energy storage heat exchanger［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（3）： 226-233.

［9］ DHAIDAN N S， KHODADADI J M. Improved performance of latent heat energy storage systems utilizing high" thermal" conductivity" fins：" a" review［J］." Journal" of renewable and sustainable energy， 2017， 9（3）： 034103.

［10］ LAING D， BAUER T， BREIDENBACH N， et al. Development" of" high" temperature" phase-change-material storages［J］. Applied energy， 2013， 109： 497-504.

［11］ DARVIN J R， HOSSAIN M S， NABIL M， et al. Concentrated Ag nanoparticles in dodecane as phase change" "materials" for" "thermal" "energy" "storage［J］." ACS applied nano materials， 2019， 2（10）： 6187-6196.

［12］ ALI H M， ASHRAF M J， GIOVANNELLI A， et al. Thermal management of electronics： an experimental analysis of triangular， rectangular and circular pin-fin heat sinks for various PCMs［J］. International journal of heat and mass transfer， 2018， 123： 272-284.

［13］ ACIR A， CANLI M E. Investigation of fin application effects on melting time in a latent thermal energy storage system with phase change material（PCM）［J］. Applied thermal engineering， 2018， 144： 1071-1080.

［14］ TIARI S， HOCHKINS A， SHANK K. Experimental study of a latent heat thermal energy storage system assisted by varying annular fins［J］. Journal of energy storage， 2022， 55： 105603.

［15］ KARAMI R， KAMKARI B. Experimental investigation of the effect of perforated fins on thermal performance enhancement of vertical shell and tube latent heat energy storage systems［J］. Energy conversion and management， 2020， 210： 112679.

［16］ YAZICI M Y， AVCI M， AYDIN O. Combined effects of inclination angle and fin number on thermal performance of" " a" " PCM-based" " heat" " "sink［J］." " Applied" " thermal engineering， 2019， 159： 113956.

［17］ TIARI S， HOCHINS A， MAHDAVI M. Numerical study of a latent heat thermal energy storage system enhanced by varying" "fin" configurations［J］." Case" studies" "in" "thermal engineering， 2021， 25： 100999.

［18］ 王倩蓉， 李正貴， 盧昌燊， 等. 翅片式相變儲(chǔ)能器內(nèi)赤藻糖醇蓄熱性能研究［J］. 熱能動(dòng)力工程， 2021， 36（2）： 49-56.

WANG Q R， LI Z G， LU C S， et al. Study on the thermal storage performance of erythritol in a fin type phase change energy" "storage" "device［J］." "Journal" "of" "engineering" "for thermal energy and power， 2021， 36（2）： 49-56.

［19］ SAFARI V， ABOLGHASEMI H， KAMKARI B. Experimental and numerical investigations of thermal performance enhancement in a latent heat storage heat exchanger" " using" " "bifurcated" " "and" " "straight" " fins［J］. Renewable energy， 2021， 174： 102-121.

［20］ KAMKARI B， SHOKOUHMAND H. Experimental investigation of phase change material melting in rectangular" enclosures" "with" "horizontal" "partial" "fins［J］. International journal of heat and mass transfer， 2014， 78： 839-851.

NUMERICAL STUDY OF HEAT STORAGE PERFORMANCE IN

PHASE CHANGE ENERGY STORAGE ENHANCED BY FINS

Yu Jingmei1，Liu Yaohong1，Zhang Fengzhong2，Zhang Shixuan3

（1. College of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China；

2. National Electricity Investment Group in Northeast China Electric Power Company， Shenyang 110117， China；

3. National Energy Investment Group Ningxia Electric Power Company， Yinchuan 750000， China）

Abstract：In order to improve the phase change energy storage effect in cube heat storage units， the melting effect of phase change materials after inserting fins was studied by numerical methods， and the influence of increasing the number of fins and changing the insertion position of fins on the melting rate of PCM was compared. The results show that the melting rate of PCM is significantly improved after the fins are inserted. Compared with the three-fin structure， the performance of single-fin and dual-fin energy storage units is" improved" with" the" increase" of" LR，f." The" dual-fin" energy" storage" unit" with" 0.75" LR，f" of" cube" heat" storage" unit" has" better performance， and the PCM melting time is improved 193% compared with the non-fin structure. The downward shift of fins is helpful to shorten the PCM melting time， and 0.54HR，f structure has a better effect on PCM melting.

Keywords：heat storage； numerical methods； phase change materials； cube energy storage unit； fins