《Energy Conversion and Management-X》：Multiphysics simulation of electrically driven molten-salt heat exchangers under renewable energy supply
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本研究针对可再生电力（光伏）集成工业加热过程中的储能与换热难题，通过瞬态CFD&HT模拟，系统研究了7.5 kW熔盐电加热器(eHX)在水平与垂直安装、不同罐径下的热性能。研究揭示了浮力流主导热分布、诱发热分层，并发现优化出口位置可有效约束分层、降低加热元件热负荷。该工作为管理太阳能间歇性、优化电驱动高温热系统设计提供了关键见解，对工业过程脱碳具有重要意义。
在能源转型的浪潮中，工业领域的脱碳是决定成败的关键战场。工业生产往往需要持续、稳定的高温热源，而传统的化石燃料供热模式正面临严峻的挑战。与此同时，以光伏（PV）、风电为代表的可再生能源成本急剧下降，为工业供热提供了新的绿色路径。然而，太阳“阴晴不定”，风能“时有时无”，这种固有的间歇性成为可再生能源直接服务工业热需求的“拦路虎”。如何高效地将波动的绿电转化为稳定可用的热能，并安全可靠地储存与传递，是当前学术界与工业界共同攻关的焦点。
在这一背景下，电驱动的熔盐换热器（electrically heated molten-salt heat exchanger）应运而生，它像一位“能量翻译官”，能够将光伏板产生的电能，通过电阻加热元件（electrical resistive elements）转化为热能，直接加热循环流动的熔盐。被加热的熔盐既可以作为传热介质，通过壳管式换热器为工业过程提供高温热源，也可以储存在热罐中，起到“热能缓冲池”的作用，弥补太阳能供给的昼夜与波动缺口。这为实现“削峰填谷”——利用白天富余的太阳能充电，在夜间或无光时放电——提供了可能。然而，这套看似精巧的系统内部却暗藏“热危机”。熔融硝酸盐在约565–585 °C就会开始分解，产生腐蚀性副产物；而电阻加热器如果散热不均，极易在其表面或内部形成远高于此温度的“热斑”（hot spots），不仅威胁材料安全，缩短设备寿命，还可能导致熔盐局部变质。此外，熔盐在罐体内还容易出现温度分层（thermal stratification），即高温流体聚集在上部，低温流体沉在下部，这会影响传热效率和储能质量。因此，深入理解电加热熔盐换热器内部复杂的热流耦合机制，特别是重力引起的浮力如何影响温度分布和流动结构，对于优化设计、确保安全高效运行至关重要。
近日，Jordi Vera、Oriol Sanmartí、Santiago Torras和Carlos D. Pérez-Segarra团队在《Energy Conversion and Management: X》上发表论文，针对一台7.5 kW的熔盐电加热器（eHX）展开了深入的多物理场模拟研究。他们运用瞬态计算流体动力学与传热学（Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer, CFD&HT）技术，构建了一个多区域共轭传热模型，不仅精细刻画了熔盐流场与温度场，还史无前例地详细模拟了电阻丝内部的热场，以评估其安全性与寿命。研究考察了换热器在水平与垂直两种安装方向下的表现，并分析了罐体直径（从154 mm到600 mm）变化、稳态运行、模拟日间太阳能波动以及功率扰动等多种工况。他们的工作旨在揭示浮力与强制对流共同作用下的混合对流（mixed convection）现象如何塑造热场，识别潜在的流动结构与温度梯度，从而为面向可再生能源的电加热系统优化设计提供科学依据。
为了回答上述科学问题，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，建立了多区域共轭传热CFD&HT模型。该模型将计算域分为熔盐流动区和多个（文中N=6）发夹型（hairpin-type）电阻区域，分别求解流体域的Navier-Stokes方程、能量方程和固体域的热传导方程，并考虑了两者之间的耦合传热。其次，发展了一种高效的电阻丝内部温度场解析方法。为避免直接模拟电阻内部复杂结构带来的巨大计算开销，研究采用了一种“分步求解”策略：先以电阻发热作为边界条件求解熔盐域，得到电阻外壁温度；再将此外壁温度作为边界条件，单独求解包含电阻丝、氧化镁（MgO）粉末填料和金属外壳的固体域热传导问题，从而精确获得电阻丝的最高工作温度。最后，实施了基于开源平台OpenFOAM的高性能数值计算。利用其chtMultiRegionFoam求解器，在40个核心上进行并行计算，并进行了详细的网格无关性验证，确保了结果的可靠性。研究所用的物性参数，如四元熔盐的密度、比热容、粘度等，均采用了与温度相关的经验公式。
研究结果
4.1. 参考几何结构的稳态分析
研究发现，浮力驱动流动在热分布中扮演了决定性角色。在水平和垂直（底部入口）配置下，熔盐均出现了明显的热分层，热流体聚集在顶部。与浮力被抑制的纯强制对流情况相比，考虑浮力后，近壁面流速显著增加，增强了换热，使得电阻壁面最高温度从567 °C（无浮力）分别降至402 °C（水平）和427 °C（垂直）。相应的内部电阻丝最高温度也从危险的722 °C降至557 °C和582 °C。水平配置的平均换热系数（93 W/(m2K)）高于垂直配置（54 W/(m2K)），但垂直配置下各电阻间的温度分布更均匀。
4.2. 进出口流动反向（垂直）的影响
当垂直配置的入口和出口对调（顶部进，底部出），迫使流动与自然对流方向相反时，流动结构变得更加复杂。低温熔盐从顶部流入后，在重力作用下加速下沉，与受热上升的流体形成更强的旋流。尽管这增强了局部混合，但整体上削弱了换热，导致电阻壁面平均温度升高，最高可达474 °C，电阻丝温度相应也更高。
4.3. 罐体直径（水平）的影响
对于水平放置、兼具缓冲罐功能的eHX，罐径增大会显著改变热分层形态。在小直径（154 mm）罐中，热分层贯穿整个罐体。随着直径增大（200 mm至600 mm），温度分层主要被限制在加热元件附近区域，罐体其余部分温度趋于均匀。研究还发现，出口位置对系统平均温度有重要影响。将出口从靠近加热元件的较高位置移至罐体底部，虽然会使电阻温度略有上升，但能大幅提高罐内熔盐的平均温度（例如在直径400 mm罐中提升了16 °C），这对于提升系统的热能储存能力是有利的。
4.4. 日间瞬态行为
模拟光伏日间功率曲线（式8）输入下的运行表明，系统的热响应强烈依赖于罐体尺寸。较小的罐（如154 mm）由于热惯性小，平均温度响应迅速，能达到更高的峰值温度。而大直径罐（如400 mm, 600 mm）则表现出显著的热滞后，达到峰值温度的时间明显延后，起到了“热缓冲”的作用，能有效平滑因太阳能波动带来的出口温度变化。
4.5. 功率扰动下的瞬态响应
在系统达到稳态后施加突然的功率衰减（模拟云层遮挡），研究了其抗扰动能力。结果表明，罐体越大，储存的热能越多，在加热功率突降后，出口温度下降的速度越慢，维持高温输出的时间越长，系统稳定性越好。
研究结论与意义
本研究通过系统的多物理场模拟，深入揭示了可再生电力驱动的熔盐电加热器内部复杂的热流动机理。主要结论包括：1) 浮力驱动流动是主导热分布和诱发热分层的关键因素，在设计时必须予以充分考虑。2) 换热器安装方向显著影响性能：水平布置通常能获得更好的换热效果和更低的电阻温度，但垂直布置的温度分布更均匀；而逆向流动（顶部入口）虽然增强了局部混合，但整体上不利于换热。3) 罐体尺寸是调控系统动态特性的有效杠杆：小罐响应快但温度波动大，适合快速换热；大罐热惯性大，缓冲能力强，适合储能和平滑波动。4) 优化出口位置是一种有效的热管理策略，可以在一定程度上控制热分层范围，并在换热与储能功能之间进行权衡。
这项工作的重要意义在于：首先，它首次详细解析了电加热器内部电阻丝的温度场，为评估加热元件安全裕度、预防热斑导致的熔盐分解和设备老化提供了直接依据。其次，研究明确了浮力和几何因素（方向、直径、出口位置）对系统稳态和瞬态性能的定量影响，为面向可再生能源间歇性特点的eHX优化设计提供了清晰的工程指导。例如，对于需要快速响应太阳能变化的场景，可选择较小罐体；而对于需要长时间稳定供热或平抑波动的场景，则应选择较大罐体并结合出口位置优化。最后，该研究采用的高保真CFD&HT模型与方法，为同类电热转换与储能系统的设计与安全评估建立了可靠的分析框架。总之，这项工作为推动可再生能源高效、可靠地集成到工业加热过程，加速工业领域高温热脱碳，迈出了坚实而关键的一步。
