馬良，王如竹，李廷賢

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

低品位熱能驅(qū)動(dòng)的熱化學(xué)吸附變溫器冷熱復(fù)合儲(chǔ)能研究

馬良*，王如竹**，李廷賢

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

本文介紹了一種基于熱化學(xué)吸附變溫器原理的冷熱復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，在此基礎(chǔ)上采用熱化學(xué)吸附工質(zhì)對(duì)NaBr-NH3搭建了低品位熱能驅(qū)動(dòng)的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其變溫吸附儲(chǔ)熱和吸附儲(chǔ)冷性能進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：變溫吸附儲(chǔ)熱模式時(shí)，在變溫 15℃的工況下儲(chǔ)熱密度為258kJ/kg；吸附儲(chǔ)冷模式時(shí)，在制冷溫度7℃的工況下儲(chǔ)冷密度可達(dá)525kJ/kg，COP為0.3，SCP可達(dá)175W/kg，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明熱化學(xué)吸附變溫器在低品位熱能高效回收利用和能量?jī)?chǔ)存方面具有很好的發(fā)展?jié)摿?，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱量和冷量的復(fù)合儲(chǔ)存。

熱化學(xué)吸附 儲(chǔ)能 能量提升 變溫器

0 前言

能源和環(huán)境問題是目前的熱點(diǎn)話題，隨著人們對(duì)節(jié)能和環(huán)保的日益重視，低品位熱能利用技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，但是低品位熱能作為替代能源的發(fā)展仍舊面臨著諸多阻礙，例如實(shí)際使用中低品位熱能因溫度較低通常較難被直接利用，且能量供給與能量需求有時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上不匹配的矛盾，而儲(chǔ)能技術(shù)則是解決這種不匹配問題的重要途徑?，F(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)能，相變潛熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能三種方式[1]。顯熱儲(chǔ)能技術(shù)裝置簡(jiǎn)單，成本較低，但能量?jī)?chǔ)存密度較低，而且輸出溫度波動(dòng)過大；潛熱儲(chǔ)能能量?jī)?chǔ)存密度較高，儲(chǔ)熱、釋熱過程近似等溫，但過冷和析出問題一直未能良好的解決；化學(xué)儲(chǔ)能能量?jī)?chǔ)存密度大，工質(zhì)數(shù)量眾多，可根據(jù)不同的工況進(jìn)行選擇，具有良好的發(fā)展前景。

目前，對(duì)于吸附式系統(tǒng)，吸附式制冷已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，但是對(duì)于吸附系統(tǒng)的儲(chǔ)能和熱泵應(yīng)用研究較少。應(yīng)用吸附式系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能的原理是采用低品位熱能為驅(qū)動(dòng)力，利用固－氣可逆化學(xué)反應(yīng)過程中熱能與吸附勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存的技術(shù)，擁有儲(chǔ)存過程無熱能損失的優(yōu)點(diǎn)[2]。在此基礎(chǔ)之上，可利用化學(xué)吸附鹽的溫度與壓力變化的反應(yīng)特性構(gòu)建一種熱化學(xué)變溫吸附技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)制冷工況或者將熱量釋放時(shí)的輸出溫度提升的比原儲(chǔ)存時(shí)輸入溫度更高的熱泵工況，將儲(chǔ)能與低品位熱能高效利用結(jié)合在一起，為低品位熱源的能量的利用提供了一種新的思路。

1 系統(tǒng)介紹與搭建

1.1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)能量應(yīng)用的方式不同可將系統(tǒng)分為變溫吸附儲(chǔ)熱工況和吸附儲(chǔ)冷工況，利用吸附系統(tǒng)間歇運(yùn)作的特性，當(dāng)熱能供應(yīng)充足時(shí)讓吸附反應(yīng)器解吸實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，當(dāng)需要使用熱量或者冷量的時(shí)候再使循環(huán)繼續(xù)，達(dá)到了儲(chǔ)能的目的。

圖1 熱化學(xué)變溫吸附儲(chǔ)能系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)組成如圖1所示，高溫?zé)嵩刺峁┦刮椒磻?yīng)器解吸的儲(chǔ)熱熱量，而低溫?zé)嵩刺峁┳儨匚絻?chǔ)熱循環(huán)（熱泵工況）下使儲(chǔ)液器內(nèi)液態(tài)制冷劑溫度升高的變溫?zé)崃?。冷卻塔帶走儲(chǔ)能時(shí)氣態(tài)制冷劑液化的放熱量，最終釋放的吸附熱提供給熱用戶。

變溫吸附儲(chǔ)熱循環(huán)原理如圖2所示，

A-B：高溫?zé)嵩醇訜嵛椒磻?yīng)器，吸附反應(yīng)器內(nèi)吸附鹽解吸出氣態(tài)制冷劑，制冷劑被冷卻后液化進(jìn)入儲(chǔ)液器被儲(chǔ)存；

B-C：液態(tài)制冷劑在儲(chǔ)液器被低溫?zé)嵩醇訜岬紺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)變溫；

C-D：當(dāng)需要熱量時(shí)連接儲(chǔ)液器與反應(yīng)器，高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入反應(yīng)器，被吸附鹽所吸附產(chǎn)生吸附熱，通過循環(huán)介質(zhì)釋放出能量；

D-A：回收或者向環(huán)境放出顯熱熱量，完成變溫循環(huán)。

圖2 熱化學(xué)變溫吸附儲(chǔ)熱循環(huán)示意圖

圖3 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)冷循環(huán)示意圖

吸附儲(chǔ)冷工況循環(huán)原理如圖3所示，

A-B：熱源對(duì)反應(yīng)器輸入熱量，吸附反應(yīng)器內(nèi)壓力升高達(dá)到冷凝壓力。

B-C：到冷凝壓力后，連接反應(yīng)器與儲(chǔ)液器，吸附反應(yīng)器內(nèi)吸附鹽解吸出氣態(tài)制冷劑，經(jīng)冷卻液化進(jìn)入儲(chǔ)液器被儲(chǔ)存；

C-D：反應(yīng)器在冷卻水作用下降溫，同時(shí)壓力下降到蒸發(fā)壓力；

D-A：當(dāng)需要冷量時(shí)連接儲(chǔ)液器與反應(yīng)器，儲(chǔ)液器內(nèi)液態(tài)制冷劑蒸發(fā)相變進(jìn)行制冷，氣態(tài)制冷劑進(jìn)入反應(yīng)器被吸附鹽所吸附，吸附熱被冷卻水帶走。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

1.2熱化學(xué)吸附儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)搭建中，為了取得更好的冷卻和制冷效果，在儲(chǔ)液器之上設(shè)置一個(gè)冷凝器，冷凝器采用板翅式換熱器，主要用于儲(chǔ)能過程中循環(huán)工質(zhì)的冷卻液化；儲(chǔ)液器內(nèi)部設(shè)有換熱盤管，可用外界低溫?zé)嵩赐ㄟ^水環(huán)路進(jìn)行加熱，主要用于加熱液態(tài)制冷劑實(shí)現(xiàn)變溫過程以及蒸發(fā)相變制冷。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由反應(yīng)器，冷凝器，儲(chǔ)液器幾部分構(gòu)成，通過氨路管道相連，系統(tǒng)與外界熱源，冷卻塔和冷熱用戶使用水路進(jìn)行換熱循環(huán)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用Pt100鉑電阻測(cè)量溫度,精度約為±0.2℃。

吸附工質(zhì)對(duì)是吸附系統(tǒng)的關(guān)鍵因素[3]，本文以熱化學(xué)吸附儲(chǔ)能工質(zhì)對(duì) NaBr-NH3為例[4]對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行分析，故對(duì)于本系統(tǒng)而言，反應(yīng)方程式為：

反應(yīng)器填裝的復(fù)合吸附鹽由NaBr吸附鹽和膨脹石墨采用浸漬法[5]混合、烘干后制得, 填裝在碳鋼翅片管翅片的縫隙之間，使用細(xì)孔鐵絲網(wǎng)包裹固定。反應(yīng)器兩端使用碳鋼堵頭焊接密封使并聯(lián)翅片管的油路并聯(lián)成為一個(gè)整體。膨脹石墨在 700℃環(huán)境中烘制12～15min，吸附鹽與膨脹石墨以3:1的質(zhì)量比例進(jìn)行混合，以改善吸附鹽的傳熱性能。

圖5 翅片管實(shí)物

圖6 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變溫吸附儲(chǔ)熱性能研究

2.1.1 儲(chǔ)熱工況熱力循環(huán)分析

本文對(duì)儲(chǔ)能循環(huán)主要從儲(chǔ)能能力和升溫能力兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

儲(chǔ)能量計(jì)算[6]方式：

儲(chǔ)能效率：儲(chǔ)存的理論效率為輸出熱量和輸入熱量的比值。循環(huán)中，輸出熱量就是吸附反應(yīng)熱，而輸入熱量包括高溫?zé)嵩醇訜岱磻?yīng)器所提供的反應(yīng)熱和低溫?zé)嵩醇訜醿?chǔ)液器的變溫加熱量?jī)刹糠?。因此熱泵工況儲(chǔ)能效率計(jì)算公式為：

圖7 熱化學(xué)變溫吸附儲(chǔ)熱Clapeyron圖

熱泵工況的理論變溫性能可通過Clapeyron圖[7]計(jì)算得到，設(shè)定環(huán)境溫度 Tc=20℃，儲(chǔ)液器變溫到Te=40℃，可根據(jù)NH3的溫度-壓力曲線得到對(duì)應(yīng)溫度下的壓力，然后根據(jù)吸附鹽反應(yīng)平衡線得到反應(yīng)器對(duì)應(yīng)壓力下的溫度Toutput=58℃，Tinput= 43℃，反應(yīng)器輸入溫度與輸出溫度的升溫幅度為15℃。系統(tǒng)循環(huán)流程為：反應(yīng)器中的復(fù)合吸附劑被加熱到43℃向儲(chǔ)液器解吸出氣態(tài)氨，氣態(tài)氨被冷卻水冷卻成為20℃的液態(tài)氨后儲(chǔ)存在儲(chǔ)液器內(nèi)；儲(chǔ)液器內(nèi)液態(tài)氨被低溫?zé)嵩醇訜岬?0℃后，連接儲(chǔ)液器與反應(yīng)器，儲(chǔ)液器內(nèi)的液氨蒸發(fā)成為氣態(tài)氨進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)被吸附，產(chǎn)生反應(yīng)熱提供給熱用戶。

2.1.2 儲(chǔ)熱特性實(shí)驗(yàn)研究

當(dāng)儲(chǔ)存能量時(shí)，設(shè)計(jì)反應(yīng)器內(nèi)部溫度為43℃，按照反應(yīng)器傳熱溫差6℃計(jì)算，使用流量為0.33kg/s的循環(huán)水加熱反應(yīng)器，環(huán)境溫度23℃，此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的氨向儲(chǔ)液器解吸儲(chǔ)存，得到數(shù)據(jù)如圖8。

可看到，儲(chǔ)熱過程中，反應(yīng)器平均進(jìn)出口溫差1.7℃，反應(yīng)器解吸耗熱量為1357kJ。

釋放能量時(shí)，儲(chǔ)液器內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度為 58℃,傳熱溫差6℃計(jì)算，使用52℃循環(huán)水冷卻反應(yīng)器，氣態(tài)氨進(jìn)入反應(yīng)器被吸附釋放出反應(yīng)熱,得到數(shù)據(jù)如圖9。

可看到，當(dāng)連接儲(chǔ)液器和反應(yīng)器時(shí)，由于制冷劑的蒸發(fā)相變，儲(chǔ)液器進(jìn)出口溫差達(dá)到 2.5℃，此時(shí)從反應(yīng)器輸出的溫度明顯高于向反應(yīng)器輸入的溫度，二者平均溫差為 1.7℃，從而實(shí)現(xiàn)了低品位熱能的能量品位提升，釋能功率可達(dá)到1.2kW，變溫釋放熱量為 1242kJ，填充復(fù)合吸附劑質(zhì)量為5.26kg，計(jì)算得到儲(chǔ)熱密度為 258kJ/kg，低溫?zé)嵩摧斎氲淖儨丶訜崃繛?693kJ，故儲(chǔ)能效率為40.7%，這是由于試驗(yàn)系統(tǒng)顯熱過大所致，熱容對(duì)于吸附系統(tǒng)的影響非常明顯[8]，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后儲(chǔ)能效率將會(huì)有明顯的提高。

2.2 吸附儲(chǔ)冷性能研究

2.2.1 儲(chǔ)冷工況熱力循環(huán)分析

現(xiàn)在對(duì)于吸附式制冷的研究較多，評(píng)價(jià)方式主要來源于COP和SCP，吸附式制冷循環(huán)COP的計(jì)算方式為：

圖8 儲(chǔ)能試驗(yàn)過程進(jìn)變化曲線

SCP的計(jì)算方式為：

2.2.2 儲(chǔ)冷特性實(shí)驗(yàn)研究

當(dāng)冷凝溫度為23 ℃, 解吸溫度為70℃，蒸發(fā)溫度為7℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

儲(chǔ)冷過程中，反應(yīng)器平均進(jìn)出口溫差 5.4℃，反應(yīng)器解吸耗熱量為9199kJ。

當(dāng)釋放冷量時(shí)，設(shè)計(jì)制冷溫度為7℃,反應(yīng)器解吸溫度為自然環(huán)境溫度22℃，使用冷卻水冷卻反應(yīng)器，儲(chǔ)液器內(nèi)部?jī)?chǔ)存的液態(tài)氨相變蒸發(fā)進(jìn)入反應(yīng)器被吸附釋放出反應(yīng)熱,得到數(shù)據(jù)如圖11。

圖9 釋能試驗(yàn)過程變化曲線

圖10 儲(chǔ)冷過程變化曲線

圖11 釋冷過程變化曲線

可以看到，釋放冷量時(shí)儲(chǔ)液器進(jìn)出口平均溫差0.8℃，制冷量為2758kJ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出制冷循環(huán)下COP為0.3，SCP為175W/kg，填充復(fù)合吸附劑質(zhì)量為5.26kg，所以儲(chǔ)冷密度為525kJ/kg。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于熱化學(xué)吸附變溫器原理的冷熱復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)，并以工質(zhì)對(duì) NaBr-NH3為例搭建了熱化學(xué)吸附儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其變溫吸附儲(chǔ)熱和吸附儲(chǔ)冷性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：采用熱化學(xué)吸附變溫器可有效實(shí)現(xiàn)低品位熱能的高效儲(chǔ)存和能量品位提升，在變溫吸附儲(chǔ)熱模式下，在升溫15℃的工況時(shí)的儲(chǔ)熱密度為258kJ/kg；吸附儲(chǔ)冷模式時(shí)，在制冷溫度 7℃的工況時(shí)儲(chǔ)冷密度可達(dá)525kJ/kg，COP為0.3, SCP為175W/kg。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明熱化學(xué)吸附變溫器在低品位熱能高效回收利用和能量?jī)?chǔ)存方面具有很好的發(fā)展?jié)摿Γ赏瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)熱量和冷量的復(fù)合儲(chǔ)存。對(duì)于吸附系統(tǒng)來說，金屬熱容對(duì)效率有較大影響，經(jīng)過合理的優(yōu)化之后，儲(chǔ)能效率將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

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Study on the Combined Cold and Heat Energy Storage of Thermochemical Sorption Heat Transformer Powered By Low-Grade Thermal Energy

Ma Liang*, Wang Ruzhu**, Li Tingxian
(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

A combined cold and heat energy storage of thermochemical sorption heat transformer technology was introduced. And based on that, an experimental facility was organized based on NaBr-NH3working pair. The performance of the system was studied to confirm the effect of the technology. The experiment result is: In the heat pump condition, when temperature was lifted 15℃, the heat storage capacity is 258kJ/kg. In refrigeration condition, the refrigeration storage capacity can arrive 525kJ/kg, the COP can arrive 0.3 and SCP can reach 175W/kg. The research results showed that: Thermochemical sorption heat transformer has great potential in high efficient utilization and storage of low-grade energy. While at the same time, the technology can also realize the of cold and heat energy storage.

thermochemical sorption; energy storage; energy upgrade; heat transformer

*第一作者：馬良（1987年-），男，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，碩士研究生，主要從事太陽能儲(chǔ)能方面研究。E-mail: maliang830@gmail.com，Tel: +86-18801947681。

**導(dǎo)師：王如竹，男，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，教授，主要從事太陽能熱利用以及吸附式制冷等方面的研究。E-mail: rzwang@sjtu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（No.50906053 ）