由于太阳能塔式发电具有高聚光比、高能量转换效率、系统稳定性、高发电量和低成本等优点，其超越了抛物线槽、功率碟和线性菲涅耳系统，成为下一代太阳能热发电技术的发展的重点。目前，太阳能塔式发电系统的工作流体通常是各种类型的熔融硝酸盐，同时熔融硝酸盐也具备蓄热介质的作用。然而，较窄的工作温度限制了换热器性能的提高。固体颗粒由于其工作温度高（>1000℃）、工作温度范围宽、良好的热和化学稳定性以及成本较低的优点，成为了一种新兴的传热流体和储热介质。固体颗粒与发电循环之间的热交换器主要分为流化床换热器，移动填充床换热器。移动填充床换热器不需要供应流化气体，也不会引起附加负荷和热损失，其运行成本较低。移动填充床换热器的挑战是提高颗粒/壁的传热系数。对于管壳式移动填充床换热器，其显著的优势在于：重力驱动流，圆管可以承受sCO₂，较低的压降（相比板壳式）。但管顶部的滞止区和管底部的空腔区严重影响颗粒的流动和传热。合理的管道布局和改变管的几何形状都可改善管壳式移动填充床换热器的性能，管几何形状的改变是减小或消除滞止区和空穴区最直接的方法。椭圆管可有效的减小滞止区和空腔区。然而，sCO₂对传热管提出了高应力要求（>20Mpa），较低的耐压性和较高的制造成本限制了椭圆管的应用。

针对以上科学问题，本团队提出了一种新型换热管-类椭圆形组合管，重点探讨了类椭圆形组合管管外的换热性能是否与椭圆管相当，或其是否优于圆管，采用离散单元法详细分析了颗粒绕不同管的流动和换热特性，以评价类椭圆形组合管在管外换热的优势。此外，对三种管的管内换热和抗弯性能进行了简单的分析。结果表明椭圆型组合管在传热性能、管内强化传热和抗弯能力方面克服了圆管和椭圆管的缺点，这项技术可进一步提升管壳式移动填充床换热器的性能且易于在实际工业中实施。

图1 类椭圆形组合管

图2 颗粒绕管速度分布

图3 颗粒绕管温度分布

图4 等质量扰度

该研究结果以“Numerical investigation of a new type tube for shell-and-tube moving packed bed heat exchanger”为题，于2021年9月1日在国际权威期刊《颗粒技术》（Powder Technology）上在线发表。该工作以西安交通大学为唯一作者单位，CEMTA研究团队博士生田兴为第一作者，杨剑教授为通讯作者，论文作者还包括王秋旺教授等。这一工作是CEMTA研究团队在《可再生及可持续能源综述》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）、能源（Energy）、国际传热传质（International Journal of Heat and Mass Transfer）、太阳能源（Solar Energy）以及应用热能工程（Applied Thermal Engineering）等期刊报道颗粒流移动床换热器的工作特性以及应用前景后，在换热器流动换热强化方面应用的重要拓展，对颗粒流移动床换热器设计提供了新思路。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.08.080