氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)及系統(tǒng)性能研究.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能耗需求的增加,節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境目前已經(jīng)成為世界范圍所共同關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問題。氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng),是基于可逆氣固反應(yīng)構(gòu)建的熱力學(xué)循環(huán),通過熱能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化,能夠提升熱量的溫度,實(shí)現(xiàn)低品位余熱資源的有效回收和利用。和其他形式的熱量回收系統(tǒng),如常規(guī)的蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)相比,氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)不依賴電力的消耗,無運(yùn)動(dòng)部件和噪音,具有廣泛的應(yīng)用前景。系統(tǒng)通常采用對(duì)環(huán)境無害的自然工質(zhì),因此受到了國(guó)內(nèi)外越來越多的關(guān)注。

2、
　　 在系統(tǒng)的工質(zhì)對(duì)選型方面,相對(duì)于金屬氫化物/氫和金屬氧化物/二氧化碳等工質(zhì)對(duì),金屬氯化物/氨的反應(yīng)量較大,溫度范圍較適合于低溫余熱資源的利用。但是,系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在幾個(gè)主要的問題,一是金屬氯化物的導(dǎo)熱系數(shù)較低(如CaCl2的導(dǎo)熱系數(shù)僅0.1～0.3W·m·K-1),無法有效的傳遞反應(yīng)熱,致使系統(tǒng)的功率較低；二是金屬氯化物/氨工質(zhì)對(duì)在多次的合成/分解反應(yīng)后,金屬氯化物發(fā)生結(jié)塊的現(xiàn)象(agglomeration pheno

3、menon),導(dǎo)致反應(yīng)性能衰減和傳質(zhì)惡化；三是系統(tǒng)的熱力學(xué)性能(溫度提升ΔT、系統(tǒng)COP和COPex)較低,經(jīng)濟(jì)性較差。此外,系統(tǒng)性能的研究主要是理論分析,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立和性能測(cè)試較少。
　　 針對(duì)以上問題,本文對(duì)氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)和系統(tǒng)性能進(jìn)行研究,所獲得的研究成果對(duì)氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化,以及相關(guān)的氣固反應(yīng)系統(tǒng)和復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程的研究,都具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 本文的主要內(nèi)容包括:

4、>　　 (1)從溫度提升ΔT、系統(tǒng)COP和COPex以及工質(zhì)對(duì)的匹配等方面,對(duì)兩種基本結(jié)構(gòu)的氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)(E/C+R系統(tǒng)和R+R系統(tǒng))進(jìn)行了對(duì)比分析,確定采用R+R系統(tǒng)作為本文的主要研究對(duì)象,并對(duì)該系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度進(jìn)行了理論分析,確定了平衡溫降和反應(yīng)腔室的非充分回?zé)崾窍到y(tǒng)熱力學(xué)不完善的主要影響因素。
　　 (2)氣固反應(yīng)熱變溫器系統(tǒng)通常由低溫反應(yīng)鹽和高溫反應(yīng)鹽組成,系統(tǒng)運(yùn)行過程包含兩種反應(yīng)鹽的合成和分解反應(yīng)。氣體腔室

5、的存在將對(duì)系統(tǒng)中的反應(yīng)鹽的化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生作用。結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程,本文分析了氣體腔室體積對(duì)系統(tǒng)功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex的影響。在氣體腔室體積較小時(shí),兩種反應(yīng)鹽的反應(yīng)速率較趨于平衡。此時(shí),系統(tǒng)的功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex較大。
　　 (3)本文針對(duì)膨脹石墨壓塊基材的復(fù)合反應(yīng)塊,依據(jù)反應(yīng)塊的物理結(jié)構(gòu),結(jié)合所經(jīng)歷的物理和化學(xué)過程,對(duì)反應(yīng)塊在氣固反應(yīng)過程中的熱導(dǎo)率和氣體滲透率等物性進(jìn)行了分析,并對(duì)傳熱、傳質(zhì)性能

6、對(duì)氣固反應(yīng)過程和系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究,提出了優(yōu)化的性能參數(shù)區(qū)間,為系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。
　　 (4)本文建立了單級(jí)氣固反應(yīng)熱變溫器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試(ΔT=30℃、SHP=254W·kg-1、COP=0.19和COPex=0.23),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性,并探討了系統(tǒng)內(nèi)部的多步反應(yīng)過程和系統(tǒng)操作模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響,驗(yàn)證了閉閥操作對(duì)系統(tǒng)功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex的提升作用。