无机盐/水热化学吸附储热的理论和实验研究

摘要

热能储存技术可以有效解决太阳热能和工业余热等低品位热源在时间、空间上的供需不匹配，是提高能源利用效率、实现节能减排的关键技术。相比于传统的显热和潜热储热，热化学吸附储热具有储热密度高、散热损失小、集储热和储冷于一体的优点，在近年来受到了社会的广泛关注。
　　其中无机盐/水热化学吸附储热技术，具有储热能力高、节能环保、系统简单的优势，适用于低品位太阳热能和工业余热在建筑供暖空调方面的应用。然而目前对于无机盐/水吸附储热的研究仍然存在一些问题，包括：无机盐液解所造成的材料损失和容器腐蚀；无机盐材料存在导热性能差，吸附过程传质恶化，稳定性较差的缺点；储热系统应用验证的研究较少，高效紧凑的吸附反应器是系统设计的难点。针对以上问题，本文分别进行了无机盐吸水机理研究、无机盐/水吸附储热循环研究、复合储热材料研究、吸附储热系统研究和吸附储热系统评价研究。
　　首先深入分析了无机盐材料的吸水机理，按照在闭式系统中是否发生液解将无机盐分为中等吸湿性材料和强吸湿性材料，提出了中等吸湿性无机盐基于水合过程的热化学储热循环和强吸湿性无机盐基于三相吸附过程的热化学储热循环。以适用于低品位热源（<100℃）驱动的短期和长期储热为目的，优选出储能密度较高的SrBr2和LiCl作为两种类型无机盐的代表，建立了吸附储热（冷）循环的完整路径，从理论上分析了两种盐的储热性能，SrBr2/H2O吸附循环理论储热密度可以达到618 kWh/m3；LiCl/H2O吸附循环理论储热密度可以达到668 kWh/m3。并且提出了针对不同类型材料的吸附储热系统实施方案，SrBr2储热系统建议采用翅片管换热器作为吸附储热单元，而LiCl储热系统建议采用托盘式换热器作为吸附储热单元，利用多孔介质制备复合储热材料辅助实现三相吸附循环。
　　其次，经过对常用多孔材料的筛选，选定了一种新型膨胀石墨-硫化膨胀石墨作为制备复合材料的基质，硫化膨胀石墨可以显著改善复合吸附储热材料的传热性能。采用冷压法分别制备了SrBr2和LiCl固化复合吸附储热材料，其中LiCl复合吸附储热材料中加入了5 wt.%硅溶胶，以增强其机械强度。通过研究固化吸附储热材料的TG-DSC曲线、平衡吸附性能、吸附动力性能、导热率、渗透率和孔隙率，优选出吸附性能最好的SrBr2固化复合吸附储热材料样品和LiCl固化复合吸附储热材料样品。
　　而后，利用优选的SrBr2固化复合吸附储热材料，在实验室设计搭建了一台设计储热量为1 kWh的储热系统，在设计之初利用COMSOL软件对吸附反应器建立了二维分布式参数模型，对其储热和储冷性能分别进行了仿真计算。通过实验研究了SrBr2储热系统在储热模式和储冷模式下的系统性能，结果显示SrBr2吸附储热系统的性能较好，在储热和制冷两方面都表现出较好的性能，储热性能达到了设计值的63%，储冷性能达到设计值的58%。
　　同时也利用优选的LiCl固化复合吸附储热材料，在实验室设计搭建了一台设计储热量为13.8 kWh的储热系统，同样也对其储热性能进行了仿真计算。通过实验研究了LiCl储热系统在储热模式下的系统性能，将其和300 L储热水箱进行了性能比较，可以发现LiCl储热系统储热密度可以达到储热水箱的2倍左右。通过比较实验与仿真结果发现，实验结果较仿真结果相差较大，实际储热量仅为仿真值的40%，分析其原因，其一是实验中结束释热时仍有热量释放，但是由于释热功率较小而并未回收；其二是固化剂吸附储热材料吸水导致传质恶化，阻止了LiCl的进一步吸水，影响实际吸附量。
　　最后本文给出了储热系统的评价指标，根据评价指标对比了LiCl和SrBr2吸附储热系统。LiCl吸附储热系统具有储热密度高，储热效果好的优点，但其稳定性较差，材料性能衰减严重，且其系统设计复杂；而SrBr2吸附储热系统具有系统简单，性能稳定，兼顾储热和储冷的功能。在目前，如果选用无机盐/水吸附系统进行储热，建议选择以 SrBr2为代表的中等吸湿性材料基于水合反应的储热系统，其可靠性较强，并且易于控制，而以LiCl为代表的强吸湿性材料基于三相吸附过程的储热系统，如果将来其稳定性可以改善，将会更有优势。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2热化学吸附储热介绍

1.3无机盐/水热化学吸附储热的研究

1.4目前存在的问题

1.5本文主要的研究内容

第二章 无机盐/水吸附储热理论与材料的优选

2.1 无机盐吸水/脱水过程的机理

2.2 无机盐的分类和优选

2.3 SrBr2/H2O热化学吸附储热循环

2.4 LiCl/H2O热化学吸附储热循环

2.5 实施方案

2.6本章小结

第三章 固化复合吸附储热材料的性能研究

3.1 固化吸附储热材料的制备

3.2固化吸附储热材料吸附特性及传热传质性能测试方法

3.3 SrBr2固化吸附储热材料性能测试结果

3.4 LiCl固化吸附储热材料性能测试结果

3.5本章小结

第四章 SrBr2吸附储热系统的设计和实验研究

4.1 SrBr2储热实验台的设计

4.2 吸附反应器性能仿真

4.3 SrBr2储热装置及测试系统

4.4 SrBr2储热系统实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 LiCl吸附储热系统的设计和实验研究

5.1 LiCl储热系统的设计

5.2 吸附反应器性能仿真

5.3 LiCl储热系统的建立

5.4 LiCl储热系统的实验结果与分析

5.5 本章小结

第六章 无机盐/水吸附储热系统评价与分析

6.1热化学储热系统评价指标

6.2 SrBr2和LiCl吸附储热系统的评价分析

6.3无机盐/水吸附储热系统评价

6.3小结

第七章 总结与展望

7.1研究内容总结

7.2研究的创新性

7.3本文的不足及工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间已撰写的论文、申请专利及所获奖励