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

1、隨著世界經濟的發(fā)展和能耗需求的增加,節(jié)約能源和保護環(huán)境目前已經成為世界范圍所共同關注的一個熱點問題。氣固反應熱變溫器系統(tǒng),是基于可逆氣固反應構建的熱力學循環(huán),通過熱能和化學能的相互轉化,能夠提升熱量的溫度,實現(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,氣固反應熱變溫器系統(tǒng)不依賴電力的消耗,無運動部件和噪音,具有廣泛的應用前景。系統(tǒng)通常采用對環(huán)境無害的自然工質,因此受到了國內外越來越多的關注。

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

3、menon),導致反應性能衰減和傳質惡化；三是系統(tǒng)的熱力學性能(溫度提升ΔT、系統(tǒng)COP和COPex)較低,經濟性較差。此外,系統(tǒng)性能的研究主要是理論分析,實驗系統(tǒng)的建立和性能測試較少。
　　 針對以上問題,本文對氣固反應熱變溫器系統(tǒng)的傳熱傳質和系統(tǒng)性能進行研究,所獲得的研究成果對氣固反應熱變溫器系統(tǒng)的設計和性能優(yōu)化,以及相關的氣固反應系統(tǒng)和復雜傳熱傳質過程的研究,都具有一定的指導意義。
　　 本文的主要內容包括:

4、>　　 (1)從溫度提升ΔT、系統(tǒng)COP和COPex以及工質對的匹配等方面,對兩種基本結構的氣固反應熱變溫器系統(tǒng)(E/C+R系統(tǒng)和R+R系統(tǒng))進行了對比分析,確定采用R+R系統(tǒng)作為本文的主要研究對象,并對該系統(tǒng)的熱力學完善度進行了理論分析,確定了平衡溫降和反應腔室的非充分回熱是系統(tǒng)熱力學不完善的主要影響因素。
　　 (2)氣固反應熱變溫器系統(tǒng)通常由低溫反應鹽和高溫反應鹽組成,系統(tǒng)運行過程包含兩種反應鹽的合成和分解反應。氣體腔室

5、的存在將對系統(tǒng)中的反應鹽的化學反應過程產生作用。結合系統(tǒng)的結構和運行過程,本文分析了氣體腔室體積對系統(tǒng)功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex的影響。在氣體腔室體積較小時,兩種反應鹽的反應速率較趨于平衡。此時,系統(tǒng)的功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex較大。
　　 (3)本文針對膨脹石墨壓塊基材的復合反應塊,依據(jù)反應塊的物理結構,結合所經歷的物理和化學過程,對反應塊在氣固反應過程中的熱導率和氣體滲透率等物性進行了分析,并對傳熱、傳質性能

6、對氣固反應過程和系統(tǒng)性能的影響進行了研究,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)本文建立了單級氣固反應熱變溫器的實驗系統(tǒng),對系統(tǒng)的性能進行了測試(ΔT=30℃、SHP=254W·kg-1、COP=0.19和COPex=0.23),實驗驗證了系統(tǒng)的可行性,并探討了系統(tǒng)內部的多步反應過程和系統(tǒng)操作模式對系統(tǒng)性能的影響,驗證了閉閥操作對系統(tǒng)功率SHP、系統(tǒng)COP和COPex的提升作用。