中低温热化学吸附储热机理及实验研究

摘要

作为热化学储热的一种途径，热化学吸附储热不仅具有储热密度大和易于实现热能长期储存的优点，而且可以实现冷热的复合储存，因而备受瞩目。
　　本文将热化学吸附和热化学再吸附有机地耦合在一起，并将两种不同温区的化学反应盐统筹在一个热化学吸附储热系统之内，构建了氯化物-氨为工质对的热化学吸附储热循环实验系统。采用浸渍法，利用膨胀石墨作为添加剂与氯化物制成固化吸附剂，以改善其传热传质特性。实验系统由两个分立的吸附单元和填充两种不同温区反应盐的再吸附单元所组成。两个吸附单元分别以 SrCl2/NH3和 MnCl2/NH3作为工质对，可以储热以及冷热复合储存的多种模式工作。以MnCl2作为高温反应盐和 SrCl2作为低温反应盐的再吸附单元连接两个相互独立的吸附单元，同时将两个不同温区的反应盐相互联系在一起。针对中低温热化学吸附储热，从定性分析、定量计算以及试验的角度对热化学吸附储热、热化学再吸附储热以及耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环及系统进行了理论分析以及实验研究。
　　首先对各类热化学吸附储热循环进行了理论分析并比较了各自的优缺点，进而指出耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环，具有极大的灵活性，不仅可以根据具体需求实现向吸附和再吸附储热循环的转变，而且可以更有效地实施热能品位的提升。此外，耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环还可依据外界热源温度和热用户的需求有针对性地进行变温调控。在热能储存阶段通过热化学再吸附大幅降低驱动高温反应盐解吸的热源温度，不仅有利于拓展低品位热能的工作温区，而且显著地加强了输出热能温度品位提升的能力。在热能输出阶段藉由基本的热化学吸附来保证系统压力的平稳，克服了热化学再吸附不同反应盐反应速率不协调造成系统压力脉动进而导致的输出温度波动的问题，从而为输出合格温度品位的热能提供了有力的保障。
　　其次，概括了热化学吸附储热材料的筛选原则。针对固化吸附剂制备中普遍采用的浸渍法，本文强调指出为了保证吸附储热材料的循环稳定性必须考虑结晶水合氯化物的脱水过程，并对其可能发生的副反应所带来的不利影响进行评估。
　　再次，对热化学吸附和热化学再吸附系统的储热特性进行了实验研究。研究结果表明：对于以 SrCl2/NH3为工质对的热化学吸附储热系统，在试验工况下，系统总储热效率的最大值为92.74%，最大的吸附储热效率为68.71%；储热材料吸附储热密度的最大值可以达到1386.16 kJ/kg固化混合吸附剂或1630.78 kJ/kg SrCl2；总储热密度最大可达1871.03 kJ/kg固化混合吸附剂或2201.21 kJ/kg SrCl2。对于以MnCl2/NH3为工质对的热化学吸附储热系统，在试验工况下，系统总储热效率的最大值为93.86%，最大的吸附储热效率为47.84%；储热材料的吸附储热密度最大可达1391.34 kJ/kg固化混合吸附剂或1636.87 kJ/kg MnCl2；总储热密度的最大值为2729.82 kJ/kg固化混合吸附剂或3211.56 kJ/kg MnCl2。
　　对于MnCl2–SrCl2/NH3为体系的热化学再吸附储热系统，在试验工况下，系统总储热效率的最大值为94.67%，最大的吸附储热效率为48.34%；材料吸附储热密度的最大值为2027.74 kJ/kg固化混合吸附剂或2385.58kJ/kg MnCl2；材料总储热密度的最大值为3971.47 kJ/kg固化混合吸附剂或4672.32 kJ/kg MnCl2。
　　而后，以 MnCl2/SrCl2/NH3作为工质对，对耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热系统进行了实验研究。当高温反应盐MnCl2的解吸充热温度为135℃，低温反应盐SrCl2在12℃下吸附；低温反应盐SrCl2在90℃下再生，NH3的冷凝/蒸发温度为12℃，放热温度为40℃，且高温盐MnCl2和低温盐SrCl2都参与放热的运行工况下，试验获得的总储热效率为93.31%，吸附储热效率为53.36%。高温反应盐吸附剂的总储热密度按单位质量的固化吸附剂和单位质量反应盐 MnCl2计量分别为3734.36 kJ/kg和4393.36 kJ/kg；低温反应盐吸附剂的总储热密度按单位质量的固化吸附剂和单位质量反应盐SrCl2计量分别为1655.19 kJ/kg和1947.28 kJ/kg。
　　最后，在实验研究的基础上，本文提出再吸附与吸附耦合—高低温盐双盐交联是实现热化学再吸附的良好途径，并且指出再吸附并不仅仅是单纯的再吸附，实质上是耦合了吸附之后所得到的综合效果。而且，本文提出了将化学反应盐与氨之间的解吸/吸附反应分为反应活跃区、过渡区和反应惰性区三个区域的构想。试验所获得的材料的吸附储热密度和吸附储热效率可以为利用热化学吸附进行跨季节储热提供有益的参考和借鉴。试验所获得的化学吸附储热材料的储热密度是传统显热储热和相变潜热储热密度的10~20倍。由此可见，热化学吸附储热是相当有前景的一种储热方式，可为低品位热能的高效回收利用提供强有力的技术支持。

目录

声明

符号说明

第一章 绪 论

1.1 课题的背景和意义

1.2 热能储存技术的分类及特点

1.3 热化学储热的研究进展

1.4 目前所存在的主要问题

1.5 本文的主要研究内容

第二章 热化学吸附储热原理

2.1 基本的热化学吸附储热循环的原理

2.2 热化学再吸附储热循环的原理

2.3 各类热化学吸附储热循环的比较

2.4 热化学吸附储热的变温调控

2.5 本章小结

第三章 热化学吸附储热材料的遴选及循环储热特性研究

3.1 热化学吸附储热体系的选择

3.2 热化学吸附储热循环的运行模式

3.3 SrCl2/NH3热化学吸附储热循环的特性分析

3.4 MnCl2/NH3热化学吸附储热循环的特性分析

3.5 本章小结

第四章 热化学吸附储热的实验研究

4.1 热化学吸附储热实验台的构建

4.2 热化学吸附储热实验流程

4.3 SrCl2/NH3热化学吸附储热的实验研究

4.4 MnCl2/NH3热化学吸附储热的实验研究

4.5 本章小结

第五章 热化学再吸附储热的实验研究

5.1 再吸附工质对的选择

5.2 热化学再吸附储热循环的实验流程及其具体实施

5.3 MnCl2–SrCl2/NH3热化学再吸附储热特性的实验研究

5.4 本章小结

第六章 耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环的理论分析及实验研究

6.1 耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环的反应平衡特性

6.2 耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环的储热特性分析

6.3 耦合吸附和再吸附的热化学吸附储热循环的实验研究

6.4 限制调控的局限性研究及其解决途径

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究内容总结

7.2 创新性及典型研究成果

7.3 本文不足及课题展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所发表的论文、申请专利及所获奖励