王震，閆霆，霍英杰

（上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 201306）

全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)了能源需求的大幅增加。然而，傳統(tǒng)化石燃料的儲(chǔ)量有限且在短時(shí)間內(nèi)不可再生，能源短缺已成為全球共同面臨的重大問(wèn)題。此外，化石燃料的廣泛使用將產(chǎn)生酸雨和溫室氣體排放，不僅加劇環(huán)境污染而且引起全球變暖、氣候異常等諸多問(wèn)題。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，目前我國(guó)的能源消費(fèi)已超越美國(guó)，位居世界第一位。中國(guó)的能源消費(fèi)已占世界能源消費(fèi)的20%，能源緊張的狀況日益突出。為了實(shí)現(xiàn)能源的健康、有序及可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家戰(zhàn)略布局中已經(jīng)明確了各類能源發(fā)展的總體目標(biāo)。一方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的能源利用效率整體仍處在較低的水平，我國(guó)在節(jié)能方面的潛力巨大。在能量的各種形式中，熱能作為最重要的能量存在形式被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的各個(gè)環(huán)節(jié)。由于較低的能源利用效率，在我國(guó)能源系統(tǒng)中還存在大部分的低品位熱能以廢熱的形式被白白排放掉而未能得到合理的利用。另一方面，國(guó)家大力推動(dòng)太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹睦茫c之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)亦得到了迅速地發(fā)展。然而，工業(yè)余熱/廢熱和太陽(yáng)能、地?zé)崮艿饶茉炊季哂虚g斷性、不穩(wěn)定甚至低密度的特點(diǎn)。熱能儲(chǔ)存可用于解決熱能供需在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾。通過(guò)熱能儲(chǔ)存可將暫時(shí)不用或多余的熱能通過(guò)一定的介質(zhì)儲(chǔ)存起來(lái)，供需要時(shí)加以利用。

熱能儲(chǔ)存技術(shù)已成為減少對(duì)化石燃料依賴的有效措施之一。熱能儲(chǔ)存有三種方式：顯熱儲(chǔ)存、相變熱儲(chǔ)存和熱化學(xué)熱儲(chǔ)存。在上述儲(chǔ)熱方式中，熱化學(xué)儲(chǔ)熱方式的儲(chǔ)熱密度最高，其儲(chǔ)熱能力是相變儲(chǔ)熱技術(shù)的3 倍，顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)的10 倍。作為熱化學(xué)儲(chǔ)熱方式之一的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱技術(shù)，不僅具有儲(chǔ)熱密度高、熱損失小的優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)熱能的跨季節(jié)儲(chǔ)存。近年來(lái)，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，并被證明是一種有前途的、可持續(xù)的、可再生的節(jié)能技術(shù)。通常，使用最為普遍的吸附質(zhì)氣體為水和氨，吸附劑則為金屬鹵化物。與氨相比，水不能用于0℃以下的環(huán)境且其作為工作氣體時(shí)系統(tǒng)壓力過(guò)低，不利于傳質(zhì)，在吸附放熱過(guò)程中表現(xiàn)得尤為明顯，在一定程度上限制了其應(yīng)用。相比較于常見(jiàn)的無(wú)機(jī)鹽-水工質(zhì)對(duì)，采用金屬鹵化物與氨的解吸/吸附進(jìn)行熱儲(chǔ)存具有較高的理論儲(chǔ)熱密度和更寬的工作溫度范圍，許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了諸多研究工作。朱芳啟等基于再吸附變溫原理采用MnCl-CaCl/NH作為再吸附工質(zhì)對(duì)構(gòu)建了吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并針對(duì)低品位熱能的升溫儲(chǔ)能特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。在充放熱溫度分別為125℃和130℃的工況下獲得了最大的儲(chǔ)熱效率，其值為28.57%。江龍等對(duì)MnCl-CaCl/NH再吸附工質(zhì)對(duì)的循環(huán)吸附量進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)熱源溫度、冷卻溫度和低溫鹽再生溫度分別為150℃、25℃和5℃時(shí)，循環(huán)吸附量最大可達(dá)0.502kg/kg。周志松等將非平衡條件下氯化錳復(fù)合吸附劑吸附氨的壓力/溫度曲線與Claperon 反應(yīng)平衡曲線進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)解吸存在滯后現(xiàn)象。Li等從理論上研究了SrCl/NH熱化學(xué)吸附熱池短期和長(zhǎng)期的儲(chǔ)熱性能并將其用于低品位熱能的回收利用。當(dāng)解吸充熱溫度為96℃、冷凝和蒸發(fā)都處于25℃的環(huán)境溫度下、放熱溫度為52℃時(shí)，此體系的短期儲(chǔ)熱密度為1724kJ/kg SrCl；冬季，在-15℃的環(huán)境溫度下蒸發(fā)時(shí)的長(zhǎng)期儲(chǔ)熱密度為1311kJ/kg SrCl。Yan 等以NiCl-SrCl/NH作為熱化學(xué)再吸附儲(chǔ)熱工質(zhì)對(duì)，從理論上分析了NiCl-SrCl/NH體系在不同運(yùn)行模式下的儲(chǔ)熱性能。Jiang 等利用模塊化方法研究了MnCl-CaCl-NH、MnCl-SrCl-NH等工質(zhì)對(duì)的冷熱復(fù)合儲(chǔ)存性能，其中MnCl-CaCl-NH的性能最佳。當(dāng)熱源溫度為130～150℃、蒸發(fā)溫度為-20～5℃時(shí)，MnCl-CaCl-NH的儲(chǔ)熱密度范圍為580～1368kJ/kg。

對(duì)目前的吸附儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行分析，已有的研究主要聚焦于吸附材料性能方面的研究，對(duì)于吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，尤其是以NH作為工作氣體的則更少。本文選擇MnCl/NH作為吸附儲(chǔ)熱工質(zhì)對(duì)，構(gòu)建了熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)MnCl/NH熱化學(xué)吸附系統(tǒng)的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，以期為熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用提供有益的借鑒和參考。

1 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱的工作原理

熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱工作原理如圖1所示。熱化學(xué)吸附系統(tǒng)主要由吸附床反應(yīng)器和吸附質(zhì)貯存器組成。吸附床反應(yīng)器內(nèi)填充有化學(xué)吸附反應(yīng)鹽，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的工作過(guò)程主要包括解吸階段的充熱和吸附階段的放熱兩個(gè)過(guò)程。其中，貯存器的功能在吸附劑與吸附質(zhì)吸附/解吸過(guò)程中交替變化，在充熱過(guò)程中充當(dāng)冷凝器，在放熱過(guò)程中貯存器則扮演蒸發(fā)器的角色。

圖1 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱的工作過(guò)程

以MnCl/NH為體系的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)中，MnCl與NH之間的化學(xué)反應(yīng)方程為式(1)。

式中，反應(yīng)焓=47.416kJ/mol。

正反應(yīng)為解吸充熱反應(yīng)，逆反應(yīng)為吸附放熱反應(yīng)。吸附床反應(yīng)器內(nèi)填充有化學(xué)吸附反應(yīng)鹽，反應(yīng)鹽吸附劑經(jīng)過(guò)解吸/吸附反應(yīng)之后會(huì)發(fā)生膨脹與結(jié)塊現(xiàn)象，使傳質(zhì)能力下降從而導(dǎo)致吸附劑的性能衰減。為了克服這一問(wèn)題，將化學(xué)反應(yīng)鹽浸漬到膨脹石墨中制備復(fù)合材料，借助石墨豐富的微孔結(jié)構(gòu)及超大的比表面積為吸附質(zhì)氣體的擴(kuò)散提供通道和反應(yīng)表面，進(jìn)而改善化學(xué)吸附劑在吸附過(guò)程中由于結(jié)塊而導(dǎo)致的傳質(zhì)惡化問(wèn)題。同時(shí)，利用膨脹石墨的高導(dǎo)熱性能還可以提高吸附劑的傳熱性能。熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的工作過(guò)程主要包括以下兩個(gè)過(guò)程。

（1）解吸階段的充熱過(guò)程 解吸階段伴隨著大量的熱能吸收，此熱量由外界富集的熱量所提供，化學(xué)反應(yīng)鹽在加熱作用下發(fā)生分解反應(yīng)，解吸出的氣態(tài)吸附質(zhì)流入冷凝器并在處于環(huán)境溫度下的空氣或冷卻水的冷卻作用下凝結(jié)成液態(tài)并儲(chǔ)存于其內(nèi)。此階段通過(guò)熱能向化學(xué)勢(shì)能的轉(zhuǎn)化從而完成熱能的儲(chǔ)存過(guò)程。

（2）吸附階段的釋熱過(guò)程 當(dāng)需要向外界提供熱量時(shí)，只需連通吸附床反應(yīng)器與貯存器，吸附質(zhì)在貯存器內(nèi)蒸發(fā)相變，由此產(chǎn)生的氣體在壓差的驅(qū)動(dòng)作用下進(jìn)入吸附床反應(yīng)器內(nèi)并與其內(nèi)的化學(xué)吸附反應(yīng)鹽發(fā)生放熱的合成反應(yīng)，放出大量的吸附熱，以滿足外界的用熱需求。

解吸充熱完畢，反應(yīng)器和儲(chǔ)液器之間的閥門被關(guān)斷。這意味著兩種反應(yīng)物即反應(yīng)鹽吸附劑和反應(yīng)氣體氨被有效地隔離開(kāi)來(lái)。因此，熱化學(xué)儲(chǔ)熱不僅可以用于熱能的短期儲(chǔ)存，而且更利于熱能的跨季節(jié)、長(zhǎng)周期高效儲(chǔ)存。熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)中解吸以及吸附的輪換正好與太陽(yáng)能等低品位熱能的間歇性這一特性相吻合，因而為工業(yè)余熱、廢熱以及太陽(yáng)能的大規(guī)模熱利用提供了可能。

為了滿足熱用戶對(duì)高品位熱能的需求，可以對(duì)輸出的熱能品位進(jìn)行調(diào)控?；瘜W(xué)吸附是一個(gè)單變量過(guò)程，反應(yīng)平衡溫度與反應(yīng)平衡壓力是一一對(duì)應(yīng)的雙射。即若一旦反應(yīng)平衡溫度確定了，反應(yīng)平衡壓力也就隨之確定了，反之亦然。對(duì)于熱化學(xué)吸附系統(tǒng)而言，解吸充熱時(shí)對(duì)應(yīng)的約束壓力為冷凝器內(nèi)的冷凝壓力，吸附釋熱時(shí)所對(duì)應(yīng)的約束壓力為蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)壓力。在外界熱源溫度確定的情況下，即充熱溫度一定的前提下，可通過(guò)降低冷凝器內(nèi)壓力的方法來(lái)提高反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，以便使反應(yīng)速率加快，同時(shí)可以使化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更為完全。由于冷卻介質(zhì)的量不可能無(wú)限多、冷卻面積不可能無(wú)限大，因此必然存在換熱溫差，它們是降低冷凝器內(nèi)壓力的技術(shù)限制，同時(shí)冷卻溫度因自然條件的制約不可能無(wú)限低，因而此途徑受到一定的限制。在吸附釋熱的過(guò)程中，可以通過(guò)提高蒸發(fā)壓力來(lái)增大反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而使反應(yīng)速率加快并使化學(xué)吸附反應(yīng)進(jìn)行得更為徹底。根據(jù)化學(xué)吸附的單變量特性，只要提高蒸發(fā)溫度就可以達(dá)到提高蒸發(fā)壓力的目的。更進(jìn)一步，若是在釋熱階段額外增加一個(gè)升溫升壓過(guò)程，就可以根據(jù)用能需要對(duì)輸出熱能的溫度品位進(jìn)行調(diào)控，從而滿足外界熱用戶的不同需求。

2 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的理論分析

2.1 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的工作模式

熱化學(xué)吸附/再吸附儲(chǔ)熱循環(huán)有以下三種工作模式：直接充放熱模式、熱能品位提升模式和冷熱復(fù)合儲(chǔ)存模式。為了評(píng)估MnCl/NH作為工質(zhì)對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱體系應(yīng)用于長(zhǎng)期熱儲(chǔ)存的潛力，本文不考慮反應(yīng)器金屬和反應(yīng)鹽的顯熱儲(chǔ)存且僅對(duì)直接充放熱模式進(jìn)行探討。直接充放熱模式一般對(duì)應(yīng)短期熱儲(chǔ)存，工作氣體NH在相同的環(huán)境溫度下蒸發(fā)/冷凝。直接充放熱模式的工作原理如圖2所示，充熱階段（-）由反應(yīng)鹽的解吸和解吸出的工作氣體NH的冷凝所構(gòu)成，放熱階段（-）則對(duì)應(yīng)工作氣體NH的蒸發(fā)和反應(yīng)鹽對(duì)NH的吸附，并由此放出反應(yīng)熱。因此，理想的循環(huán)為/-，然而實(shí)際循環(huán)都是在偏離平衡狀態(tài)的情況下發(fā)生的。在解吸充熱階段，只有當(dāng)充熱溫度高于吸附質(zhì)冷凝溫度對(duì)應(yīng)的吸附劑平衡溫度（＞），即存在解吸驅(qū)動(dòng)溫差時(shí)解吸反應(yīng)才會(huì)發(fā)生，因此實(shí)際的解吸反應(yīng)為-。在吸附放熱階段，只有存在吸附驅(qū)動(dòng)溫差時(shí)反應(yīng)鹽與吸附質(zhì)的合成反應(yīng)才能發(fā)生，因此放熱溫度必然低于反應(yīng)鹽吸附平衡溫度，實(shí)際吸附過(guò)程為-()()。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)外界熱用戶的需求，可以選擇不同的放熱溫度，圖2 中、、···、點(diǎn)對(duì)應(yīng)、、···、一系列放熱溫度。

圖2 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱直接充放熱模式原理

2.2 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)的充放熱量

2.2.1 解吸階段外界的輸入熱量

對(duì)于直接充放熱模式而言，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)解吸階段外界提供給系統(tǒng)的熱量包括三部分：①吸熱的分解反應(yīng)所需要的熱量，其等于相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)熱；②反應(yīng)鹽的顯熱；③反應(yīng)器金屬的顯熱，如式(2)所示。

采用文獻(xiàn)[26]的相關(guān)數(shù)據(jù)可得到MnCl和NH的定壓比熱容，進(jìn)而通過(guò)加權(quán)平均即可獲得正反應(yīng)鹽MnCl·6NH的定壓比熱容c和逆反應(yīng)鹽MnCl·2NH的定壓比熱容c。

2.2.2 吸附階段的釋熱量

熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)吸附階段的有效釋熱量為吸附工質(zhì)對(duì)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)熱扣除掉反應(yīng)鹽和反應(yīng)器金屬?gòu)沫h(huán)境溫度升溫到熱能輸出溫度所需的顯熱消耗后的剩余部分，具體的計(jì)算如式(3)。

式中，右邊第一項(xiàng)代表吸附反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)熱；第二項(xiàng)即被大括號(hào)括起來(lái)的是反應(yīng)鹽顯熱；第三項(xiàng)是反應(yīng)器金屬顯熱。

2.3 MnCl2/NH3熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱體系的性能分析

2.3.1 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)的性能參數(shù)

通常用儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)熱體系性能的優(yōu)劣。吸附儲(chǔ)熱密度定義為吸附放熱階段的有效釋熱量與反應(yīng)鹽總質(zhì)量的比值，如式(4)。

吸附儲(chǔ)熱效率定義為吸附放熱階段的有效釋熱量與解吸階段外界提供給系統(tǒng)的熱量之比，如式(5)。

2.3.2 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能的理論分析

采用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，其定義為完成反應(yīng)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)鹽物質(zhì)的量占參與反應(yīng)的反應(yīng)鹽總物質(zhì)的量的百分?jǐn)?shù)。NH的冷凝/蒸發(fā)溫度設(shè)定為25℃，與此相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)鹽MnCl的解吸/吸附平衡溫度為146℃。實(shí)際運(yùn)行中，只有當(dāng)充熱溫度高于解吸平衡溫度時(shí)，分解反應(yīng)才會(huì)發(fā)生?？紤]傳熱端差、限制溫度和反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力的影響，同時(shí)為了能與后面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，將外界熱源輸入溫度擬定為162℃，對(duì)外的熱輸出溫度為85℃?；瘜W(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式下吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率的影響如圖3所示。

圖3 化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)X對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度γ和儲(chǔ)熱效率η的影響

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)從0.2變化到1.0時(shí)，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式的吸附儲(chǔ)熱密度從62.38kJ/kg MnCl增大至1208.45kJ/kg MnCl；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)從0.2逐漸增大至1.0時(shí)，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式的吸附儲(chǔ)熱效率從5.38%增大至51.57%?；瘜W(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)越高，意味著反應(yīng)鹽與吸附質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得越徹底，因此隨著化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)的增大，吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率均隨之增加。雖然較高的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)可以帶來(lái)高的能量密度和儲(chǔ)熱效率，但是隨著化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行和深入，反應(yīng)速率會(huì)逐漸減慢。在相同的約束條件下，化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)越大則意味著需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，從而使系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間增加。因此，實(shí)際應(yīng)用中需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定合適的運(yùn)行工況參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效能的目的。

3 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱特性實(shí)驗(yàn)

采用MnCl/NH作為工質(zhì)對(duì)搭建的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)主要由吸附床反應(yīng)器、恒溫水浴、閥門和數(shù)據(jù)采集裝置組成。吸附床中填充有MnCl/石墨固化復(fù)合吸附劑約為3.78kg，其中石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

圖4 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)中，MnCl的解吸充熱溫度為162℃，冷凝/蒸發(fā)溫度為25℃，吸附放熱溫度分別為45℃、55℃、65℃、75℃和85℃，在試驗(yàn)中保持參數(shù)解吸溫度和冷凝/蒸發(fā)溫度不變，僅就不同的放熱溫度對(duì)熱化學(xué)吸附系統(tǒng)儲(chǔ)熱性能的影響進(jìn)行分析。圖5給出了熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)的工作流程。

圖5 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作流程

圖6給出了回收的吸附放熱量與放熱溫度之間的變化關(guān)系。由圖可知，回收的吸附反應(yīng)熱量隨著放熱溫度的升高而減小。當(dāng)放熱溫度為45℃時(shí)，回收的吸附反應(yīng)熱為4165.19kJ；當(dāng)放熱溫度增加至85℃時(shí)，回收的吸附反應(yīng)熱明顯減少，其值降低至2546.11kJ。

圖6 回收的吸附熱量與放熱溫度的變化關(guān)系

圖7給出了熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度與放熱溫度之間的變化關(guān)系。由圖可知，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度隨著放熱溫度的升高而減小。在試驗(yàn)工況下，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度從放熱溫度為45℃時(shí)的1296.36kJ/kg（以化學(xué)反應(yīng)鹽計(jì)量）和1101.90kJ/kg（以固化復(fù)合吸附劑計(jì)量）分別減小為85℃的792.44kJ/kg MnCl和673.57kJ/kg復(fù)合吸附劑。

圖7 熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度與放熱溫度的關(guān)系

圖8為熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱效率隨放熱溫度的變化關(guān)系。可以看出，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱效率隨著放熱溫度的提高而減小。熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱效率從45℃時(shí)的38.98%減少到85℃的24.08%。

圖8 不同放熱溫度下的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱效率

對(duì)比理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)解吸充熱溫度和冷凝/蒸發(fā)溫度相同且分別為162℃和25℃時(shí)，在吸附放熱溫度均為85℃時(shí)，理論上最大的吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率分別為1208.45kJ/kg MnCl和51.57%；放熱溫度為85℃時(shí)，試驗(yàn)所得的吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率分別為792.44kJ/kg MnCl和24.08%。采用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能的理論分析，其實(shí)質(zhì)上反映的是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行深度對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)熱性能的影響，由于沒(méi)有考慮化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，故而理論所得的吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率要比相同工況下的實(shí)驗(yàn)值高。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)受到傳熱傳質(zhì)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力、有限循環(huán)時(shí)間等多種因素的影響致使反應(yīng)不可能完全，因此實(shí)際獲得的儲(chǔ)熱性能低于理論值。在實(shí)際中，可通過(guò)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)確定優(yōu)化的熱力學(xué)參數(shù)以對(duì)熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文以MnCl/NH作為吸附儲(chǔ)熱工質(zhì)對(duì)構(gòu)建了熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)其在熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式下的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

（1）理論分析表明，隨著化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)的增大，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率均隨之增加。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)從0.2變化到1.0時(shí)，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式的吸附儲(chǔ)熱密度從62.38kJ/kg MnCl增大至1208.45kJ/kg MnCl；當(dāng)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)從0.2逐漸增大至1.0時(shí)，熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱循環(huán)直接充放熱模式的吸附儲(chǔ)熱效率從5.38%增大至51.57%。

（2）對(duì)于MnCl/NH體系的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)而言，在解吸充熱溫度、吸附溫度、冷凝/蒸發(fā)溫度分別為162℃、45℃和25℃的運(yùn)行條件下，試驗(yàn)中得到的吸附放熱量最大，其值為4165.19kJ。

（3）熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率均隨著放熱溫度的升高而減小。在試驗(yàn)工況下獲得的材料的最大吸附儲(chǔ)熱密度為1296.36kJ/kg MnCl或1101.90kJ/kg 固化復(fù)合吸附劑。當(dāng)放熱溫度由85℃降低至45℃時(shí)，以MnCl/NH作為工質(zhì)對(duì)的熱化學(xué)吸附儲(chǔ)熱系統(tǒng)的吸附儲(chǔ)熱效率從24.08%提高至38.98%。

c—— 定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

—— 反應(yīng)焓，kJ/mol

—— 質(zhì)量，kg

—— 物質(zhì)的量，mol

—— 壓力，Pa

—— 熱量，kJ

—— 溫度，℃

—— 化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化系數(shù)

—— 吸附儲(chǔ)熱密度，kJ/kg

—— 吸附儲(chǔ)熱效率

下角標(biāo)

c—— 冷凝

ca—— 循環(huán)中的氨

e—— 蒸發(fā)

eq—— 平衡

FRS—— 正反應(yīng)鹽

in—— 輸入

out—— 輸出

r—— 反應(yīng)

RM—— 反應(yīng)器金屬

RRS—— 逆反應(yīng)鹽