气固反应热变温器系统的传热传质及系统性能研究

摘要

随着世界经济的发展和能耗需求的增加,节约能源和保护环境目前已经成为世界范围所共同关注的一个热点问题。气固反应热变温器系统,是基于可逆气固反应构建的热力学循环,通过热能和化学能的相互转化,能够提升热量的温度,实现低品位余热资源的有效回收和利用。和其他形式的热量回收系统,如常规的蒸气压缩热泵系统相比,气固反应热变温器系统不依赖电力的消耗,无运动部件和噪音,具有广泛的应用前景。系统通常采用对环境无害的自然工质,因此受到了国内外越来越多的关注。
　　 在系统的工质对选型方面,相对于金属氢化物/氢和金属氧化物/二氧化碳等工质对,金属氯化物/氨的反应量较大,温度范围较适合于低温余热资源的利用。但是,系统在实际应用中存在几个主要的问题,一是金属氯化物的导热系数较低(如CaCl2的导热系数仅0.1～0.3W·m·K-1),无法有效的传递反应热,致使系统的功率较低；二是金属氯化物/氨工质对在多次的合成/分解反应后,金属氯化物发生结块的现象(agglomeration phenomenon),导致反应性能衰减和传质恶化；三是系统的热力学性能(温度提升ΔT、系统COP和COPex)较低,经济性较差。此外,系统性能的研究主要是理论分析,实验系统的建立和性能测试较少。
　　 针对以上问题,本文对气固反应热变温器系统的传热传质和系统性能进行研究,所获得的研究成果对气固反应热变温器系统的设计和性能优化,以及相关的气固反应系统和复杂传热传质过程的研究,都具有一定的指导意义。
　　 本文的主要内容包括:
　　 (1)从温度提升ΔT、系统COP和COPex以及工质对的匹配等方面,对两种基本结构的气固反应热变温器系统(E/C+R系统和R+R系统)进行了对比分析,确定采用R+R系统作为本文的主要研究对象,并对该系统的热力学完善度进行了理论分析,确定了平衡温降和反应腔室的非充分回热是系统热力学不完善的主要影响因素。
　　 (2)气固反应热变温器系统通常由低温反应盐和高温反应盐组成,系统运行过程包含两种反应盐的合成和分解反应。气体腔室的存在将对系统中的反应盐的化学反应过程产生作用。结合系统的结构和运行过程,本文分析了气体腔室体积对系统功率SHP、系统COP和COPex的影响。在气体腔室体积较小时,两种反应盐的反应速率较趋于平衡。此时,系统的功率SHP、系统COP和COPex较大。
　　 (3)本文针对膨胀石墨压块基材的复合反应块,依据反应块的物理结构,结合所经历的物理和化学过程,对反应块在气固反应过程中的热导率和气体渗透率等物性进行了分析,并对传热、传质性能对气固反应过程和系统性能的影响进行了研究,提出了优化的性能参数区间,为系统的性能优化提供了重要的依据。
　　 (4)本文建立了单级气固反应热变温器的实验系统,对系统的性能进行了测试(ΔT=30℃、SHP=254W·kg-1、COP=0.19和COPex=0.23),实验验证了系统的可行性,并探讨了系统内部的多步反应过程和系统操作模式对系统性能的影响,验证了闭阀操作对系统功率SHP、系统COP和COPex的提升作用。
　　 (5)本文提出了一种二级气固反应热变温器系统的热力学循环。此系统是基于单级系统进行改进,有效的提高系统温度提升ΔT,并且避免系统压力在系统改进过程中所受到的影响,改善系统运行的可靠性和系统操作的安全性。本文还建立了二级气固反应热变温器的实验系统,并对系统性能进行了测试和初步的实验,最大温度提升ΔTmax可达70℃。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

§1.1课题的背景及意义

§1.1.1国家的能源策略

§1.1.2能源利用现状

§1.1.3课题的意义

§1.2课题的国内外研究现状

§1.2.1热变温器系统的基础研究

§1.2.2热变温器实验系统及应用

§1.3本文的主要工作

参考文献

第二章 气固反应热变温器系统的热力学分析

§2.1气固反应热变温器系统的热力学原理

§2.1.1气固反应热变温器系统的工质对

§2.1.2气固反应热变温器系统的热力循环

§2.1.3气固反应热变温器系统的系统结构选型

§2.1.4气固反应热变温器系统的热力学完善度分析

§2.2气固反应热变温器系统的性能

§2.2.1气固反应热变温器系统的数学模型

§2.2.2模型计算结果及讨论

§2.3气固反应热变温器系统的热经济性分析

§2.3.1气固反应热变温器系统的热力学模型

§2.3.2(火用)经济目标函数

§2.3.3热经济性优化准则

§2.3.4(火用)经济目标函数的因素分析

§2.3.5系统性能的优化区域

§2.4本章小结

参考文献

第三章 气固反应系统的传热和传质分析

§3.1膨胀石墨压块基材复合反应块的制备

§3.1.1膨胀石墨的制备

§3.1.2复合反应块的制备

§3.2复合反应块的传热和传质性能

§3.2.1复合反应块的物性变化

§3.2.2复合反应块的反应性能

§3.3本章小结

参考文献

第四章 单级气固反应热变温器系统的实验与理论研究

§4.1系统研制

§4.1.1单级热变温器实验系统的装置介绍

§4.1.2单级热变温器实验系统的充注过程

§4.1.3单级热变温器实验系统的实验过程

§4.2实验结果与分析

§4.2.1两种工质对选型时的系统性能比较

§4.2.2单级热变温器实验系统的多步反应过程

§4.2.3多步反应过程对系统性能的影响

§4.2.4系统操作模式的影响

§4.3本章小节

参考文献

第五章 二级气固反应热变温器系统的性能研究

§5.1二级气固反应热变温器系统的理论分析

§5.1.1热变温器系统和制冷/热泵系统的热力学相关性

§5.1.2二级热变温器系统的热力学循环

§5.1.3二级热变温器系统的性能对比

§5.2新型三盐二级热变温器系统的实验研究

§5.2.1二级热变温器实验系统的研制

§5.2.2二级实验系统的传热测试

§5.2.3二级实验系统的反应性能测试

§5.3二级气固反应热变温器系统的性能分析

§5.4本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果