تحلیل پیشرفت‌های اخیر فوم‌های فلزی مدرج در ارتقای عملکرد سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نهان

چکیده

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نهان (LHTES) مبتنی بر مواد تغییر فازدهنده (PCM) به‌دلیل چگالی بالای ذخیره انرژی، به‌عنوان یکی از گزینه‌های کلیدی در کنترل حرارتی و مدیریت انرژی ساختمان‌ها و سامانه‌های صنعتی مطرح هستند. با این حال، هدایت حرارتی ذاتی پایینPCM ها همچنان مهم‌ترین چالش در افزایش نرخ شارژ و دشارژ حرارتی این سامانه‌ها به شمار می‌رود. در این راستا، فوم‌های فلزی مدرج (GMF) با ایجاد گرادیان هدفمند در تخلخل، تراکم منافذ در اینچ (PPI) و حتی ترکیب متالورژیکی، امکان بهینه‌سازی هم‌زمان انتقال حرارت و افت فشار را فراهم می‌کنند.این مقاله مروری به بررسی پیشرفت‌های انجام‌شده طی بازه زمانی ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۵ در زمینه طراحی، روش‌های ساخت و کاربرد فوم‌های فلزی مدرج در سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نهان می‌پردازد. روش‌های ساخت گزارش‌شده شامل ریخته‌گری نفوذی مدرج،متالوزی پودر و ساخت افزایشی است. نتایج مطالعات نشان می‌دهد استفاده از GMF با گرادیان تخلخل می‌تواند زمان شارژ حرارتی را حدود ۲۵ تا ۴۵ درصد کاهش دهد، در حالی‌که اعمال گرادیان PPI منجر به کاهش ۳۰ تا ۶۰ درصدی این زمان می‌شود. همچنین در پیکربندی‌های پوسته–لوله‌ای و صفحه‌ای، به‌کارگیری راهبرد پرشدگی جزئی همراه با فوم فلزی مدرج، بهبود راندمان حرارتی تا حدود ۳۵ درصد را به دنبال دارد. علاوه بر این، مدل‌سازی‌های عددی مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، با بهره‌گیری از روش‌های حجم سیال (VOF)  و آنتالپی–تخلخل، در کنار الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند الگوریتم ژنتیک، به‌طور گسترده برای طراحی بهینه فوم‌های فلزی مدرج (GMF) به‌کار گرفته شده‌اند. در ادامه، چالش‌های اصلی این حوزه شامل مقیاس‌پذیری فرایند ساخت، پایداری عملکرد در سیکل‌های متوالی ذوب–انجماد و مسیرهای آینده پژوهش مبتنی بر به‌کارگیری روش‌های پیشرفته بهینه‌سازی و داده‌محور مورد بحث قرار می‌گیرد. نتایج این مرور نشان می‌دهد که اگرچه این فناوری‌ها از قابلیت پیاده‌سازی در مقیاس پایلوت برخوردارند، اما برای دستیابی به تجاری‌سازی کامل، همچنان به توسعه و بهینه‌سازی‌های بیشتری نیاز دارند.