無(wú)機(jī)鹽-水熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、熱能儲(chǔ)存技術(shù)可以有效解決太陽(yáng)熱能和工業(yè)余熱等低品位熱源在時(shí)間、空間上的供需不匹配，是提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的顯熱和潛熱儲(chǔ)熱，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱密度高、散熱損失小、集儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷于一體的優(yōu)點(diǎn)，在近年來(lái)受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。
　　其中無(wú)機(jī)鹽/水熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱技術(shù)，具有儲(chǔ)熱能力高、節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，適用于低品位太陽(yáng)熱能和工業(yè)余熱在建筑供暖空調(diào)方面的應(yīng)用。然而目前對(duì)于無(wú)機(jī)鹽/水吸附儲(chǔ)熱的研究仍然存在

2、一些問(wèn)題，包括：無(wú)機(jī)鹽液解所造成的材料損失和容器腐蝕；無(wú)機(jī)鹽材料存在導(dǎo)熱性能差，吸附過(guò)程傳質(zhì)惡化，穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)；儲(chǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證的研究較少，高效緊湊的吸附反應(yīng)器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，本文分別進(jìn)行了無(wú)機(jī)鹽吸水機(jī)理研究、無(wú)機(jī)鹽/水吸附儲(chǔ)熱循環(huán)研究、復(fù)合儲(chǔ)熱材料研究、吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)研究和吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究。
　　首先深入分析了無(wú)機(jī)鹽材料的吸水機(jī)理，按照在閉式系統(tǒng)中是否發(fā)生液解將無(wú)機(jī)鹽分為中等吸濕性材料和強(qiáng)吸濕性材料，提出了

3、中等吸濕性無(wú)機(jī)鹽基于水合過(guò)程的熱化學(xué)儲(chǔ)熱循環(huán)和強(qiáng)吸濕性無(wú)機(jī)鹽基于三相吸附過(guò)程的熱化學(xué)儲(chǔ)熱循環(huán)。以適用于低品位熱源（<100℃）驅(qū)動(dòng)的短期和長(zhǎng)期儲(chǔ)熱為目的，優(yōu)選出儲(chǔ)能密度較高的SrBr2和LiCl作為兩種類(lèi)型無(wú)機(jī)鹽的代表，建立了吸附儲(chǔ)熱（冷）循環(huán)的完整路徑，從理論上分析了兩種鹽的儲(chǔ)熱性能，SrBr2/H2O吸附循環(huán)理論儲(chǔ)熱密度可以達(dá)到618 kWh/m3；LiCl/H2O吸附循環(huán)理論儲(chǔ)熱密度可以達(dá)到668 kWh/m3。并且提出了針對(duì)不同

4、類(lèi)型材料的吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)施方案，SrBr2儲(chǔ)熱系統(tǒng)建議采用翅片管換熱器作為吸附儲(chǔ)熱單元，而LiCl儲(chǔ)熱系統(tǒng)建議采用托盤(pán)式換熱器作為吸附儲(chǔ)熱單元，利用多孔介質(zhì)制備復(fù)合儲(chǔ)熱材料輔助實(shí)現(xiàn)三相吸附循環(huán)。
　　其次，經(jīng)過(guò)對(duì)常用多孔材料的篩選，選定了一種新型膨脹石墨-硫化膨脹石墨作為制備復(fù)合材料的基質(zhì)，硫化膨脹石墨可以顯著改善復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料的傳熱性能。采用冷壓法分別制備了SrBr2和LiCl固化復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料，其中LiCl復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料

5、中加入了5 wt.%硅溶膠，以增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)研究固化吸附儲(chǔ)熱材料的TG-DSC曲線(xiàn)、平衡吸附性能、吸附動(dòng)力性能、導(dǎo)熱率、滲透率和孔隙率，優(yōu)選出吸附性能最好的SrBr2固化復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料樣品和LiCl固化復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料樣品。
　　而后，利用優(yōu)選的SrBr2固化復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)搭建了一臺(tái)設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱量為1 kWh的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初利用COMSOL軟件對(duì)吸附反應(yīng)器建立了二維分布式參數(shù)模型，對(duì)其儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷性能分別進(jìn)

6、行了仿真計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了SrBr2儲(chǔ)熱系統(tǒng)在儲(chǔ)熱模式和儲(chǔ)冷模式下的系統(tǒng)性能，結(jié)果顯示SrBr2吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)的性能較好，在儲(chǔ)熱和制冷兩方面都表現(xiàn)出較好的性能，儲(chǔ)熱性能達(dá)到了設(shè)計(jì)值的63%，儲(chǔ)冷性能達(dá)到設(shè)計(jì)值的58%。
　　同時(shí)也利用優(yōu)選的LiCl固化復(fù)合吸附儲(chǔ)熱材料，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)搭建了一臺(tái)設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱量為13.8 kWh的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，同樣也對(duì)其儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了LiCl儲(chǔ)熱系統(tǒng)在儲(chǔ)熱模式下的系統(tǒng)性能，將其和300

7、L儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行了性能比較，可以發(fā)現(xiàn)LiCl儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱密度可以達(dá)到儲(chǔ)熱水箱的2倍左右。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較仿真結(jié)果相差較大，實(shí)際儲(chǔ)熱量?jī)H為仿真值的40%，分析其原因，其一是實(shí)驗(yàn)中結(jié)束釋熱時(shí)仍有熱量釋放，但是由于釋熱功率較小而并未回收；其二是固化劑吸附儲(chǔ)熱材料吸水導(dǎo)致傳質(zhì)惡化，阻止了LiCl的進(jìn)一步吸水，影響實(shí)際吸附量。
　　最后本文給出了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比了LiCl和SrBr2吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)。Li